基于多傳感器的高性能監控系統設計*

林飛龍，彭詩瑤，2

（1.湖南大學物理與微電子科學學院，湖南 長沙 410082;2.中國科學院微電子研究所，北京 100029）

0 引言

遠程監控［1］是集網絡技術、通信技術、自動化控制技術、傳感器技術于一體的綜合應用技術，涉及生活、娛樂、工業、軍事等諸多方面，是當前最熱門、最具發展潛力的科技領域之一。

隨著科技發展，監控技術從最初的模擬監控［2］，經歷PC視頻監控［3］，發展到了目前的嵌入式遠程監控。嵌入式遠程監控又是從 C/S 模式［4，5］逐漸變成以 B/S 模式［6，7］為主，并且一直向著低功耗、多功能、高性能方向發展。目前此類監控技術已經具備了比較完善的功能，但是依然存在許多不足，例如:文獻［8］以ARM作為嵌入式服務器，實現了大壩監測數據的遠程傳輸，但僅僅是單向數據傳輸，沒有包含控制等其他功能;文獻［9］結合了ARM和GPRS技術，設計了智能家居安防視頻監控，雖然實現了監測與報警，但是依然缺乏控制功能，也沒有網頁視頻監測功能;文獻［10］增加了手機短信報警和嵌入式服務器功能，但是沒有圖像報警功能。

本文在此基礎上進行系統擴展完善，在實現嵌入式服務器的基礎上，結合applet，CGI和AJAX技術完善網頁監控功能，采用多種傳感器采集環境數據、視頻數據以及人體入侵檢測，利用GPRS模塊實現短信交互、彩信報警，并添加圖像處理技術對模糊圖像進行復原。

1 硬件設計

系統的硬件結構主要分為嵌入式服務器（上位機）和采集控制告警模塊（下位機）兩部分。

1.1 上位機硬件電路

圖1為嵌入式服務器硬件結構圖。嵌入式服務器是系統的核心，采用飛凌嵌入式技術有限公司設計生產的FL2440開發板，其配置的S3C2440處理器是韓國三星公司推出的基于ARM920T內核的16/32位RISC處理器，支持WinCE，Linux等操作系統，在本系統中承擔著視頻、數據服務器的角色，實現數據收集、存儲、傳輸。

圖像傳感模塊采用中星微ZC301，該模塊為USB接口，30W像素，足以應付近距離圖片拍攝，并且直接輸出JPEG圖片數據，有利于網絡傳輸與彩信發送。

圖1 嵌入式服務器框圖Fig 1 Block diagramn of embedded server

1.2 下位機硬件電路

圖2為采集報警模塊硬件結構，實現數據采集、電器控制和告警功能。選用STC12C5A60S2單片機作為核心處理器，溫濕度模塊用于采集溫濕度數據，紅外模塊實現人體入侵感應，GPRS模塊負責短信交互與告警，電器控制模塊通過繼電器實現電器類控制。

1.2.1 GPRS 模塊

從控制系統成本考慮，GPRS模塊選擇廣州譜泰公司的PTM101，內置TCP/IP協議與彩信協議，其硬件接口采用郵票孔封裝，可以像芯片一樣貼在應用板上，牢固可靠，大大縮小應用板體積。

圖2 采集報警模塊框圖Fig 2 Block diagram of acquisition and alarm module

1.2.2 溫濕度傳感器

為減少硬件面積，系統選用SENSIRION公司的SHT11模塊，支持CRC校驗，傳輸可靠性高;在測量通信結束后自動轉入低功耗模式;同時集成溫濕度測量，測量溫度范圍為-40～100℃，精度為 ±0.4℃，測量濕度范圍為 0～100%RH，精度為±3%RH，滿足系統使用要求。其硬件連接方式簡單，如圖3所示。

1.2.3 紅外傳感器

圖3 溫濕度模塊連接圖Fig 3 Connection diagram of temperature and humidity module

本系統采用 HR—SR501人體紅外感應模塊，德國LHI778探頭設計，靈敏度高、可靠性強;靜態電流小于50 μA;可設置2種觸發方式，自主添加光敏控制、溫度補償，應用靈活，價格便宜。

2 軟件設計

軟件設計是整個系統有效工作的核心，為保證服務器功能穩定，ARM處理器采用功能強大、穩定可靠的嵌入式Linux系統;下位機模塊為保證實時性，自主開發與硬件全面融合的C語言程序代碼。

2.1 溫濕度采集

SHT11通過SCK時鐘線和DATA數據線與單片機通信，上電后單片機需要發送一組“啟動傳輸”時序:如圖4所示，DATA起初為高電平，然后在相鄰的2個SCK高電平之間令DATA保持低電平。

圖4 “啟動傳輸”時序Fig 4 Timing sequence of“start transmission”

初始化成功后控制器可發送測量任務命令，SHT11接收命令產生響應，然后等待其發出到“數據備妥”信號，讀取數據。對于濕度數據，根據需要進行線性補償和溫度補償來提高數據精度。

2.2 短信交互

系統采用PDU中文短信模式，發送時將信息內容嚴格按照PDU格式進行編碼，再加上服務中心號碼、被叫號碼、協議標識、數據編碼方案等內容，完成一條信息數據的打包，然后通過AT指令“AT+CMGS”啟動發送。

接收信息時GPRS模塊設置為自動上傳，控制器以串口中斷方式及時接收，然后按照信息格式解碼出信息內容，完成相應操作，短信交互流程如圖5所示。

2.3 視頻采集傳輸

視頻采集通過Video4linux接口函數，初始化攝像頭后建立圖像采集線程，以mmap內存映射方式獲取圖像數據。視頻傳輸程序采用基于TCP協議的流式套接字技術，保證無差錯、無重復發送，并按順序接收。程序流程如圖6。

服務器啟動后首先初始化設備，建立采集圖像數據的線程;同時建立套接字并綁定地址監聽客戶端請求。一旦收到客戶端發送的服務要求則啟動視頻發送線程，若是退出請求則關閉套接字。圖像的采集和發送是互斥的，因此，采集和發送線程中需要不斷檢測互斥鎖是否到位。

圖5 短信交互流程Fig 5 Short message interactive process

圖6 視頻采集與傳輸流程圖Fig 6 Flow chart of video capture and transmission

2.4 感應與彩信報警

HR—SR501人體紅外傳感模塊感應到人體后輸出高電平，觸發單片機外部中斷，即發送命令到ARM處理器進行圖像獲取，然后以彩信方式發送到用戶手機。

2.4.1 圖像處理

本系統采用的ZC301圖像傳感，性能偏低，在目標發生運動時拍攝會造成圖像模糊。針對該問題，并結合特定場合應用，采用背景法提取目標，運用差分法獲得目標運動函數，通過改進的LR算法進行圖像復原。

1）背景差分法獲取模糊函數

采集一幀背景圖像G0，兩幀運動模糊圖像G1，G2，G1-G0得到M1，G2-G0得到M2;設置適當閾值，對M1和M2逐像素掃描，當檢測到M（i，j）大于閾值時，計算該點3×3區域的平均灰度值，即

若依然大于閾值，則記錄該點屬于模糊區域;按照此方法可以提取出模糊區域范圍，端點分別是M1xmin，M1xmax，M1ymin，M1ymax和M2xmin，M2xmax，M2ymin，M2ymax（x代表行，y代表列），總共8個頂點，依次記為a1（M1xmin，M1ymin），a2（M1xmin，M1ymax），a3（M1xmax，M1ymin），a4（M1xmax，M1ymax），b1（M2xmin，M2ymin），b2（M2xmin，M2ymax），b3（M2xmax，M2ymin），b4（M2xmax，M2ymax），根據運動連續性和短時間內的勻速運動估計，可得模糊長度

模糊角度

即可得到點擴散函數。

2）改進LR算法復原

LR算法是目前被廣泛應用的圖像復原算法之一，它假設圖像服從泊松分布，采用最大似然法進行估計，是一種基于貝葉斯分析的迭代算法［11］，其迭代方程為

其中，⊕和*分別為相關運算和卷積運算，k為迭代次數，h為點擴散函數，可令g=f0進行迭代。對于實際質量較差圖像，噪聲不可忽略，得到

可見，噪聲的存在導致了迭代的不收斂，即噪聲放大［12］。構造改進的LR算法如下

其中，q（x，y）定義為

式中 Δ為由中心差分計算得到的梯度，s為梯度弱化因子（＜1），G?為對圖像進行高斯低通濾波后的結果。在開始迭代前，先用高斯濾波器處理最初圖像得到初始圖像f0，初步地減弱噪聲;接著，每次迭代前，都先計算q，然后代入式（6）對LR濾波進行約束:對于高頻部分，若梯度值很大，|ΔsG?|趨向于無窮，此時式（7）趨向于 0，則式（6）相當于式（5），說明具有一定的邊緣保持能力;對于低頻部分，若梯度值趨近于0，則|ΔsG?|趨向于0，此時式（7）趨向于1，式（6）趨近于0.5，能夠提高對比度;同時，由于G?是對迭代后圖像進行了高斯低通濾波的結果，已經減弱了許多噪聲，因此，Δs主要作用于非噪聲的邊緣部分。但是當圖像中含有污點時，該算子會同樣使污點明顯，因此，添加梯度弱化因子，減弱梯度作用，提高高斯濾波器作用效果，當s值趨向于0，則 Δs為1，高斯濾波起完全作用。

2.4.2 彩信發送

PTM101模塊已經集成了彩信發送協議，只需通過串口發送相應AT指令和jpg圖片數據到模塊即可實現彩信發送，其發送流程如下:發送“AT^MMSUPSTART/r/n”，模塊回復“OK”后，上傳jpg圖片數據，然后發送“AT^MMSUPEND/r/n”，若模塊回復“PICTURE UPLOAD OK”則表明上傳圖片成功，接下來發送“AT^MMSSEND=158xxxx9465/r/n”，模塊回復“MMS SENDING…”表明正在發送中，“SEND MMS OK”表明發送成功。

2.5 網頁動態交互

系統需要通過B/S架構實現遠程監控，因此，必須實現Web服務器功能。選用的Boa服務器是單任務HTTP服務器，處理速度快、源碼開放、占用空間小，且支持cgi技術。

網頁的框架設計使用Dreamweaver軟件，主要有視頻監視、數據顯示、操作控制3個部分。視頻顯示、數據曲線繪制、時間日歷顯示都是采用Java小應用程序applet來編寫。其中，視頻顯示使用SwingWorker來創建圖像線程，建立套接字連接。數據采集與操作控制以ajax異步交互的方式與服務器cgi通信。當網頁中提交請求時，首先通過ajax技術的XMLHttpRequest對象建立一個異步機制，然后以get方式將頁面請求信息提交給服務器cgi函數進行處理，同時指定cgi處理函數，并建立回調處理函數用于響應。其交互流程如圖7，整體網頁效果如圖8。

圖7 ajax和cgi運行機制Fig 7 Operating mechanism of ajax and cgi

圖8 網頁界面Fig 8 Webpage interface

3 實驗結果

圖9是根據背景差分法得到模糊長度a=39，模糊角度b=45，之后通過3種方法得到的處理結果，從中可見本文改進的LR算法在視覺上較其他兩者復原效果更好。

表1是采集1張相近的靜態照片與3張模糊圖像處理結果得出的評價參數表，峰值信噪比（PSNR）值越大復原質量越高;均方誤差（MSE）越小表明復原質量越好;相關測度K值越大表明越相近。從表中數據可以看出:本文算法在3個方面的評價上都比其他2種復原方法要好。

圖9 圖像處理結果Fig 9 Image processing results

表1 評價參數對比Tab 1 Comparison of evaluation parameter

4 結束語

本文設計實現了一種更加全面完善的遠程監控系統。采用溫濕度傳感器、圖像傳感器、人體紅外傳感器作為系統最前端的感知基礎，采用ARM處理器建立數據、視頻服務器，GPRS模塊完成遠程短信交互和彩信報警。細節上利用cgi，ajax，applet技術完善遠程客戶端頁面，使用上更加方便、靈活、界面更加美觀豐富，獲取圖像時添加圖像處理技術，用以提升低端圖像傳感器性能，使得系統更具實用性。

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