一種基于嵌入式平臺的報警系統(tǒng)的設(shè)計

貴州師范大學機械與電氣工程學院 趙 鵬 劉繼榮

一種基于嵌入式平臺的報警系統(tǒng)的設(shè)計

貴州師范大學機械與電氣工程學院 趙 鵬 劉繼榮

對應(yīng)用在智能家居的防盜報警系統(tǒng)進行設(shè)計與實現(xiàn)。系統(tǒng)運行在嵌入式Linux平臺上，采用motion移動物體檢測程序進行對進入室內(nèi)的人員進行檢測，若發(fā)現(xiàn)有移動物體，則發(fā)出報警聲并把移動物體的圖像保存在文件系統(tǒng)上，同時，系統(tǒng)移植了web服務(wù)器及相應(yīng)的網(wǎng)頁控制程序，讓用戶通過瀏覽器對檢測到的圖像進行訪問和對系統(tǒng)進行遠程控制。

嵌入式；Linux；防盜報；警圖像對比；智能家居

0 引言

隨著城鄉(xiāng)一體化的建設(shè)，我國人口居住密集度越來越高，出于居家防盜方面的考慮，設(shè)計了本文所介紹的防盜報警系統(tǒng)。本系統(tǒng)是應(yīng)用于室內(nèi)無人環(huán)境的監(jiān)控防盜，其利用了圖像處理技術(shù)對捕捉到的監(jiān)控區(qū)域圖像做算法對比，從而實現(xiàn)了對特定空間范圍的監(jiān)控。傳統(tǒng)的防盜系統(tǒng)，大多是采用單點觸發(fā)的方式，即在特定位置點安放傳感器采集信息，當采集點采集到的信號量達到報警門限時，就向中心控制器發(fā)出報警請求信號！這種報警裝置的優(yōu)點是安裝方便，反應(yīng)迅速，但其適用范圍較小，對單點噪聲過分敏感而容易產(chǎn)生誤報！基于圖像對比的防盜報警系統(tǒng)克服了上述缺陷，其通過對所監(jiān)視區(qū)域進行全景圖片拍攝并作算法處理，避免單一采集點在測量時對隨機噪聲所產(chǎn)生的敏感性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與工作流程分析

本系統(tǒng)采用了motion圖像處理程序和嵌入式web網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實現(xiàn)對室內(nèi)移動人員的捕捉進而把捕捉到的內(nèi)容通過圖片文件的形式保存起來，讓使用者更直觀的清楚移動人員的情況。

1.1 防盜系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)主要由圖片采集子系統(tǒng)，報警子系統(tǒng)，移動物體監(jiān)控主系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控子系統(tǒng)四個部分組成。

圖像采集子系統(tǒng)沿用了linux內(nèi)核中的Video4Linux2驅(qū)動程序，它為用戶編寫應(yīng)用程序訪問視頻設(shè)備提供了一系列的接口函數(shù)。對于USB 接口攝像頭，驅(qū)動程序中提供了 open、read、write、close、ioctl等基本的 I/O 操作接口函數(shù)，實現(xiàn)了對中斷的處理和內(nèi)存映射及控制攝像頭等功能。其報警子系統(tǒng)移植了madplayer音頻播放程序，提供播放用戶自定義的報警音。移動物體監(jiān)控主程序是基于圖像對比算法的程序，它提供了用戶根據(jù)實際情況定義采集照片的時間和圖像對比差異的像素點閾值。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控子程序是移植了BOA服務(wù)器并編寫主頁和相關(guān)cgi程序，給用戶提供瀏覽器從而訪問到了監(jiān)控圖像的存儲位置。

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)采用的是中星微ZC301的usb攝像頭，友善公司的mini2440開發(fā)板以及通用小音箱，在移植linux內(nèi)核時要把相應(yīng)的驅(qū)動給加載上才能工作。它的工作流程圖如圖1所示：

圖1 防盜報警系統(tǒng)的工作流程

2 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)工作是在以廣州友善科技有限公司生產(chǎn)的mini2440 開發(fā)板作為核心器件的硬件平臺上開展的。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)功能和性能上的要求，選擇和設(shè)計了相關(guān)外圍電路。將硬件開發(fā)平臺的總體結(jié)構(gòu)分為核心開發(fā)板和外接設(shè)備兩個部分：核心開發(fā)板使用的是mini2440開發(fā)板，外圍設(shè)備采用的是中星微ZC301型號的USB攝像頭和報警用的小音箱。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

檢測算法是整個安防監(jiān)控系統(tǒng)的核心算法，其實時性與準確性決定著整個安防監(jiān)控系統(tǒng)的可行性。本系統(tǒng)是采用靜態(tài)背景下的運動目標檢測算法。

本例采用背景更新算法，該算法能夠自適應(yīng)地獲取背景圖像。該算法提取背景的思路是保持運動區(qū)域內(nèi)的背景不變，通過當前幀與背景幀的幀差圖像找到物體的運動區(qū)域。在每一次的對比后，當前幀替換更新為非運動區(qū)域的背景，經(jīng)過數(shù)次的對比后就能提取出背景圖像。其算法可以分成以下幾個步驟：

第一步：取第1幀圖像作為背景。

第二步：選取閾值T，迭代次數(shù)m=1，最大迭代次數(shù)MAX_STEPS。

第三步：求當前幀的幀差分圖像

第四步：由二值圖像更新背景圖像

式中,為背景圖像和差分二值圖像在(x,y)的灰度值；為輸入的第i幀圖像；α為迭代速度系數(shù)。

第五步：迭代次數(shù)m=m+1，返回③，當?shù)螖?shù)m=MAX_STEPS時結(jié)束迭代。此時Bi(x,y)可視為背景圖像。

運動目標的檢測就是在當前幀圖像中提取出運動目標。由于一般情況下，前景的運動目標的灰度與背景的灰度值之間有很大的差異，而運動物體本身的灰度值不會有很大差異。這樣，當前幀圖像，背景圖像為B，背景差分二值圖像為：

由上式可知，灰度值為255的差分二值圖像像素點可視為前景的運動目標點。

2.3 BOA服務(wù)器的移植與CGI程序設(shè)計

本系統(tǒng)在嵌入式Linux平臺下移植了BOA服務(wù)器作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者，用戶只需登錄瀏覽器即可遠程訪問嵌入式設(shè)備，并實現(xiàn)對現(xiàn)場的監(jiān)控。BOA 服務(wù)器主要涉及兩個技術(shù)：

（1）HTTP協(xié)議(超文本傳輸協(xié)議）：是TCP/IP 協(xié)議族上的應(yīng)用層眾多協(xié)議中的一種，也是現(xiàn)在很多的 Web 服務(wù)器所采用的標準協(xié)議。

（2）CGI（通用網(wǎng)關(guān)接口）：定義了 Web 服務(wù)器和可執(zhí)行程序之間進行連接的接口準則，并提供了外部程序通道，Web 服務(wù)器正是利用這個通道和系統(tǒng)中的其他程序進行連接。

本系統(tǒng)編寫了兩個cgi程序?qū)崿F(xiàn)瀏覽器訪問到系統(tǒng)監(jiān)控圖片存儲的路徑，通過html文本以網(wǎng)頁的形式更直觀方便的展示了捕捉到的圖片。另一個cgi程序提供給用戶通過網(wǎng)頁控制對系統(tǒng)進行請求操作。

圖2 寢室光線下的物體入侵捕捉

3 系統(tǒng)性能測試與結(jié)果分析

開發(fā)平臺硬件部分以高性能 S3C2440 芯片作為核心器件，移植內(nèi)核版本為2.6.29的 Linux 嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件平臺。完成系統(tǒng)移植后，對系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)域進行入侵測試。

在寢室環(huán)境下某個時間段進行測試，系統(tǒng)成功發(fā)出警告，并捕抓了移動物體的圖像。在遠程 PC 機瀏覽器上輸入服務(wù)器網(wǎng)址后能夠看到清晰的監(jiān)控圖像，證明設(shè)計方案切實可行，設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對居住環(huán)境區(qū)域入侵監(jiān)控，如圖2所示。

4 結(jié)論

本章詳細描述了本文設(shè)計的室內(nèi)防盜報警系統(tǒng)的實現(xiàn)方案以及測試結(jié)果，并對測試結(jié)果進行了分析。測試實驗結(jié)果達到了預(yù)期目標，證明了本文設(shè)計的室內(nèi)防盜報警系統(tǒng)是可靠的。安防監(jiān)控是智能家居系統(tǒng)中最基本的也是最重要的功能，它直接關(guān)系到人們的生命財產(chǎn)安全，所以其智能程度對智能家居系統(tǒng)的設(shè)計和推廣有著重要意義。

[1]徐麗麗.基于ARM9的智能家居安防報警系統(tǒng)的設(shè)計[D].中北大學碩士學位論文,2014.

[2]葉牛.基于ARM 的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D].太原科技大學碩士學位論文,2014.

[3]易強.基于3G和ZigBee的智能家居無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].廣東工業(yè)大學碩士論文,2014.

[4]柴政.基于嵌入式技術(shù)的智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)[D].南昌大學碩士學位論文,2009.

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趙鵬（1992—），江蘇淮安人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于貴州師范大學。