一種基于樹莓派的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案*

徐 望，朱宜炳，張常泉

（江西科技學院，江西 南昌 330098）

我國經(jīng)濟已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，人民群眾對生活質(zhì)量的要求也在不斷提升，尤其是對自身息息相關(guān)的居住環(huán)境要求越來越高。由于社區(qū)住戶之間的相互交流往往比較少，因此良好的社區(qū)安防質(zhì)量是人們選擇居住環(huán)境的一個重要因素。為了加強社區(qū)安全，高檔社區(qū)通常都會建立昂貴的專有視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。近年來，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，基于廉價以太網(wǎng)技術(shù)的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在信息傳輸和數(shù)據(jù)處理能力等方面都有了長足進步，基于WLAN的無線視頻監(jiān)控技術(shù)也是步步跟進、不斷發(fā)展，使得普通社區(qū)也能夠以較低的成本部署視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)來提升社區(qū)安全性[1]。雖然基于以太網(wǎng)的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有了多種實現(xiàn)方案，但是有的方案可升級性和穩(wěn)定性較差，有的方案不夠智能，有的方案建設(shè)成本依然不便宜[2-3]。本文對基于樹莓派的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)進行了研究與探索，期望能為用戶提供一種新的選擇。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 樹莓派技術(shù)

樹莓派是銀行卡般大小的單板計算機，使用了ARM芯片的同時還配備了諸多外接接口，可以接入屏幕、攝像頭、鍵盤鼠標等諸多外設(shè)。2019年發(fā)布的樹莓派4代搭載1.5Ghz的64位ARM A53處理器和最大8G內(nèi)存，內(nèi)置的GPU支持4K分辨率的H.265視頻流，另外還集成Wi-Fi、千兆有線網(wǎng)卡和低功耗藍牙，USB接口也擴展到了4個。如此強大的單板機售價才35美元起步，使得很多“創(chuàng)客”想法可以利用樹莓派平臺來實現(xiàn)[4]。

1.2 運動目標偵測技術(shù)

運動目標偵測（Motion detection technology）又稱移動檢測，是指攝像頭對指定區(qū)域采集圖像后，利用CPU根據(jù)一定算法計算與比較判斷畫面是否發(fā)生了變化，然后和事先設(shè)定的閾值比較后做出一定的響應(yīng)。比如感知到有人時則立刻進行視頻流傳輸，沒人時則停止視頻流傳輸以節(jié)省帶寬和存儲空間。比較常見的運動目標檢測算法有減背景法、幀差法和光流法這幾種[5]。

1.3 Python技術(shù)

Python是一種用途廣泛的多范式編程語言，可以直接在樹莓派上運行并實現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯，從而減少必須傳輸?shù)椒?wù)器端的數(shù)據(jù)量。它還可以直接與傳感器、執(zhí)行器和外設(shè)等進行交互，其解釋性特點也可以讓更改后的代碼立刻生效，使得程序的編寫和調(diào)試比其他語言快的多。Python的另一優(yōu)點就是擁有海量開源庫的支持，包括IoT庫，這些庫讓設(shè)備端的開發(fā)工作碰到困難時總能夠找到對應(yīng)的解決方案[6]。

2 基于樹莓派的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

整個視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的出口部分使用單核心路由設(shè)計，使用光纖線路連接外網(wǎng)，并在路由器上使用PAT地址轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)的劃分。同時添加ACL訪問控制列表以提升網(wǎng)絡(luò)的安全性，最后在核心交換機與核心路由器上運行RIPv2協(xié)議來提供動態(tài)路由。核心交換機需要高性能和高可靠設(shè)計，故選擇支持擴展的型號以便后期升級與改造，同時在核心交換機上激活DHCP，以便為樹莓派自動分配IP地址和網(wǎng)關(guān)，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于樹莓派的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 基于樹莓派的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方案實現(xiàn)

3.1 核心路由器配置

R1(config)#interface FastEthernet0/0//進入接口f0/0

R1(config-if)#ip address 202.106.1.1 255.255.255.0//為接口f0/0配置IP地址和子網(wǎng)掩碼

R1(config)#interface FastEthernet0/1//進入接口f0/1

R1(config-if)#ip address 192.168.10.3 255.255.255.0//為接口f0/1配置IP地址和子網(wǎng)掩碼

//定義訪問控制列表，以list 1為例

R1(config)#access-list 1 permit 192.168.1.0 0.0.0.255

//外接口地址的服用及IP地址的動態(tài)轉(zhuǎn)換

R1(config)#ip nat inside source list 1 interface f0/0 overload

//開啟端口f0/0和f0/1的PAT功能

R1(config-if)#int f0/0//進入端口f0/0

R1(config-if)#ip nat outside//將端口f0/0劃分為外網(wǎng)

R1(config-if)#int f0/1//進入端口f0/1

R1(config-if)#ip nat inside////將端口f0/1劃分為內(nèi)網(wǎng)

//添加指向外網(wǎng)的默認路由

R1(config-if)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 f0/0

//核心路由器RIP配置，以f0/0為例

R1(config)#router rip//激活RIP協(xié)議

R1(config-router)#version 2//使用RIP-V2版本的協(xié)議

R1(config-router)#no auto-summary//關(guān)閉路由協(xié)議的自動匯總功能

//指定網(wǎng)段接口使能rip路由

R1(config-router)#network 202.106.1.0//以單個為例，余下的不在重復(fù)展示

3.2 核心交換機配置

SW(config)#vlan 10//創(chuàng)建VLAN 10

SW(config-vlan)#interface vlan 10//進入VLAN 10之中

SW(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0//給VLAN 10配置IP地址

//將對應(yīng)接口劃入VLAN中，以接口f0/2為例

SW(config)#int f0/2//進入端口f0/2

SW(config-if)#Switchport mode access//強制接口f0/2成為access接口

SW(config-if)#Switchport access vlan 10//將端口f0/2劃分到VLAN 10中

//DHCP協(xié)議配置，以地址池20為例

SW(config)#ip dhcp pool 20//創(chuàng)建dhcp地址池20

SW(dhcp-config)#network 192.168.2.0 255.255.255.0

SW(dhcp-config)#default-router 192.168.2.1//默認路由設(shè)置為192.168.2.1

SW(dhcp-config)#ip dhcp excluded-add 192.168.2.1//將網(wǎng)關(guān)從地址池中排除

SW(config-if)#ip routing//啟用三層交換機的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能

3.3 樹莓派監(jiān)控層配置

小區(qū)視頻監(jiān)控場景復(fù)雜多樣，為了降低網(wǎng)絡(luò)流量和視頻監(jiān)控服務(wù)器的存儲壓力，有必要在監(jiān)控端就對視頻流進行預(yù)處理。所以在樹莓派監(jiān)控層中加入了運動目標偵測技術(shù)，檢測到運動物體則傳輸影像，未檢測到運動物體則停止傳輸。

本文采用的方案是基于Python語言實現(xiàn)的幀差法，該方案雖然簡單但是很高效，核心編碼實現(xiàn)如下：

import cv2#導入opencv的包

import numpy as np#導入NumPy拓展，用來存儲和處理圖像矩陣

kernel=np.ones((5,5),np.uint8)#設(shè)置卷積核和圖像類型

BG=None#首先設(shè)置背景為空

camera=cv2.VideoCapture(0)

#使用VideoCapture()函數(shù)定義攝像頭對象，其參數(shù)0表示第一個攝像頭

while True:#循環(huán)讀入攝像頭的幀

ret,frame=camera.read()#參數(shù)ret表示是否讀取到幀

#使用顏色空間轉(zhuǎn)換函數(shù)創(chuàng)建灰色框架

G_frame = cv2.cvtColor (frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

G_frame=cv2.GaussianBlur(G_frame,(21,21),0)#利用高斯濾波對灰色框架降噪

Continue

diff=cv2.absdiff(BG,G_frame)#將背景圖和灰色框架圖進行相減，返回差值

#把得到的幀差結(jié)果二值化

diff=cv2.threshold(diff,25,255,cv2.THRESH_BINARY)[1]#將diff圖像中灰度值小于25的點歸零，灰度值大于25的置255，THRESH_BINARY為閾值類型

#將得到的幀差結(jié)果進行膨脹處理

diff=cv2.dilate(diff,es,iterations=2)

#對得到的幀差結(jié)果進行輪廓檢索

image,cnts,hierarcchy=

cv2.findContours (diff.copy(),cv2.RETR_EXTERNAL,cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)

#cv2.findContours()函數(shù)返回兩個值，一個是輪廓本身，另一個是每條輪廓對應(yīng)的屬性

for c in cnts:

if cv2.contourArea(c)<1500:

#將輪廓小于1500的區(qū)域舍去，這通常是噪點

4 方案驗證

為了進一步驗證方案的有效性，本次研究完成了基于樹莓派的視頻監(jiān)控終端設(shè)計，監(jiān)控終端采用紅外攝像頭，在夜晚也能獲得清晰的影像。由于樹莓派4支持IEEE802.3af以太網(wǎng)供電標準，一根網(wǎng)線即可完成供電和數(shù)據(jù)傳輸，因此大大簡化了視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的布線任務(wù)。完成的視頻監(jiān)控終端實物如圖2所示，在服務(wù)器端也可以對監(jiān)控終端進行遠程管理，如圖3所示。

圖2 視頻監(jiān)控終端

5 總結(jié)

綜上所述，基于樹莓派的視頻監(jiān)控方案依托已經(jīng)存在的社區(qū)寬帶網(wǎng)絡(luò)，把廉價單板機引入到社區(qū)的安防監(jiān)控工作中，同傳統(tǒng)監(jiān)控方案相比有著極大的成本優(yōu)勢。而且樹莓派在軟件和硬件上的定制性很高，在軟件上可以實現(xiàn)各種算法，比如人臉識別和邊緣計算等，在硬件上可以添加多種傳感器和執(zhí)行器模塊，為以后的升級留下空間。隨著我國5G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模鋪設(shè)，還可以利用5G模塊來擴大視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，使得廣大農(nóng)村也能夠完成監(jiān)控覆蓋，從而提升社會的治安防控水平。