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        基于多傳感器的高性能監(jiān)控系統(tǒng)設計*

        2014-12-31 12:19:26林飛龍彭詩瑤
        傳感器與微系統(tǒng) 2014年2期
        關鍵詞:彩信嵌入式服務器

        林飛龍,彭詩瑤,2

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

        0 引言

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

        隨著科技發(fā)展,監(jiān)控技術從最初的模擬監(jiān)控[2],經歷PC視頻監(jiān)控[3],發(fā)展到了目前的嵌入式遠程監(jiān)控。嵌入式遠程監(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)控技術已經具備了比較完善的功能,但是依然存在許多不足,例如:文獻[8]以ARM作為嵌入式服務器,實現(xiàn)了大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程傳輸,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[9]結合了ARM和GPRS技術,設計了智能家居安防視頻監(jiān)控,雖然實現(xiàn)了監(jiān)測與報警,但是依然缺乏控制功能,也沒有網頁視頻監(jiān)測功能;文獻[10]增加了手機短信報警和嵌入式服務器功能,但是沒有圖像報警功能。

        本文在此基礎上進行系統(tǒng)擴展完善,在實現(xiàn)嵌入式服務器的基礎上,結合applet,CGI和AJAX技術完善網頁監(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模塊實現(xiàn)短信交互、彩信報警,并添加圖像處理技術對模糊圖像進行復原。

        1 硬件設計

        系統(tǒng)的硬件結構主要分為嵌入式服務器(上位機)和采集控制告警模塊(下位機)兩部分。

        1.1 上位機硬件電路

        圖1為嵌入式服務器硬件結構圖。嵌入式服務器是系統(tǒng)的核心,采用飛凌嵌入式技術有限公司設計生產的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)中承擔著視頻、數(shù)據(jù)服務器的角色,實現(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),有利于網絡傳輸與彩信發(fā)送。

        圖1 嵌入式服務器框圖Fig 1 Block diagramn of embedded server

        1.2 下位機硬件電路

        圖2為采集報警模塊硬件結構,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、電器控制和告警功能。選用STC12C5A60S2單片機作為核心處理器,溫濕度模塊用于采集溫濕度數(shù)據(jù),紅外模塊實現(xiàn)人體入侵感應,GPRS模塊負責短信交互與告警,電器控制模塊通過繼電器實現(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用板上,牢固可靠,大大縮小應用板體積。

        圖2 采集報警模塊框圖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,傳輸可靠性高;在測量通信結束后自動轉入低功耗模式;同時集成溫濕度測量,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人體紅外感應模塊,德國LHI778探頭設計,靈敏度高、可靠性強;靜態(tài)電流小于50 μA;可設置2種觸發(fā)方式,自主添加光敏控制、溫度補償,應用靈活,價格便宜。

        2 軟件設計

        軟件設計是整個系統(tǒng)有效工作的核心,為保證服務器功能穩(wěn)定,ARM處理器采用功能強大、穩(wěn)定可靠的嵌入式Linux系統(tǒng);下位機模塊為保證實時性,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時鐘線和DATA數(shù)據(jù)線與單片機通信,上電后單片機需要發(fā)送一組“啟動傳輸”時序:如圖4所示,DATA起初為高電平,然后在相鄰的2個SCK高電平之間令DATA保持低電平。

        圖4 “啟動傳輸”時序Fig 4 Timing sequence of“start transmission”

        初始化成功后控制器可發(fā)送測量任務命令,SHT11接收命令產生響應,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)需要進行線性補償和溫度補償來提高數(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)送時將信息內容嚴格按照PDU格式進行編碼,再加上服務中心號碼、被叫號碼、協(xié)議標識、數(shù)據(jù)編碼方案等內容,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GPRS模塊設置為自動上傳,控制器以串口中斷方式及時接收,然后按照信息格式解碼出信息內容,完成相應操作,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,保證無差錯、無重復發(fā)送,并按順序接收。程序流程如圖6。

        服務器啟動后首先初始化設備,建立采集圖像數(shù)據(jù)的線程;同時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)送的服務要求則啟動視頻發(fā)送線程,若是退出請求則關閉套接字。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 感應與彩信報警

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

        2.4.1 圖像處理

        本系統(tǒng)采用的ZC301圖像傳感,性能偏低,在目標發(fā)生運動時拍攝會造成圖像模糊。針對該問題,并結合特定場合應用,采用背景法提取目標,運用差分法獲得目標運動函數(shù),通過改進的LR算法進行圖像復原。

        1)背景差分法獲取模糊函數(shù)

        采集一幀背景圖像G0,兩幀運動模糊圖像G1,G2,G1-G0得到M1,G2-G0得到M2;設置適當閾值,對M1和M2逐像素掃描,當檢測到M(i,j)大于閾值時,計算該點3×3區(qū)域的平均灰度值,即

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

        模糊角度

        即可得到點擴散函數(shù)。

        2)改進LR算法復原

        LR算法是目前被廣泛應用的圖像復原算法之一,它假設圖像服從泊松分布,采用最大似然法進行估計,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*分別為相關運算和卷積運算,k為迭代次數(shù),h為點擴散函數(shù),可令g=f0進行迭代。對于實際質量較差圖像,噪聲不可忽略,得到

        可見,噪聲的存在導致了迭代的不收斂,即噪聲放大[12]。構造改進的LR算法如下

        其中,q(x,y)定義為

        式中 Δ為由中心差分計算得到的梯度,s為梯度弱化因子(<1),G?為對圖像進行高斯低通濾波后的結果。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,都先計算q,然后代入式(6)對LR濾波進行約束:對于高頻部分,若梯度值很大,|ΔsG?|趨向于無窮,此時式(7)趨向于 0,則式(6)相當于式(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,此時式(7)趨向于1,式(6)趨近于0.5,能夠提高對比度;同時,由于G?是對迭代后圖像進行了高斯低通濾波的結果,已經減弱了許多噪聲,因此,Δs主要作用于非噪聲的邊緣部分。但是當圖像中含有污點時,該算子會同樣使污點明顯,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模塊已經集成了彩信發(fā)送協(xié)議,只需通過串口發(fā)送相應AT指令和jpg圖片數(shù)據(jù)到模塊即可實現(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“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“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“MMS SENDING…”表明正在發(fā)送中,“SEND MMS OK”表明發(fā)送成功。

        2.5 網頁動態(tài)交互

        系統(tǒng)需要通過B/S架構實現(xiàn)遠程監(jiān)控,因此,必須實現(xiàn)Web服務器功能。選用的Boa服務器是單任務HTTP服務器,處理速度快、源碼開放、占用空間小,且支持cgi技術。

        網頁的框架設計使用Dreamweaver軟件,主要有視頻監(jiān)視、數(shù)據(jù)顯示、操作控制3個部分。視頻顯示、數(shù)據(jù)曲線繪制、時間日歷顯示都是采用Java小應用程序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器cgi通信。當網頁中提交請求時,首先通過ajax技術的XMLHttpRequest對象建立一個異步機制,然后以get方式將頁面請求信息提交給服務器cgi函數(shù)進行處理,同時指定cgi處理函數(shù),并建立回調處理函數(shù)用于響應。其交互流程如圖7,整體網頁效果如圖8。

        圖7 ajax和cgi運行機制Fig 7 Operating mechanism of ajax and cgi

        圖8 網頁界面Fig 8 Webpage interface

        3 實驗結果

        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果,從中可見本文改進的LR算法在視覺上較其他兩者復原效果更好。

        表1是采集1張相近的靜態(tài)照片與3張模糊圖像處理結果得出的評價參數(shù)表,峰值信噪比(PSNR)值越大復原質量越高;均方誤差(MSE)越小表明復原質量越好;相關測度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個方面的評價上都比其他2種復原方法要好。

        圖9 圖像處理結果Fig 9 Image processing results

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

        4 結束語

        本文設計實現(xiàn)了一種更加全面完善的遠程監(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,采用ARM處理器建立數(shù)據(jù)、視頻服務器,GPRS模塊完成遠程短信交互和彩信報警。細節(jié)上利用cgi,ajax,applet技術完善遠程客戶端頁面,使用上更加方便、靈活、界面更加美觀豐富,獲取圖像時添加圖像處理技術,用以提升低端圖像傳感器性能,使得系統(tǒng)更具實用性。

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