張 凱，莊 梁，張 強(qiáng)

（南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院，江蘇 南京 210044）

隨著人們生活水平的不斷提高以及安全意識(shí)的不斷增強(qiáng)，人們對(duì)小區(qū)安全也越來(lái)越重視，而小區(qū)車(chē)庫(kù)安全是小區(qū)安全中必不可少的一部分[1]。但是由于小區(qū)入住率低、小區(qū)車(chē)庫(kù)管理混亂、環(huán)境復(fù)雜，私家車(chē)在小區(qū)車(chē)庫(kù)易遭受偷盜，甚至搶劫，導(dǎo)致車(chē)主遭受巨大損失。目前小區(qū)車(chē)庫(kù)主要由監(jiān)控人員通過(guò)視頻監(jiān)控。然而由于視頻監(jiān)控存在盲區(qū)、車(chē)庫(kù)監(jiān)控設(shè)備易遭破壞以及監(jiān)控人員疏忽等問(wèn)題，此種方式不能有效地保障私家車(chē)在小區(qū)車(chē)庫(kù)的安全。相關(guān)文獻(xiàn)介紹的當(dāng)前車(chē)庫(kù)的監(jiān)控系統(tǒng)主要是基于PC平臺(tái)的監(jiān)控，是對(duì)整個(gè)小區(qū)車(chē)庫(kù)的監(jiān)控，并且不具備主動(dòng)報(bào)警的功能。為此，設(shè)計(jì)了一種安裝在私家車(chē)內(nèi)的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)不同于一般的汽車(chē)防盜報(bào)警系統(tǒng)，可以通過(guò)對(duì)車(chē)內(nèi)圖像的檢測(cè)來(lái)判斷車(chē)輛是否被偷盜，并可進(jìn)行郵件通知和實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)對(duì)攝像頭的控制可更加直觀地觀察到現(xiàn)場(chǎng)的情況，對(duì)于提高私家車(chē)在小區(qū)車(chē)庫(kù)的安全性具有很大幫助。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，該系統(tǒng)由視頻采集終端、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)端以及視頻接收終端組成[2]。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)WiFi模塊接入小區(qū)網(wǎng)絡(luò)。視頻采集終端將USB攝像頭采集到的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中，然后由motion對(duì)采集到的視頻進(jìn)行處理。當(dāng)檢測(cè)到有物體進(jìn)入車(chē)內(nèi)時(shí)即發(fā)出報(bào)警，并通過(guò)郵件把車(chē)內(nèi)實(shí)時(shí)圖片發(fā)送出去；視頻接收終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以及CGI腳本與嵌入式Boa服務(wù)器進(jìn)行交互，可實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)內(nèi)視頻的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件主要包括32位的嵌入式微處理器、WiFi無(wú)線模塊、USB攝像頭等。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其核心部分為S3C6410微處理器和256 MB的SDRAM、1 GB的NAND Flash以及多種外設(shè)接口(包括USB接口、SDIO接口、網(wǎng)卡接口等)所組成的最小系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 USB攝像頭

USB攝像頭與微處理器的USB HOST接口直接相連。攝像頭采用OV9650芯片，支持最大分辨率為1 300×1 028，可以輸出 GRB4:2:2、YUV(4:2:2)和 YCbCr(4:2:2)三種視頻格式，這三種格式均符合CCIR601和CCIR656標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 WiFi無(wú)線模塊接口電路

WiFi無(wú)線模塊采用Marvell公司低成本、低功耗的88W8686芯片，它通過(guò)SDIO接口與主控設(shè)備相連。該模塊遵循IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)，而且兼容802.11b協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，工作在 2.4 GHz頻段，最高傳輸速率可達(dá) 54 Mb/s。內(nèi)置天線，可適應(yīng)不同的工作環(huán)境，設(shè)備可以方便地接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[3]。S3C6410帶有2路SDIO接口，其中 SDIO0通常被用作SD卡接口使用，另一路在本系統(tǒng)中用于連接WiFi無(wú)線模塊，其接口電路圖如圖3所示。

2.4 SD卡接口電路

SD存儲(chǔ)卡用于對(duì)重要視頻數(shù)據(jù)以及圖片的存儲(chǔ)。通過(guò)SDIO接口與系統(tǒng)相連，最大可支持32 GB。其接口電路圖如圖4所示。

圖4 SD卡接口電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹

本系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)，Linux系統(tǒng)具有開(kāi)源、內(nèi)核可裁剪、對(duì)網(wǎng)絡(luò)的支持比較完善等特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)自己的需求對(duì)內(nèi)核進(jìn)行裁剪并重新編譯。在開(kāi)發(fā)階段，采用掛載NFS根文件系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以方便軟件的調(diào)試。本文完成的工作有：(1)在前面所述的硬件平臺(tái)上構(gòu)建最小嵌入式Linux系統(tǒng)，包括對(duì) UBOOT、內(nèi)核、根文件系統(tǒng)的移植[4]，在對(duì)內(nèi)核進(jìn)行移植時(shí)，將本系統(tǒng)所用到的USB攝像頭和WiFi模塊等相關(guān)的驅(qū)動(dòng)編譯到內(nèi)核中。(2)在該系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行motion的移植及嵌入式Web服務(wù)器的搭建。編寫(xiě)基于motion的監(jiān)控程序，通過(guò)CGI和motion中的Http API來(lái)編寫(xiě)Web控制頁(yè)面并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行整體測(cè)試。

系統(tǒng)交叉編譯環(huán)境：主機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇ubuntu9.10操作系統(tǒng)，主機(jī)工具鏈gcc-4.6.3，交叉編譯工具鏈armlinux--gcc-4.3.2，內(nèi)核版本采用Linux2.6.38內(nèi)核。

3.2 移植motion到6410開(kāi)發(fā)板

motion是一個(gè)用于移動(dòng)圖像監(jiān)控的程序，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的視頻動(dòng)態(tài)檢測(cè)功能就是基于motion的，使用的是motion-3.2.12版本。下面介紹motion的移植和相關(guān)的配置。

首先將motion-3.2.12源碼解壓到/work/tools目錄下，接下來(lái)進(jìn)行編譯安裝，進(jìn)入解壓后的目錄，執(zhí)行命令：./configure-prefix=${PWD}/_install-host=arm-linux，生成 Makefile文件，由make進(jìn)行編譯，make install將生成的庫(kù)和頭文件安裝到指定的./_install目錄下。然后拷貝./_install/bin/下的可執(zhí)行程序motion到開(kāi)發(fā)板根文件系統(tǒng)的/usr/sbin目錄下。另外需在開(kāi)發(fā)板根文件系統(tǒng)目錄中創(chuàng)建/var/run/motion/目錄，用于存放motion進(jìn)程。

接著進(jìn)行motion的配置，根據(jù)./_install/etc/下的參考配置文件進(jìn)行配置，修改后將配置文件放在開(kāi)發(fā)板根文件系統(tǒng)的/etc/motion目錄下。配置文件的主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 配置文件主要參數(shù)設(shè)置表

3.3 動(dòng)態(tài)視頻檢測(cè)算法及報(bào)警實(shí)現(xiàn)

目前，在靜態(tài)背景下，主要有三類(lèi)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法：幀差法、背景減法和光流法。本系統(tǒng)調(diào)用的motion采用幀差法[5]。該方法基于圖像序列中相鄰圖像中較強(qiáng)的空間相關(guān)性，直接將相鄰兩幀或多幀圖像中對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)逐一相減，各個(gè)像素對(duì)之間都會(huì)得到一個(gè)數(shù)值，如果這個(gè)數(shù)值的絕對(duì)值小于指定的閾值，則認(rèn)為該點(diǎn)為背景像素點(diǎn)，反之為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)中的像素點(diǎn)。幀差法最大的特點(diǎn)在于算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，程序設(shè)計(jì)復(fù)雜度低，實(shí)時(shí)性好。此外，由于相鄰幀的時(shí)間間隔比較短，因此該方法對(duì)光線的變化具有較強(qiáng)的魯棒性，幀差法流程圖如圖5所示。

圖5 幀差法流程圖

設(shè) Fi(x，y)和 Fi-1(x，y)為圖像序列中連續(xù)的兩幅圖像，Di(x，y)為二值化后的差值圖像，其中(x，y)表示像素點(diǎn)的位置，幀差法的表示如下:

其中 T為二值化閾值，Di(x，y)中的 1表示運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，0表示背景。本系統(tǒng)的motion動(dòng)態(tài)視頻檢測(cè)通過(guò)幀差法來(lái)判斷是否有物體入侵，并通過(guò)2個(gè)腳本來(lái)響應(yīng)motion事件，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控報(bào)警和郵件通知。監(jiān)控報(bào)警腳本通過(guò)判斷motion配置文件中的參數(shù)設(shè)置決定在on_motion_detected事件觸發(fā)時(shí)播放報(bào)警聲。郵件通知腳本通過(guò)判斷motion配置文件中的參數(shù)設(shè)置決定在on_event_start事件觸發(fā)時(shí)發(fā)送最新捕獲到的圖片信息到指定的郵箱來(lái)通知用戶。

3.4 Web服務(wù)器的搭建

為了方便服務(wù)器和瀏覽器通信，需要進(jìn)行Boa服務(wù)器移植以及CGI程序編寫(xiě)和HTML網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)。

Boa服務(wù)器通過(guò)建立http請(qǐng)求列表來(lái)響應(yīng)多路http連接請(qǐng)求，可以大大節(jié)約系統(tǒng)資源，非常適用于嵌入式系統(tǒng)[6]。這里主要介紹 Boa服務(wù)器的移植過(guò)程。首先將下載的Boa源碼包解壓到/work/boa目錄下，進(jìn)入解壓后的目錄/work/boa/boa-0.94.13/src執(zhí)行./configure生成Makefile文件；接下來(lái)修改生成的Makefile文件，將 CC=gcc改為 CC=arm-linux-gcc,將CPP=gcc-E改成CPP=arm-linuxgcc-E，保存后進(jìn)行 make；之后執(zhí)行arm-linux-strip boa，可以去掉調(diào)試信息并進(jìn)行優(yōu)化，最終會(huì)在src目錄下生成boa可執(zhí)行文件。然后對(duì)Boa的配置文件boa.conf修改如下：

接著在開(kāi)發(fā)板上創(chuàng)建/etc/boa和其他相關(guān)的目錄并將前面生成的boa和boa.conf拷貝過(guò)來(lái)，步驟如下：

接下來(lái)進(jìn)行CGI程序的編寫(xiě)，其編程原理主要為:通過(guò)GET或者POST等方法獲取表單中的數(shù)據(jù)，激活URL所指定的CGI應(yīng)用程序，CGI應(yīng)用程序?qū)⑻幚砗玫慕Y(jié)果傳送給服務(wù)器，服務(wù)器再把結(jié)果返回到瀏覽器。

系統(tǒng)的HTML頁(yè)面包括4個(gè)界面,即系統(tǒng)設(shè)置、網(wǎng)頁(yè)監(jiān)控、查看圖片和查看視頻。將設(shè)計(jì)好的index.html頁(yè)面拷貝到開(kāi)發(fā)板www目錄下，打開(kāi)瀏覽器輸入開(kāi)發(fā)板地址，如http://172.16.72.93/index.html，可看到設(shè)計(jì)好的網(wǎng)頁(yè)。

3.5 基于TCP/IP協(xié)議的視頻流傳輸

本系統(tǒng)的視頻實(shí)時(shí)傳輸是基于TCP/IP協(xié)議的流式套接字接口編程方式[7]。實(shí)現(xiàn)的該協(xié)議的設(shè)計(jì)基于分層模型，包括網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層，每一層都封裝來(lái)自上一層的消息，加上自己的數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)尾。它實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中不同主機(jī)間的通信，屬于典型的B/S模式。面向TCP的網(wǎng)絡(luò)通信流程如圖6所示。數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E如下：首先服務(wù)器端創(chuàng)建Socket函數(shù)進(jìn)行初始化并建立流式套接字，之后調(diào)用Bind函數(shù)進(jìn)行端口綁定，接著調(diào)用Listen函數(shù)等待瀏覽器的請(qǐng)求。當(dāng)瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求時(shí)，通過(guò)Accept和Connet函數(shù)來(lái)建立連接，接著通過(guò)Send和Recv函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信功能，最后通過(guò)Close函數(shù)關(guān)閉套接字。

圖6 TCP網(wǎng)絡(luò)通信流程圖

本文提出了基于視頻動(dòng)態(tài)檢測(cè)的小區(qū)車(chē)庫(kù)私家車(chē)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。主要從motion移植、視頻動(dòng)態(tài)檢測(cè)及報(bào)警、Web服務(wù)器搭建和視頻傳輸?shù)确矫骊U述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，視頻傳輸?shù)那逦雀?，傳輸流暢，能夠滿足需求，可以極大地提高私家車(chē)在小區(qū)車(chē)庫(kù)的安全性。

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