張紅梅，張遠(yuǎn)翼，何可佳

（1.寧波工程學(xué)院電信學(xué)院，浙江寧波 315016；2.福州大學(xué)建筑學(xué)院，福建福州 350108）

實驗室開放是實驗教學(xué)改革發(fā)展的必然，是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)［1］。實驗室安全監(jiān)測是高等院校實驗室管理的重要內(nèi)容，也是困擾實驗室開放的主要因素之一。目前國內(nèi)各高校實驗室監(jiān)測方案主要是通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)和火災(zāi)探測報警系統(tǒng)2個子系統(tǒng)實現(xiàn)。（1）視頻監(jiān)控系統(tǒng)又稱閉路監(jiān)視系統(tǒng)［2］，它主要是通過前端攝像機、監(jiān)聽器、入侵探測器等設(shè)備采集現(xiàn)場信號，通過現(xiàn)場配置的解碼器及傳輸線路把各種信息傳送到中心控制室的微機矩陣主機，主機再把各個信號切換到不同的輸出設(shè)備上顯示出來。（2）火災(zāi)探測報警系統(tǒng)主要是通過由主備電源、火災(zāi)報警、故障報警等組成的一個控制器，對火災(zāi)信號進行采集，控制器采用液晶顯示屏，用發(fā)光二極管顯示控制器的狀態(tài)［3］。因此，無論是從視頻監(jiān)控系統(tǒng)還是火災(zāi)探測報警系統(tǒng)上看，其結(jié)構(gòu)都相對復(fù)雜，安裝成本高，極大地制約了普通高等院校實驗室安全管理的正常開展。另外，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用模擬信號傳輸［4］，且需要大量的錄像機、錄像帶來存儲圖像信息，這勢必帶來大量的布線工作、圖像存儲工作以及大量的圖像檢索工作。而且，目前國內(nèi)高校大多數(shù)實驗室在建設(shè)初期并未考慮視頻監(jiān)控系統(tǒng)和火災(zāi)探測報警系統(tǒng)的布線，在后期的安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)中往往需要改變實驗室的原有布局，給實驗室的正常使用帶來了不便。

隨著Internet技術(shù)的普及與發(fā)展，在實驗室中應(yīng)用Internet技術(shù)開發(fā)的基于B／S 模式的實驗室遠(yuǎn)程安全監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為高校實驗建設(shè)與管理研究的一個熱點。因此，文章采用嵌入式技術(shù)、Internet技術(shù)、視頻解壓縮等技術(shù)來實現(xiàn)基于Internet的實驗室遠(yuǎn)程安全監(jiān)測系統(tǒng)，將視頻監(jiān)控系統(tǒng)與火災(zāi)探測報警系統(tǒng)集成在一起，通過Internet來傳輸視頻信號和火災(zāi)探測信號，利用計算機硬盤系統(tǒng)存儲圖像。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

實驗室遠(yuǎn)程安全監(jiān)測系統(tǒng)主要由主控制器AT91SAM9260、Internet接口電路、存儲器電路、視頻采集電路、人體傳感器、煙霧傳感器、報警器、電源及調(diào)試模塊組成。其中，視頻采集電路和人體傳感器主要實現(xiàn)實驗室的視頻監(jiān)控功能，當(dāng)人體傳感器探測到有人非法闖入時，系統(tǒng)會自動報警并通過視頻采集電路記錄現(xiàn)場視頻，煙霧傳感器主要完成火災(zāi)探測功能，當(dāng)探測到有火災(zāi)隱患時，系統(tǒng)會發(fā)出警報信號并顯示火災(zāi)的位置。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件電路的實現(xiàn)

考慮到系統(tǒng)需要用到Java語言開發(fā)嵌入式Web Server，系統(tǒng)選用Atmel公司推出的基于ARM926EJ－S內(nèi)核的32位處理器為主控制器。AT91SAM9260內(nèi)帶8KB指令和8KB的數(shù)據(jù)高速緩存，且有一個特定的、高效率的系統(tǒng)管理控制功能，包括復(fù)位控制、關(guān)機控制、時鐘管理、高級外圍控制（AIC）調(diào)試組件（DBGU），支持Linux、uC／OS、Windows CE等嵌入式操作系統(tǒng)［5］。AT91SAM9260豐富的外圍接口和較高的性價比，極大地降低了系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜度，提高了開發(fā)效率。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 Internet接口電路

由于視頻信號和火災(zāi)探測信號的傳輸是通過Internet來實現(xiàn)的，因此Internet接口電路的設(shè)計相當(dāng)重要。從硬件的角度上看，Internet接口電路主要由MAC 控制器和物理層接口兩大部分構(gòu)成。由于AT91SAM9260已集成有以太網(wǎng)控制器EMAC，在設(shè)計時只需要實現(xiàn)物理層接口即可［6］。在本設(shè)計中，使用DM9161作為以太網(wǎng)的物理層接口。DM9161是一款低功耗、高性能的CMOS芯片，支持10 MB 和100 MB的以太網(wǎng)傳輸，它起編碼、譯碼輸入和輸出數(shù)據(jù)的作用［7］。由于DM9161 和主控制器AT91SAM9260所具有的EMAC支持MII和RMII接口功能，根據(jù)信號的定義相連接即可。信號的發(fā)送端和接收端通過一個網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器HR911105（集成RJ45接口）接入Internet。Internet接口電路原理圖如圖2所示。

圖2 Internet接口電路原理圖

其中：MDC是管理數(shù)據(jù)時鐘引腳，其最大時鐘速率為2.5MHz；MDIO 是管理數(shù)據(jù)I／O 引腳；CRS為載波監(jiān)聽引腳；COL 用于沖突檢測；TXCLK／RXCLK 是發(fā)送／接收時鐘引腳，在10 Mbit／s 串行模式下只用TXD0／RXD0；TXEN是發(fā)送使能端；TXER／RXER是發(fā)送／接收錯誤端；RXEN是接收使能端；RXDV 是接收數(shù)據(jù)有效端，當(dāng)RXDV＝1時表示接收的數(shù)據(jù)有效。

2.2 存儲器電路

考慮到系統(tǒng)在處理視頻圖像時需要占用大量的存儲器資源，系統(tǒng)擴展了1 片三星公司生產(chǎn)的64MB NAND Flash存儲器K9F1208UOM 和1片Hynix半導(dǎo)體 公 司 生 產(chǎn) 的 32 MB SDRAM 存 儲 器HY57V561620CT－H。存儲器電路原理圖如圖3所示。

圖3 存儲器電路原理圖

K9F1208UOM 的數(shù)據(jù)總線寬度為8bit，3.3 V的電壓即可完成在系統(tǒng)的編程與擦除。芯片的存儲空間被分為128頁，每頁有528B，每32頁組成一個塊，共有4 096個塊［8］。塊是NAND Flash中最大的操作單元，擦除按照塊為單位完成，而編程／讀取是按照頁完成。HY57V561620CT－H 是256 Mbit CMOS同步DRAM，可用于要求高存儲密度和高帶寬的主存儲器應(yīng)用。其內(nèi)部被組成4 M×16bit大小的4個塊。該存儲器提供了以時鐘正沿為基準(zhǔn)的、完全的同步操作，即所有的輸入輸出與時鐘輸入的上升沿同步。

2.3 視頻采集電路

視頻采集電路主要由圖像傳感器構(gòu)成。主控制器AT91SAM9260帶有圖像傳感器接口（image sensor interface，ISI），通過圖像傳感器接口（ISI）可以將一個CMOS 類型的圖像傳感器連接到主控制器AT91SAM9260上，以捕獲各種格式的圖像。視頻采集電路原理圖如圖4所示。

圖4 視頻采集電路原理圖

考慮到系統(tǒng)的開發(fā)成本，視頻采集電路選用Omnivision公司的CMOS 彩色圖像傳感器OV7620［9］，該傳感器的最大分辨率可達(dá)到326 688像素。它不但能工作在逐行掃描方式下，也能工作在隔行掃描方式下。OV7620首先通過I2C 總線信號對工作寄存器進行初始化，接著開始按要求輸出圖像信號，包括行同步信號、場同步信號、像素時鐘信號和數(shù)字圖像信號等。

2.4 人體傳感器與煙霧傳感器接口電路

人體傳感器與煙霧傳感器接口電路原理圖如圖5所示。系統(tǒng)設(shè)計了兩路的人體傳感器和兩路的煙霧傳感器接口。人體傳感器主要是為防止非法闖入而設(shè)計的。在本系統(tǒng)設(shè)計中選用基于紅外技術(shù)的人體感應(yīng)模塊TDL718，該模塊靈敏度高、可靠性強，且具有全自動感應(yīng)功能，當(dāng)有人進入其感應(yīng)范圍時，TDL718的out引腳將輸出高電平；當(dāng)人體離開感應(yīng)范圍時，TDL718將自動延時后關(guān)閉高電平，并輸出低電平。因此，系統(tǒng)可以通過檢測out引腳的電平高低確定是否有人非法闖入，當(dāng)檢測到有異常情況發(fā)生時，系統(tǒng)會自動報警并通知圖像傳感器記錄現(xiàn)場視頻。

圖5 人體傳感器與煙霧傳感器接口電路原理圖

煙霧傳感器實現(xiàn)了系統(tǒng)的防火報警功能。系統(tǒng)通過煙霧傳感器探測煙霧離子，當(dāng)室內(nèi)的煙霧濃度超過限量時，系統(tǒng)將自動報警并顯示火災(zāi)的位置信息。本系統(tǒng)選用了SS－168A 型煙霧傳感器，該傳感器具有2個輸出引腳，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有火災(zāi)隱患時，蜂鳴器會發(fā)出報警聲音，指示燈閃爍，并輸出信號供主控制器采集識別，主控制器根據(jù)采集到的信號，調(diào)用嵌入式Web Server顯示報警信息。

3 系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

基于Internet的實驗室遠(yuǎn)程安全監(jiān)測系統(tǒng)以嵌入式Linux2.6.19為軟件平臺。嵌入式Linux2.6.19的內(nèi)核及根文件系統(tǒng)是燒寫在Flash存儲器里的，因此對嵌入式Linux2.6.19的引導(dǎo)程序必須根據(jù)目標(biāo)平臺進行編寫，對存儲器的地址空間進行規(guī)劃。

3.1 存儲器地址空間規(guī)劃

在本系統(tǒng)中，F(xiàn)lash存儲器的地址是0x0200A000－0x0800A000，這樣可以將Flash 進行區(qū)域劃分，從0x0200A000－0x0280A000的地址空間作為啟動代碼Boot－loader的存儲空間，從0x0280A001－0x0400A000的地址空間用于存放內(nèi)核映像文件，0x0400A001－0x0800A000的地址空間用于存放根文件系統(tǒng)，作為一個設(shè)備文件加載到系統(tǒng)里。圖6給出了Flash存儲器的地址空間規(guī)劃。

圖6 Flash地址空間規(guī)劃

系統(tǒng)上電復(fù)位后，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置，系統(tǒng)程序計數(shù)器（PC）指針首先指向SDRAM 的地址0處，完成必要的系統(tǒng)初始化；然后，PC跳轉(zhuǎn)到Flash的0地址，也就是0x0200A000處，完成系統(tǒng)SDRAM 的初始化工作，將后面Boot－loader代碼復(fù)制到SDRAM 的0地址，也就是0x00001FFF 處；將 PC 指針再次跳轉(zhuǎn)到0x00001FFF，在SDRAM 存儲器內(nèi)部執(zhí)行Boot－loader內(nèi)核加載代碼。采用在SDRAM 內(nèi)而不在Flash內(nèi)執(zhí)行Boot－loader的原因，是因為在SDRAM 內(nèi)執(zhí)行代碼速度比在Flash 內(nèi)快很多，有利于加快系統(tǒng)啟動速度。

接下來Boot－loader所做的工作就是從Flash 里把壓縮的內(nèi)核映像復(fù)制到SDRAM 內(nèi)的0x0000A004處，并且把根文件系統(tǒng)所在的地址參數(shù)傳遞給內(nèi)核；內(nèi)核復(fù)制到 SDRAM 之后，PC 指針又跳轉(zhuǎn)到0x0000A004，進行內(nèi)核解壓，執(zhí)行內(nèi)核啟動。內(nèi)核啟動過程中根據(jù)Boot－loader傳遞過來的地址參數(shù)去尋找根文件系統(tǒng)，將其加載到實驗室遠(yuǎn)程安全監(jiān)測系統(tǒng)上。

按照上述安排，通過軟件SAM－BA1.11和tftp依次將Boot－loader、內(nèi)核及根文件系統(tǒng)下載到Flash里，然后就可以啟動系統(tǒng)，嵌入式Linux就可以被引導(dǎo)啟動起來，進入正常狀態(tài)。

3.2 視頻壓縮算法設(shè)計

由于視頻采集電路采集到的視頻數(shù)據(jù)信息量較大，如果直接通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，則會增加數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，大大降低數(shù)據(jù)傳輸效率，因此，在數(shù)據(jù)包封裝傳輸前必須先對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮。本系統(tǒng)采用JPEG壓縮算法對封裝前的視頻數(shù)據(jù)進行壓縮。

JPEG 是一個適用于彩色、單色多灰度、連續(xù)色調(diào)的數(shù)字圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，它采用的是全彩影像標(biāo)準(zhǔn)，其主要處理過程包括：色彩模型轉(zhuǎn)換、離散余弦（DCT）變換，重排DCT 結(jié)果、量化和編碼等［10］。JPEG 算法不僅適用于靜止圖像壓縮，而且適用于視頻圖像序列的幀內(nèi)圖像壓縮。在本系統(tǒng)設(shè)計中，JPEG 算法的實現(xiàn)步驟為：①通過離散余弦（DCT）變換去除數(shù)據(jù)冗余；②使用量化表對DCT 系數(shù)進行量化；③采用Huaffman可變字長編碼對量化后的DCT 系統(tǒng)進行編碼，使其熵達(dá)到最小。

4 系統(tǒng)測試

為了驗證系統(tǒng)設(shè)計的正確性，分別對系統(tǒng)的功能（包括通信接口、數(shù)據(jù)傳輸和整體性能）和網(wǎng)絡(luò)性能進行綜合測試。在系統(tǒng)測試前，必須對系統(tǒng)IP地址、網(wǎng)關(guān)地址、服務(wù)器地址、視頻幀的大小、每秒采集的幀數(shù)、網(wǎng)絡(luò)帶寬等相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置。

4.1 系統(tǒng)功能測試

首先，在同一臺PC機上建立2個超級終端，一個與串口建立連接，另一個與Socket建立連接。在超級終端的一窗口內(nèi)輸入數(shù)據(jù)，另一個窗口即時響應(yīng)，這說明通信接口功能正常［11］；其次，通過電平轉(zhuǎn)換電路建立與PC機的串口連接，用超級終端進行數(shù)據(jù)傳輸驗證；再次，采用Java Script腳本語言和PWS服務(wù)器建立一個Web服務(wù)器。由于嵌入式Web Server擁有標(biāo)準(zhǔn)的接口形式和通信協(xié)議，內(nèi)嵌于設(shè)備的Web服務(wù)器可以向任何接入網(wǎng)絡(luò)的合法用戶提供統(tǒng)一的、基于瀏覽器方式的操作和控制界面［12］；最后，通過網(wǎng)絡(luò)線將本系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)上的1臺交換機連接，在遠(yuǎn)程通過IE瀏覽器與Web服務(wù)器通信，通過Java API提供的URL、Socket技術(shù)以及ASP技術(shù)可以實現(xiàn)不同層次的數(shù)據(jù)傳送。

監(jiān)測設(shè)置可以對整個實驗室遠(yuǎn)程安全監(jiān)測系統(tǒng)進行設(shè)置，包括視頻的存放路徑、保存格式等，時還可以設(shè)置當(dāng)有人非法闖入時系統(tǒng)自動錄相并保存。視頻下載可以對臨時存儲在系統(tǒng)中的視頻進行下載。報表打印主要是針對入侵檢測和火災(zāi)探測的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以把一段時間內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行打印，方便后期對數(shù)據(jù)進行分析。由于實驗室遠(yuǎn)程安全監(jiān)測系統(tǒng)是采用基于B／S的模式，因此后臺管理可以對嵌入式Web Server進行簡單的后臺管理設(shè)置。當(dāng)某個人體傳感器探測到有人進入探測區(qū)域時，系統(tǒng)會在監(jiān)控頁面中入侵檢測的相應(yīng)位置上顯示“1”。同樣，當(dāng)火災(zāi)探測中煙霧傳感器的相應(yīng)位置上顯示“0”表示沒有探測到火災(zāi)隱患，顯示“1”表示探測到火災(zāi)隱患。

4.2 網(wǎng)絡(luò)性能測試

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能測試需要在主機上安裝Wild－Packets Etherpeek Nx［13］軟件。通過該軟件，可以捕獲系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)。這里設(shè)置為每隔10s對網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包等進行1 次采樣。主要獲得網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有：每10s發(fā)送的包數(shù)和字節(jié)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率等，通過設(shè)定不同的網(wǎng)絡(luò)帶寬對系統(tǒng)進行測試，實驗記錄如表1所示。

表1 系統(tǒng)在不同帶寬下的網(wǎng)絡(luò)性能情況

當(dāng)系統(tǒng)運行處于穩(wěn)定狀態(tài)時，在設(shè)定帶寬為500 Kbit／s、視頻流分辨率為320×240像素、幀率為20的情況下，測得系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能如圖8所示。

圖8 視頻網(wǎng)絡(luò)性能測試

從圖8可以看出：在10：28：29以前和10：34：19以后，監(jiān)控區(qū)域以靜態(tài)圖像為主，系統(tǒng)傳輸視頻的平均速率達(dá)到473.6 Kbit／s；在10：28：29—10：34：19 之間，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)有劇烈運動物體，導(dǎo)致視頻傳輸速率出現(xiàn)較大的抖動，最大速率為689 Kbit／s，最小速率為306Kbit／s。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)：對于靜止畫面或運動變化不大的情況，整體壓縮率很高，使用較小的帶寬即可獲得清晰的圖像效果；對于運動畫面則需要占用較高的帶寬；而且系統(tǒng)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬情況，自動調(diào)整單幀數(shù)據(jù)量的大小以保證畫面流暢性，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬嚴(yán)重不足時，顯示的畫面會出現(xiàn)馬賽克的現(xiàn)象。通過多次調(diào)試驗證，能夠建立實驗室遠(yuǎn)程安全監(jiān)測系統(tǒng)與測試終端的連接，并可實現(xiàn)基于Internet的視頻監(jiān)控、火災(zāi)探測和入侵檢測功能。

5 結(jié)束語

高校實驗室是高等學(xué)校開展人才培養(yǎng)、科學(xué)研究和社會服務(wù)的必備場所，但受安全管理的制約，許多本該開放的實驗室無法面向?qū)W生正常開放。實驗室遠(yuǎn)程安全監(jiān)測系統(tǒng)作為實驗室安全管理的重要內(nèi)容，其建設(shè)刻不容緩?；贗nternet的實驗室遠(yuǎn)程安全監(jiān)測系統(tǒng)不但可以節(jié)約布線成本，減少施工難度，減少圖像的存儲工作量和檢索工作量，而且還不影響原有實驗室的布局，保證了實驗室工作的正常開展。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作方便、擴展性好，能夠滿足普通院校實驗室管理和開放的需要。

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