鄒洪清，王代強(qiáng)

（1.貴州大學(xué) 電子信息學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué) 人民武裝學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

現(xiàn)在人們對(duì)自己私有財(cái)產(chǎn)的安全性要求越來(lái)越高，包括企業(yè)和個(gè)人。像住宅區(qū)、辦公場(chǎng)所等地方的安全問(wèn)題日益突顯，非法入侵，入室盜竊等違法犯罪行為對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，而視頻監(jiān)控系統(tǒng)在預(yù)防犯罪、調(diào)查取證等方面有著不可替代的作用，因此視頻監(jiān)控系統(tǒng)在各行各業(yè)中扮演的角色越來(lái)越重要。但當(dāng)視頻監(jiān)控沒(méi)有提示功能的話(huà)，那么對(duì)視頻內(nèi)容的判斷和異常情況的處理只能依賴(lài)人來(lái)完成，這就對(duì)監(jiān)控人的注意力和對(duì)異常情況的應(yīng)變處理能力提出了很高的要求，大多數(shù)的經(jīng)濟(jì)損失都是由監(jiān)控人員的疏忽造成的。其二，在監(jiān)控過(guò)程中，監(jiān)控視頻通常存儲(chǔ)在磁盤(pán)中，由于監(jiān)控時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)要求足夠大的磁盤(pán)空間存儲(chǔ)視頻，如果長(zhǎng)時(shí)間記錄的是無(wú)運(yùn)動(dòng)的視頻圖像，這樣所含有用的信息極少，從而造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。所以，視頻監(jiān)控系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)結(jié)合起來(lái)，有效地減少了磁盤(pán)不必要的存儲(chǔ)，提高了磁盤(pán)的利用率。因此提出一種嵌入式系統(tǒng)與目標(biāo)檢測(cè)算法結(jié)合起來(lái)，并把運(yùn)動(dòng)的圖像通過(guò)GPRS發(fā)送給管理者。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括ARM主控板、圖像采集模塊、GPRS模塊等3大模塊。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是，由前端攝像頭將采集到的圖像信息進(jìn)行編碼壓縮后，經(jīng)RS232把圖像信息傳入到嵌入式處理器，嵌入式的Linux操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)圖像信息的目標(biāo)檢測(cè)、圖像存儲(chǔ)并通過(guò)GPRS通信模塊給管理者發(fā)送過(guò)去，完成現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

1.1 ARM主控模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)我們得出該系統(tǒng)可以快速的通過(guò)手機(jī)獲取監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的信息,同時(shí)可以通過(guò)手機(jī)發(fā)送指令對(duì)該系統(tǒng)發(fā)送命令和進(jìn)行配置。依據(jù)系統(tǒng)所需功能,設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure

ARM主控板在整個(gè)系統(tǒng)中起到核心作用。它不僅要承擔(dān)對(duì)異常事件的判斷和處理工作，還要負(fù)責(zé)圖片采集,發(fā)送和接收短消息并且具有處理短信息內(nèi)容的能力。為了使用戶(hù)更加友好的操作，在主控板上我們配置觸摸屏采用圖形化界面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行配置，這就要求處理器具有對(duì)GUI的支持。在本系統(tǒng)中我們釆用ARM9開(kāi)發(fā)板(其核心處理器是S3C2440)，該主控板集成豐富的外設(shè)資料可以滿(mǎn)足我們的系統(tǒng)需要，其中主要包括LCD和觸模屏接口 (支持用戶(hù)通過(guò)觸摸柄進(jìn)行操作)、64MB SDRAM、2MB Nor FLASH、64MB Nand FLASH、USB l.l Host接口、USB l.l Device接口、SD卡接口等等。

1.2 攝像頭模塊設(shè)計(jì)

本開(kāi)發(fā)板配用了 CMOS攝像頭模塊 CAM130，其內(nèi)部使用的是 OV9650芯片，需要為其配置驅(qū)動(dòng)程序。在Device Drivers菜單里選擇 Multimedia devices，回車(chē)進(jìn)入，選擇OV9650 on the S3C2440 driver，如圖 2所示。

圖2 CMOS攝像頭驅(qū)動(dòng)配置Fig.2 CMOScamera driver configuration

由于本開(kāi)發(fā)板支持萬(wàn)能USB攝像頭，識(shí)別中星微攝像頭，所以本系統(tǒng)不需要進(jìn)行攝像頭驅(qū)動(dòng)的移植。

1.3 GPRS通信模塊設(shè)計(jì)

所謂GPRS(即通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù))是以GSM系統(tǒng)為前提發(fā)展的一種承載業(yè)務(wù)，是在傳統(tǒng)GSM網(wǎng)絡(luò)之上架構(gòu)，用來(lái)完成分組形式的數(shù)據(jù)服務(wù)，它是一種標(biāo)準(zhǔn)的分組交換數(shù)據(jù)。用戶(hù)可以在一端到另一端不用電路交換模式就能在分組轉(zhuǎn)移模式下接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，相對(duì)優(yōu)點(diǎn):資源利用率高，永不斷線(xiàn),按流量收費(fèi),登陸快捷,可達(dá)115 kbps快速傳送[1-2]。

本系統(tǒng)采用西門(mén)子公司的MC35i,它是新一代的雙頻GSM/GPRS無(wú)線(xiàn)模塊,迅速穩(wěn)定的條件下進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)語(yǔ)音傳輸,甚至傳真和短信也沒(méi)問(wèn)題。系統(tǒng)使用的正常電壓是3.2～5.0 V,在800 MHz和1 800 MHz兩個(gè)頻段進(jìn)行工作,對(duì)應(yīng)頻段功耗分別是2 W和1.5 W[3]。

MC35i模塊主要由GSM基帶處理、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線(xiàn)接口六部分組成。作為MC35i的核心,基帶處理器主要處理GSM終端內(nèi)的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)信號(hào)，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的模擬和數(shù)字功能。在不需要額外硬件電路的前提下,可支持FR、HR和EFR語(yǔ)音信道編碼。

MC35i模塊的正常運(yùn)行需要相對(duì)應(yīng)的外圍電路與其配合，MC35i共有40個(gè)引腳,通過(guò)ZIF連接器分別與電源電路、啟動(dòng)與關(guān)機(jī)電路、數(shù)據(jù)通信電路、語(yǔ)音通信電路、SIM卡電路、指示燈電路等連接。這40個(gè)引腳又可以劃分為5類(lèi),即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。如圖3所示,即為MC35i硬件連接圖。

圖3 GPRS通信模塊接口框圖Fig.3 GPRScommunication module interface block diagram

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在硬件和操作系統(tǒng)準(zhǔn)備好后，進(jìn)行本系統(tǒng)軟件部分的編碼與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)采用中星微攝像頭，使用的芯片是中星微ZC301P。通過(guò)攝像頭進(jìn)行視頻信息的采集和捕獲。當(dāng)有物體闖入監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)入侵物體進(jìn)行圖片保存并通過(guò)GPRS發(fā)送給用戶(hù)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分分為視頻采集模塊設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)及GPRS通信模塊。

2.1 視頻采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的視頻采集模塊是基于V4L2（Video for linux 2）Linux的視頻編碼，V4L2是 Linux系統(tǒng)中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，是V4L的升級(jí)版本，包括一套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和底層V4L2驅(qū)動(dòng)接口。在Linux中，視頻設(shè)備是設(shè)備文件，這里使用的中星微攝像頭屬于字符設(shè)備，可以像訪(fǎng)問(wèn)普通文件一樣對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)。本系統(tǒng)的攝像頭在/dev/video下。

V4L2視頻采集的基本流程包括以下幾個(gè)方面是：打開(kāi)視頻設(shè)備、讀取設(shè)備信息和視頻信息、初始化視頻設(shè)備、視頻采集、視頻數(shù)據(jù)的處理和顯示、關(guān)閉視頻設(shè)備。流程如圖4所示。

圖4 視頻采集基本流程圖Fig.4 Video capture basic flowchart

2.2 動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)算法的分析與實(shí)現(xiàn)

目前，常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)算法有背景差分法、光流法、幀差法等。背景差分法檢測(cè)是將視頻幀圖像與背景參考模型相對(duì)比，從而檢測(cè)出移動(dòng)物體[4-5]。本系統(tǒng)使用背景差分法，其運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的流程圖如圖5所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)流程圖Fig.5 Moving target detection flowchart

本系統(tǒng)使用的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法為 motion，它集成了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和保存變化的圖片。在探測(cè)到時(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，它可以執(zhí)行所設(shè)定目錄里的文件或腳本等功能。motion在mini2440開(kāi)發(fā)板上的交叉編譯過(guò)程如下：

1）在虛擬機(jī)RHEL5系統(tǒng)中創(chuàng)建目錄 motion #mkdir/home/motion

2）將motion-3.2.12.tar.gz源代碼拷貝到虛擬機(jī)中上面所建的目錄下。

3）解壓motion源代碼 #tar zxvf motion-3.2.12.tar.gz

4）創(chuàng)建交叉編譯安裝目錄 #mkdir/opt/motion

5）交叉編譯 #cd/home/motion/motion-3.2.12

#./configure--host=arm-linux--build=i486-gnulinux --prefix=/opt/motion

其中，--host=arm-linux是交叉編譯，--prefix是motion安裝目錄

6)將編譯生成的可執(zhí)行程序和配置文件拷貝到根文件系統(tǒng) #cd/opt/motion

通過(guò) SecureCRT的 rs命令下載bin目錄下的motion可執(zhí)行文件、etc目錄下的 motion-dist.conf和motion.conf文件，然后將下載的上述3個(gè)文件上傳到mini2440開(kāi)發(fā)板系統(tǒng)中，并對(duì)motion.conf的配置選項(xiàng)作相應(yīng)的修改即可。

2.3 GPRS通信模塊

監(jiān)控主板通電后，主機(jī)開(kāi)始初始化，模塊由AT指令對(duì)MC35i完成初始化。西門(mén)子MC35i模塊支持AT指令集，并使用擴(kuò)展的AT指令控制短消息的發(fā)送。本系統(tǒng)采用AT指令實(shí)現(xiàn)通信。主控模塊發(fā)出的AT指令用來(lái)建立通信鏈路。AT指令集的命令格式幀都是以AT開(kāi)頭。

在進(jìn)行GPRS上網(wǎng)之前，首先要對(duì)GPRS模塊進(jìn)行初始化設(shè)置。主要包括設(shè)定它的工作模式、外部接入點(diǎn)和使用的協(xié)議類(lèi)型等。下面為初始化使用的AT指令:

1)連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)。AT+CGATT=1。為了使用GPRS服務(wù)，MC35i必須先連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后MC35i才能啟動(dòng)GPRS的數(shù)據(jù)集以及移動(dòng)應(yīng)用操作程序。

2)發(fā)起 PDP上下文激活請(qǐng)求。AT+CGDC0NT=1,，P，CMNET。也就是指定通訊格式、IP地址類(lèi)型和網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)APN(負(fù)責(zé)與因特網(wǎng)或者其他兼容網(wǎng)絡(luò)的交互)。

3)協(xié)商 Qos(服務(wù)質(zhì)量)。 AT+CGQREQ=1，3，4，3，0，0。 其中的數(shù)字分別表示了 PDPcontext標(biāo)志符、服務(wù)優(yōu)先級(jí)、延遲級(jí)別、可靠性級(jí)別、峰值吞吐量別。

4)進(jìn)行PDP上下文激活。AT+CGACT=1、1。用于在數(shù)據(jù)傳輸前先激活，如果GPRS還沒(méi)連接，它將由AT指令自動(dòng)連接。其中后一個(gè)1標(biāo)示特定的PDP上下文。MC35i在上面的4個(gè)步驟中都要回答OK表示確認(rèn)。

5)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式。AT+CGDATA=PPP。MC35i回答:CONNECT。然后就可以用PPP幀格式直接傳送數(shù)據(jù)，MC35i的回答也是以PPP幀格式，等PPP連接終止后，才能發(fā)送更多的AT指令給GPRS模塊。

初始化完成以后，使用攝像頭模塊對(duì)監(jiān)控場(chǎng)地進(jìn)行圖像采集[6]，圖6為GPRS通信模塊軟件工作示意圖。

圖6 GPRS通信模塊軟件工作示意圖Fig.6 Schematic GPRScommunication module software work

給開(kāi)發(fā)板上電后,通過(guò)串口調(diào)試軟件可以看到MC35i初始化的各條指令。在終端窗口輸入AT+CMGF=0，設(shè)定模塊工作模式為PDU模式，返回0K后，輸入AT+CMGS=(手機(jī)號(hào)碼)按下回車(chē)，在收到>后輸入所要發(fā)送的信息內(nèi)容即可向指定手機(jī)發(fā)送消息，在收到0K!后表示發(fā)送成功，證明GPRS模塊通信良好。

3 測(cè)試結(jié)果

當(dāng)開(kāi)發(fā)板啟動(dòng)起來(lái)后，連接好攝像頭，切換到motion目錄下，執(zhí)行命令:#./motion-c motion.conf，攝像頭監(jiān)控區(qū)域有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，攝像頭會(huì)保存有變化的圖片到/root/motion下，并把有變化的圖片發(fā)送給用戶(hù)。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)測(cè)試分析，基于GPRS動(dòng)態(tài)圖像監(jiān)控的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案具有實(shí)時(shí)性好、功耗低、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，適用于家庭住宅，倉(cāng)庫(kù)等。本系統(tǒng)通過(guò)嵌入式系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)相結(jié)合，對(duì)移動(dòng)的物體進(jìn)行攝像保存并通過(guò)GPRS發(fā)送給用戶(hù)。通過(guò)查找目前國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)資料，完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)主要功能。

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