劉 明, 陳講清, 聶銀鑫

(華中師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 湖北 武漢 430079)

為了實(shí)驗(yàn)室的安全需要,各實(shí)驗(yàn)室重視監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)[1]。目前國內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)室大多采用視頻監(jiān)控、火災(zāi)探測報(bào)警等方案,該方案往往由企業(yè)承接工程后實(shí)施,需要一次性的較大投入,建設(shè)及維護(hù)成本高,而且監(jiān)控范圍有限,安裝點(diǎn)固定不變,很少提供通過移動終端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

智能手機(jī)的普及及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控提供了很好的移動應(yīng)用解決思路[2],本文利用APICloud云平臺、樹莓派及傳感器等設(shè)計(jì)一個遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)底層以樹莓派為監(jiān)控單元,通過各類傳感器采集現(xiàn)場的溫濕度[3]、煙霧[4]、光照、視頻、圖像等數(shù)據(jù)[5-6],通過電路板上GPIO引腳控制電機(jī)及繼電器等現(xiàn)場設(shè)備。樹莓派用作設(shè)備網(wǎng)關(guān)與中間層的APICloud云平臺建立連接,將底層數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)皆品?wù)器存儲[7]。APICloud同時為底層和終端提供數(shù)據(jù)服務(wù),用戶通過移動終端App可以遠(yuǎn)程查看多個被監(jiān)控設(shè)備、控制現(xiàn)場設(shè)備以及實(shí)時獲得安全異常提醒等[8-9]。本監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)采用云端一體化結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)安全存儲在云服務(wù)器上,支持遠(yuǎn)程查看多個被監(jiān)控設(shè)備,新增傳感器及開關(guān)設(shè)備[10]。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1需求分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)以及在實(shí)驗(yàn)室工作的體驗(yàn),總結(jié)出的功能性需求如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

(1) 用戶管理。設(shè)定的系統(tǒng)用戶主要指實(shí)驗(yàn)室管理人員。

(2) 傳感器管理。包括對監(jiān)控單元的注冊、登錄、添加、刪除,以及對各傳感器的添加與刪除。

(3) 溫度等監(jiān)控。顯示溫度、煙霧、光照等傳感器數(shù)據(jù)變化的折線趨勢,統(tǒng)計(jì)監(jiān)測次數(shù)以及設(shè)置監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的預(yù)警閾值。

(4) 圖片拍照。監(jiān)控現(xiàn)場的照片拍攝操作,以及照片查詢、瀏覽和下載。

(5) 視頻錄像。監(jiān)控現(xiàn)場的視頻錄像操作,以及視頻查詢和播放。

(6) 開關(guān)設(shè)備控制。遠(yuǎn)程控制本地設(shè)備的開關(guān)閉合操作,并在控制臺上顯示設(shè)備開關(guān)狀態(tài)。

1.2 總體架構(gòu)

基于云端一體的APICloud提供2個API,即“云API”和“端API”,其中“云API” 包括數(shù)據(jù)服務(wù)、推送、云修復(fù)和大數(shù)據(jù)分析等,因此采用APICloud云平臺結(jié)構(gòu)可以簡化監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā),其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 APICloud平臺

實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)包括底層、APICloud云平臺和移動終端3個部分,如圖3所示。其中,底層由樹莓派通過傳感器采集獲取實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場信息,同時樹莓派也可以根據(jù)終端發(fā)來的命令控制傳感器。

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

APICloud Studio可用于開發(fā)iOS和Android兩種終端設(shè)備,用戶使用移動終端可以訪問APICloud的后臺數(shù)據(jù)庫,查看采集的現(xiàn)場信息以及對傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作。此外,系統(tǒng)開發(fā)時為了減輕云平臺的網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)擔(dān),以樹莓派為核心搭建了一個存儲視頻錄像信息的本地服務(wù)器,移動終端可以遠(yuǎn)程獲取實(shí)時視頻流,實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控功能[11]。

1.3 模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求,設(shè)計(jì)了6個主要功能模塊,包括用戶管理、傳感器管理、溫度等傳感器監(jiān)控、圖片拍照、視頻錄像以及開關(guān)設(shè)備控制。按照功能的劃分可以將該系統(tǒng)劃分為底層監(jiān)控單元、云平臺和終端3個部分。底層監(jiān)控單元和終端之間通過云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,實(shí)現(xiàn)云端一體的架構(gòu)。用戶在移動端可以執(zhí)行顯示查看數(shù)據(jù)、管理、通信等操作[12]。

2 云端一體實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

2.1 底層監(jiān)控單元的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的底層監(jiān)控單元由樹莓派和傳感器組成,樹莓派是一種基于ARM-Linux的卡片式嵌入式電腦,Raspberry Pi 3B型集成WiFi模塊可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信,并通過GPIO口與傳感器進(jìn)行連接。在樹莓派的Linux系統(tǒng)中采用Python作為開發(fā)語言,使用Python的GPIO包實(shí)現(xiàn)樹莓派獲取傳感器的信息以及控制傳感器的操作,使用APICloud平臺提供給Python的API來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下載。Python數(shù)據(jù)處理流程見圖4。

系統(tǒng)各個監(jiān)控模塊對應(yīng)使用不同傳感器,見表1。用戶可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控具體需求增減或更換其他傳感器模塊,以實(shí)現(xiàn)有特色的功能服務(wù)組合。

圖像和視頻模塊采用樹莓派配套的500萬像素?cái)z像頭,通過樹莓派的CSI接口連接。編程開發(fā)時需要使用3個基于命令方式的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集,包括用于捕捉圖像數(shù)據(jù)的 raspistill 和 raspistillyuv,以及用于捕捉視頻數(shù)據(jù)的raspivid。運(yùn)行3個應(yīng)用程序時,通過改變內(nèi)置命令參數(shù)可以捕捉到不同格式效果的圖片視頻,便于使用shell腳本或者Python語句來控制攝像頭采集所需數(shù)據(jù)。

針對嵌入式終端設(shè)備在處理視頻、圖像等多媒體數(shù)據(jù)時往往存在資源受限問題,在后臺使用Python搭建服務(wù)器網(wǎng)關(guān)接口時,采用開源視頻服務(wù)軟件MJPG-streamer提供的軟件構(gòu)架進(jìn)行開發(fā),實(shí)現(xiàn)實(shí)時視頻查看功能。客戶端通過訪問該服務(wù)器,除查看實(shí)時視頻圖像外,還可以控制云平臺設(shè)備,獲得多個角度的圖像。底層配置后監(jiān)控單元如圖5所示。

圖5 底層配置后監(jiān)控單元

2.2 系統(tǒng)云平臺的實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)可以將APICloud云平臺用作Web服務(wù)平臺。“云API”支持自動生成RESTful API、在線NoSQL數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)、API調(diào)試及用量分析,方便開發(fā)者使用。底層監(jiān)控單元通過APICloud提供的“端API”將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫,用戶終端通過“云API”從數(shù)據(jù)庫取出數(shù)據(jù)。同樣,終端也可以通過“端API”控制底層監(jiān)控單元的操作行為。系統(tǒng)采用APICloud云平臺提供的數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫表單信息見表2。

表2 APICloud云平臺數(shù)據(jù)庫表單信息

2.3 系統(tǒng)終端的實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)集成了用戶管理、傳感器管理等6個模塊,全部功能都要通過終端界面呈現(xiàn)給用戶,系統(tǒng)與用戶之間進(jìn)行交互。因此系統(tǒng)開發(fā)提供的用戶終端主要包括登錄注冊界面、設(shè)備管理界面、監(jiān)控界面以及傳感器狀態(tài)監(jiān)測界面。

用戶將用戶名和密碼通過界面注冊到表2中的_user表單中后,就可以通過該用戶名和密碼進(jìn)行登錄操作。圖6的設(shè)備管理界面將用戶在其賬戶下添加的設(shè)備存儲在本地,便于用戶進(jìn)行選擇。

圖6 設(shè)備管理界面

圖7的監(jiān)控界面作為主界面用于實(shí)現(xiàn)傳感器管理、傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)控、圖片拍照以及視頻錄像功能。通過監(jiān)控界面頂端的窗口可以查看底層監(jiān)控單元獲取到的實(shí)時視頻流,開始拍照和開始錄像按鈕用于截取圖片和錄像。

圖7 監(jiān)控界面

這些操作需要根據(jù)傳入的參數(shù)獲取云端數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。主要實(shí)現(xiàn)代碼如下:

functiondataGet() {

//獲取操作界面上的傳入?yún)?shù)

varnumapis = document.getElementById(′numapi′).value;

varfacs = document.getElementById(′fac′).value;

var fads =document.getElementById(′fad′).value;

numapis = parseInt(numapis);

facs = parseInt(facs);

fads =parseInt(fads);

client.setHeaders(″authorization″,$api.getStorage(′token′));

var Model =client.Factory(″tempr″);

//根據(jù)傳入?yún)?shù)查找云端數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)

Model.query({

filter : {

where : {″uip″ : myip},

fileds : [″ds18b20″, ″cpuwd″],

skip : 0,

limit : numapis,

order : ″createdAt DESC″}},

function(ret, err) {

//將滿足條件的數(shù)據(jù)取出

if(ret) {

varimglen = ret.length;

ds18t.length = 0;

cput.length = 0;

varmaxc;

varmaxd;

var dt = ret[idx][′ds18b20′];

varct = ret[idx][′cpuwd′];

ds18t.push(dt);

cput.push(ct);}

maxc = Math.max.apply(Math, cput);

maxd = Math.max.apply(Math, ds18t);

myvioce(maxd, fads, maxc, facs);}});}

傳感狀態(tài)按鈕(見圖8)用于查看傳感器狀態(tài)以及增加新的傳感器,設(shè)備開關(guān)按鈕用于打開和關(guān)閉各個傳感器。監(jiān)控界面的溫度趨勢曲線(見圖9)用于監(jiān)測環(huán)境溫度和CPU溫度,顯示出當(dāng)前查詢記錄的最大值、最小值以及平均值。用戶可以改變報(bào)警閾值和調(diào)節(jié)系統(tǒng)靈敏度。若檢測到環(huán)境參數(shù)超出所設(shè)置的報(bào)警閾值,移動終端會自動語音提醒狀態(tài)異常。

圖8 新增光照傳感器

圖9 設(shè)置溫度閾值

2.4 系統(tǒng)測試

監(jiān)控系統(tǒng)軟件安裝在安卓手機(jī)上。分別對用戶管理、傳感器管理、溫度等監(jiān)控、圖片拍照、視頻錄像以及開關(guān)設(shè)備控制6個功能的實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行反復(fù)測試,重點(diǎn)關(guān)注底層監(jiān)控單元上傳數(shù)據(jù)和終端獲取數(shù)據(jù)的流暢性和穩(wěn)定性以及增刪設(shè)備時系統(tǒng)的魯棒性。整體的測試情況表明,實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)能滿足功能需求,具有數(shù)據(jù)可視化、簡便清晰、易于查看、系統(tǒng)的操作具有靈活性和個性化特點(diǎn)。

3 結(jié)語

基于云端一體的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)通過樹莓派等硬件和APICloud云平臺的結(jié)合,控制本地底層監(jiān)控單元和云服務(wù)的數(shù)據(jù)流,能滿足監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求。同時,云端一體結(jié)構(gòu)極大地縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期,降低了開發(fā)成本。在建設(shè)和后期維護(hù)中,使用集群樹莓派及相應(yīng)傳感器等能夠以較少的投入快速搭建或擴(kuò)展監(jiān)控系統(tǒng),并且根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境位置靈活調(diào)整監(jiān)控區(qū)域,因而系統(tǒng)的實(shí)用性強(qiáng)。未來可以在樹莓派上進(jìn)行更多的功能實(shí)現(xiàn)和拓展,使監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更加廣泛。