基于多傳感器的高性能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

林飛龍，彭詩瑤，2

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

0 引言

遠(yuǎn)程監(jiān)控［1］是集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、自動化控制技術(shù)、傳感器技術(shù)于一體的綜合應(yīng)用技術(shù)，涉及生活、娛樂、工業(yè)、軍事等諸多方面，是當(dāng)前最熱門、最具發(fā)展?jié)摿Φ目萍碱I(lǐng)域之一。

隨著科技發(fā)展，監(jiān)控技術(shù)從最初的模擬監(jiān)控［2］，經(jīng)歷PC視頻監(jiān)控［3］，發(fā)展到了目前的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控。嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)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(fā)展。目前此類監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)具備了比較完善的功能，但是依然存在許多不足，例如:文獻(xiàn)［8］以ARM作為嵌入式服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，但僅僅是單向數(shù)據(jù)傳輸，沒有包含控制等其他功能;文獻(xiàn)［9］結(jié)合了ARM和GPRS技術(shù)，設(shè)計(jì)了智能家居安防視頻監(jiān)控，雖然實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測與報(bào)警，但是依然缺乏控制功能，也沒有網(wǎng)頁視頻監(jiān)測功能;文獻(xiàn)［10］增加了手機(jī)短信報(bào)警和嵌入式服務(wù)器功能，但是沒有圖像報(bào)警功能。

本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展完善，在實(shí)現(xiàn)嵌入式服務(wù)器的基礎(chǔ)上，結(jié)合applet，CGI和AJAX技術(shù)完善網(wǎng)頁監(jiān)控功能，采用多種傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)以及人體入侵檢測，利用GPRS模塊實(shí)現(xiàn)短信交互、彩信報(bào)警，并添加圖像處理技術(shù)對模糊圖像進(jìn)行復(fù)原。

1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要分為嵌入式服務(wù)器（上位機(jī)）和采集控制告警模塊（下位機(jī)）兩部分。

1.1 上位機(jī)硬件電路

圖1為嵌入式服務(wù)器硬件結(jié)構(gòu)圖。嵌入式服務(wù)器是系統(tǒng)的核心，采用飛凌嵌入式技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的FL2440開發(fā)板，其配置的S3C2440處理器是韓國三星公司推出的基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC處理器，支持WinCE，Linux等操作系統(tǒng)，在本系統(tǒng)中承擔(dān)著視頻、數(shù)據(jù)服務(wù)器的角色，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(yīng)付近距離圖片拍攝，并且直接輸出JPEG圖片數(shù)據(jù)，有利于網(wǎng)絡(luò)傳輸與彩信發(fā)送。

圖1 嵌入式服務(wù)器框圖Fig 1 Block diagramn of embedded server

1.2 下位機(jī)硬件電路

圖2為采集報(bào)警模塊硬件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、電器控制和告警功能。選用STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心處理器，溫濕度模塊用于采集溫濕度數(shù)據(jù)，紅外模塊實(shí)現(xiàn)人體入侵感應(yīng)，GPRS模塊負(fù)責(zé)短信交互與告警，電器控制模塊通過繼電器實(shí)現(xiàn)電器類控制。

1.2.1 GPRS 模塊

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

圖2 采集報(bào)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(tǒng)選用SENSIRION公司的SHT11模塊，支持CRC校驗(yàn)，傳輸可靠性高;在測量通信結(jié)束后自動轉(zhuǎn)入低功耗模式;同時(shí)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(tǒng)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(tǒng)采用 HR—SR501人體紅外感應(yīng)模塊，德國LHI778探頭設(shè)計(jì)，靈敏度高、可靠性強(qiáng);靜態(tài)電流小于50 μA;可設(shè)置2種觸發(fā)方式，自主添加光敏控制、溫度補(bǔ)償，應(yīng)用靈活，價(jià)格便宜。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)有效工作的核心，為保證服務(wù)器功能穩(wěn)定，ARM處理器采用功能強(qiáng)大、穩(wěn)定可靠的嵌入式Linux系統(tǒng);下位機(jī)模塊為保證實(shí)時(shí)性，自主開發(fā)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(shí)鐘線和DATA數(shù)據(jù)線與單片機(jī)通信，上電后單片機(jī)需要發(fā)送一組“啟動傳輸”時(shí)序:如圖4所示，DATA起初為高電平，然后在相鄰的2個(gè)SCK高電平之間令DATA保持低電平。

圖4 “啟動傳輸”時(shí)序Fig 4 Timing sequence of“start transmission”

初始化成功后控制器可發(fā)送測量任務(wù)命令，SHT11接收命令產(chǎn)生響應(yīng)，然后等待其發(fā)出到“數(shù)據(jù)備妥”信號，讀取數(shù)據(jù)。對于濕度數(shù)據(jù)，根據(jù)需要進(jìn)行線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償來提高數(shù)據(jù)精度。

2.2 短信交互

系統(tǒng)采用PDU中文短信模式，發(fā)送時(shí)將信息內(nèi)容嚴(yán)格按照PDU格式進(jìn)行編碼，再加上服務(wù)中心號碼、被叫號碼、協(xié)議標(biāo)識、數(shù)據(jù)編碼方案等內(nèi)容，完成一條信息數(shù)據(jù)的打包，然后通過AT指令“AT+CMGS”啟動發(fā)送。

接收信息時(shí)GPRS模塊設(shè)置為自動上傳，控制器以串口中斷方式及時(shí)接收，然后按照信息格式解碼出信息內(nèi)容，完成相應(yīng)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(shù)，初始化攝像頭后建立圖像采集線程，以mmap內(nèi)存映射方式獲取圖像數(shù)據(jù)。視頻傳輸程序采用基于TCP協(xié)議的流式套接字技術(shù)，保證無差錯(cuò)、無重復(fù)發(fā)送，并按順序接收。程序流程如圖6。

服務(wù)器啟動后首先初始化設(shè)備，建立采集圖像數(shù)據(jù)的線程;同時(shí)建立套接字并綁定地址監(jiān)聽客戶端請求。一旦收到客戶端發(fā)送的服務(wù)要求則啟動視頻發(fā)送線程，若是退出請求則關(guān)閉套接字。圖像的采集和發(fā)送是互斥的，因此，采集和發(fā)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(yīng)與彩信報(bào)警

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

2.4.1 圖像處理

本系統(tǒng)采用的ZC301圖像傳感，性能偏低，在目標(biāo)發(fā)生運(yùn)動時(shí)拍攝會造成圖像模糊。針對該問題，并結(jié)合特定場合應(yīng)用，采用背景法提取目標(biāo)，運(yùn)用差分法獲得目標(biāo)運(yùn)動函數(shù)，通過改進(jìn)的LR算法進(jìn)行圖像復(fù)原。

1）背景差分法獲取模糊函數(shù)

采集一幀背景圖像G0，兩幀運(yùn)動模糊圖像G1，G2，G1-G0得到M1，G2-G0得到M2;設(shè)置適當(dāng)閾值，對M1和M2逐像素掃描，當(dāng)檢測到M（i，j）大于閾值時(shí)，計(jì)算該點(diǎn)3×3區(qū)域的平均灰度值，即

若依然大于閾值，則記錄該點(diǎn)屬于模糊區(qū)域;按照此方法可以提取出模糊區(qū)域范圍，端點(diǎn)分別是M1xmin，M1xmax，M1ymin，M1ymax和M2xmin，M2xmax，M2ymin，M2ymax（x代表行，y代表列），總共8個(gè)頂點(diǎn)，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(jù)運(yùn)動連續(xù)性和短時(shí)間內(nèi)的勻速運(yùn)動估計(jì)，可得模糊長度

模糊角度

即可得到點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。

2）改進(jìn)LR算法復(fù)原

LR算法是目前被廣泛應(yīng)用的圖像復(fù)原算法之一，它假設(shè)圖像服從泊松分布，采用最大似然法進(jìn)行估計(jì)，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(guān)運(yùn)算和卷積運(yùn)算，k為迭代次數(shù)，h為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，可令g=f0進(jìn)行迭代。對于實(shí)際質(zhì)量較差圖像，噪聲不可忽略，得到

可見，噪聲的存在導(dǎo)致了迭代的不收斂，即噪聲放大［12］。構(gòu)造改進(jìn)的LR算法如下

其中，q（x，y）定義為

式中 Δ為由中心差分計(jì)算得到的梯度，s為梯度弱化因子（＜1），G?為對圖像進(jìn)行高斯低通濾波后的結(jié)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(jì)算q，然后代入式（6）對LR濾波進(jìn)行約束:對于高頻部分，若梯度值很大，|ΔsG?|趨向于無窮，此時(shí)式（7）趨向于 0，則式（6）相當(dāng)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(shí)式（7）趨向于1，式（6）趨近于0.5，能夠提高對比度;同時(shí)，由于G?是對迭代后圖像進(jìn)行了高斯低通濾波的結(jié)果，已經(jīng)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(dāng)圖像中含有污點(diǎn)時(shí)，該算子會同樣使污點(diǎn)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(dāng)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(fā)送

PTM101模塊已經(jīng)集成了彩信發(fā)送協(xié)議，只需通過串口發(fā)送相應(yīng)AT指令和jpg圖片數(shù)據(jù)到模塊即可實(shí)現(xiàn)彩信發(fā)送，其發(fā)送流程如下:發(fā)送“AT^MMSUPSTART/r/n”，模塊回復(fù)“OK”后，上傳jpg圖片數(shù)據(jù)，然后發(fā)送“AT^MMSUPEND/r/n”，若模塊回復(fù)“PICTURE UPLOAD OK”則表明上傳圖片成功，接下來發(fā)送“AT^MMSSEND=158xxxx9465/r/n”，模塊回復(fù)“MMS SENDING…”表明正在發(fā)送中，“SEND MMS OK”表明發(fā)送成功。

2.5 網(wǎng)頁動態(tài)交互

系統(tǒng)需要通過B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，因此，必須實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器功能。選用的Boa服務(wù)器是單任務(wù)HTTP服務(wù)器，處理速度快、源碼開放、占用空間小，且支持cgi技術(shù)。

網(wǎng)頁的框架設(shè)計(jì)使用Dreamweaver軟件，主要有視頻監(jiān)視、數(shù)據(jù)顯示、操作控制3個(gè)部分。視頻顯示、數(shù)據(jù)曲線繪制、時(shí)間日歷顯示都是采用Java小應(yīng)用程序applet來編寫。其中，視頻顯示使用SwingWorker來創(chuàng)建圖像線程，建立套接字連接。數(shù)據(jù)采集與操作控制以ajax異步交互的方式與服務(wù)器cgi通信。當(dāng)網(wǎng)頁中提交請求時(shí)，首先通過ajax技術(shù)的XMLHttpRequest對象建立一個(gè)異步機(jī)制，然后以get方式將頁面請求信息提交給服務(wù)器cgi函數(shù)進(jìn)行處理，同時(shí)指定cgi處理函數(shù)，并建立回調(diào)處理函數(shù)用于響應(yīng)。其交互流程如圖7，整體網(wǎng)頁效果如圖8。

圖7 ajax和cgi運(yùn)行機(jī)制Fig 7 Operating mechanism of ajax and cgi

圖8 網(wǎng)頁界面Fig 8 Webpage interface

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9是根據(jù)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(jié)果，從中可見本文改進(jìn)的LR算法在視覺上較其他兩者復(fù)原效果更好。

表1是采集1張相近的靜態(tài)照片與3張模糊圖像處理結(jié)果得出的評價(jià)參數(shù)表，峰值信噪比（PSNR）值越大復(fù)原質(zhì)量越高;均方誤差（MSE）越小表明復(fù)原質(zhì)量越好;相關(guān)測度K值越大表明越相近。從表中數(shù)據(jù)可以看出:本文算法在3個(gè)方面的評價(jià)上都比其他2種復(fù)原方法要好。

圖9 圖像處理結(jié)果Fig 9 Image processing results

表1 評價(jià)參數(shù)對比Tab 1 Comparison of evaluation parameter

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種更加全面完善的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。采用溫濕度傳感器、圖像傳感器、人體紅外傳感器作為系統(tǒng)最前端的感知基礎(chǔ)，采用ARM處理器建立數(shù)據(jù)、視頻服務(wù)器，GPRS模塊完成遠(yuǎn)程短信交互和彩信報(bào)警。細(xì)節(jié)上利用cgi，ajax，applet技術(shù)完善遠(yuǎn)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(shí)添加圖像處理技術(shù)，用以提升低端圖像傳感器性能，使得系統(tǒng)更具實(shí)用性。

［1］堯 平.基于嵌入式Web技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2012.

［2］馬武強(qiáng).一體化模擬監(jiān)控?cái)z像機(jī)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［D］.太原:太原理工大學(xué)，2008.

［3］袁 毅.基于嵌入式Web服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2000，24（5）:71-73.

［4］王曉東，楊學(xué)海.SNMP在C/S模式遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.電訊技術(shù)，2010（1）:87-92.

［5］梁志勇，戴勝華.基于C/S模式的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究［J］.鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011（3）:30-34.

［6］劉 嬌，劉佳欣，唐 磊.基于B/S的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電源技術(shù)，2013（1）:136-137.

［7］蔡驥然，曹海傳.B/S架構(gòu)下基于OPC與Comet技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012（2）:214-216.

［8］寧 勇.基于ARM＆Linux的大壩安全遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.長沙:湖南大學(xué)，2010.

［9］李 晉.基于 ARM和 GPRS智能家居安防視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2011.

［10］楊國斌.基于嵌入式的智能安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［D］.長沙:湖南大學(xué)，2012.

［11］閆 河，閆衛(wèi)軍，李唯唯.基于Lucy-Richardson算法的圖像復(fù)原［J］.計(jì)算機(jī)工程，2010，36（15）:204-210.

［12］郭奕松，劉澤昕，徐伯慶.一種Lucy-Richardson算法和小波變換結(jié)合的圖像復(fù)原算法［J］.光學(xué)儀器，2012（6）:26-30.