基于ARM的远程智能环境监控系统设计

马 蓉，李云红，王晨昊，兰文博

（西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安710048）

0 引 言

随着监控技术在数字化、网络化以及向着智能化方向的发展［1－2］，远程智能监控系统的应用范围也越来越广.以往的监控系统由于技术发展水平的限制，常采用有线连接，这种监控方式范围小，无法形成信息联动［3］.目前，对远程环境监控系统的研究，国内已经取得一些成果.文献［4］应用GPRS和彩信两种通信方式实现远程视频监控，但是没有对采集的视频信息采取智能化的处理；文献［5］采用嵌入式Linux系统，视频压缩技术，提出了一种启动速度快、视频传输速率高的远程视频监控系统，但是并没有实现完善的信息处理，没有预警功能.

针对以上存在的问题，本文设计一套远程智能环境监控系统.该系统基于ARM处理器进行了多参数的网络监控，监控终端通过传感器及摄像头采集现场数据，经过ARM处理器处理后的数据显示在基于QT的LCD界面.ARM处理器智能地完成视频数据的压缩、传输以及视频监控数据中运动目标的检测的功能，对于出现的异常情况，能够自动触发报警装置.该系统通过WiFi把采集的数据信息传输到远程监控中心，监控中心通过PC对现场信息做进一步分析、处理.

1 监控系统的设计

系统是以S3C2410微处理器芯片为核心的ARM9操作平台，由本地监控终端和远程监控中心构成.系统总体结构如图1所示，本地监控终端可放置于需要进行监测的环境之中，通过搭建外围监测设备电路，集成各种数据采集设备，实现温度、湿度等现场环境信息的实时采集，同时对采集到的视频数据进行压缩、智能处理以及远程传输到远程监控中心.本地监控终端按照功能模块可划分为中心处理器、数据采集模块、无线传输模块3部分.

图1 系统总体结构Fig.1 The total structure of system

1.1 主要模块设计

中心处理器选择ARM9体系的微处理器S3C2410.包括基本的电源电路、LCD显示器、USB主控接口等［6－7］，ARM主控制器基本结构如图2所示.数据采集模块包括传感器、报警装置以及中星微ZC301摄像头.设计传感器及报警装置的外围工作电路，与中心控制器通过I/O接口连接；摄像头与中心控制器通过USB口连接.通过WiFi无线技术远程通讯，选用USB无线网卡：TL－WN321G，构建ARM－PC无线局域网.

图2 中心控制器Fig.2 The central controller

1.2 远程监控端

远程监控端由一台接入网络的PC机构成，登录客户端程序，完成环境信息的接收、智能处理以及采取必要的预警措施.

2 系统功能实现

系统在搭建完成硬件的基础上实现功能依靠软件设计，系统软件设计主要包括底层软件平台的搭建，应用程序开发，驱动程序开发3个模块.设计选择流行的LINUX操作系统作为嵌入式操作系统，根据不同外设要求配置、裁剪、移植LINUX操作系统，完成底层软件平台的搭建.应用程序包括客户端程序、智能处理采集的视频数据程序；外设驱动程序在系统运行时以模块的方式加载进内核.

系统的外设包括用于视频采集的摄像头和无线网卡，这两个外设的的驱动已经比较成熟可以直接下载应用，通过直接编译进内核的方式加载驱动.底层数据采集设备温、湿度等传感器通过编写驱动程序，动态加载进内核.

2.1 视频采集与编码压缩

Linux系统中通过驱动程序访问外设，将外设驱动程序加载进内核，系统通过文件系统内的设备名对外设操作.在Linux内核中，V4L2是视频设备的API接口［8－9］，通过编写V4L2接口函数对摄像头对应的设备文件video 0操作，实现视频采集.每采集一帧视频数据就对其编码、打包、发送.视频采集编码以及发送流程图如图3所示.

图3 视频采集编码、发送流程图Fig.3 The flow chart of video information collecting，encoding and sending

2.2 智能视频数据处理

为实现环境监控的智能化，使得监控画面高清晰度和高度的网络信息化.系统对视频数据进行分析和网络化处理.由摄像头采集到的视频数据经远程传送到监控终端，通过监控端的客户端程序做数字图像分析，对运动目标进行检测，并且对异常信息进行提取，若认定有异常情况出现，便由监控端向向服务器发送相关的异常告警信息，由服务端根据用户设定的报警条件，向工作人员发出报警信息，以便即时处理.

设计研究的系统以单目固定摄像机采集的视频图像序列为研究对象，进行运动目标检测.通过帧差法检测当前环境中的运动目标，利用连续两帧的图像做差获取运动目标信息.仅根据两帧序列图像的差值区分运动目标，不能获取运动目标的全部信息.论文使用二次帧差法，即利用连续三帧图像做帧差［10］.其算法处理过程图4所示.基本步骤如下：

（1）设f（x，y，t）表示t时刻当前帧，其前后相 邻两 帧分 别 为 f（x，y，t－1），f（x，y，t＋1），其中T是二值化的阈值.t时刻的相邻两帧作帧差，得出帧差图D1，D2.

图4 二次帧差法处理过程图Fig.4 The process chart of secondary frame difference

（2）对D1，D2进行平滑处理，高斯滤波.

（3）对D1，D2进行阈值化处理，得到二值化图像B1，B2.

（4）为抑制运动区域的噪声，对B1，B2中的每个像素进行逻辑与操作，得到二次差分后的图像B，即为检测出的运动目标.

2.3 客户端服务程序的实现

系统远程监控终端通过局域网与监控服务器端相连，监控终端采用QT界面，结合OpenCV库开发设计客户端监控程序，最终实现建立网络通信，传感器数据的接收、实时动态显示，视频图像数据的接收、播放、存储以及智能处理，每一部分的功能通过接口连接实现.客户端的多线程设计流程图如图5所示.

图5 客户端流程图Fig.5 The flow chart of client

3 测试与讨论

3.1 视频显示测试

在Linux2.6.4系统环境下，将传感器模块、视频采集模块、无线传输模块需要的功能编译进内核，生成新的内核镜像zImage.将各模块同开发板连接，并将各模块的驱动程序静态编译进内核，实现开发板上电各个模块自启动.经测试表明，系统启动时间为20ms，视频采集、处理和传输程序占用CPU的5%～10%之间，系统运行稳定.

将ARM开发板与PC机的IP设置在同一网段上，打开客户端程序，与中心控制器进行远程无线连接.通过在应用程序中设置不同分辨率改变视频的采集帧率和数据传输所占带宽，以验证本文搭建系统的性能.其结果为，当分辨率设置为320×240时，视频帧率为25帧/s，占用带宽为212k B/s；当分辨率设置为640×480时，视频帧率为15帧/s，占用带宽259k B/s.

由于不同的PC配置，以及网络传输速率的影响，计算出的视频帧率略有差别，经过测定几组不同的数据，得出平均的结果.分辨率设置为320×240，视频采集帧率为25帧/s，画面显示流畅，采集视频图像清晰，可以满足视频监控的要求；分辨率设置为640×480，视频采集帧率为15帧/s，视频显示有画面停滞现象，不流畅.

3.2 视频图像智能处理测试

客户端程序将每个功能实现程序通过接口联系，实现视频图像的智能化处理.图6为检测视频图像第9帧与第20帧进入环境的运动目标.

4 结 论

（1）系统构建的远程实时环境监控系统，不仅能实时显示现场环境的温、湿度等信息，而且通过摄像头实时监控现场画面，同时将视频信息编码为AVI文件保存到硬盘.

（2）应用运动检测算法对视频图像做识别处理，对于出现异常情况能及时预警，以便保护现场环境.

（3）整个系统稳定性好、可扩展性强，模块化设计具有开放性，可以利用微处理器的I/O功能，扩展更多传感器，对环境信息做更加详细多方面的监控，并且可扩展到更多领域.

图6 帧差法检测出的运动目标Fig.6 The frame difference method to detect the moving target

［1］ 陈敬.基于 ARM 的远程家居智能监控系统设计［D］.荆州：长江大学，2011：1－5.CHEN Jing.Design of remote home intelligent monitoring system based on ARM［D］.Yangtze University，2011：1－5.

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［3］ 冯先成.李小鹏.司擎华.基于S3C2410嵌入式系统的触摸屏驱动设计［J］.光学与光电技术，2012，10（6）：72－73.FENG Xiancheng，LI Xiaopeng，SI Qinghua.Driver design of touch screen based on S3C2410 embedded system［J］.Optics ＆ Optoelectionic Technology，2012，10（6）：72－73.

［4］ 刘萌，郑煊，李国.基于 ARM 的嵌入式远程智能视频监控系统的设计［J］.电气自动化，2011，33（5）：51－57.LIU Meng，ZHENG Xuan，LI Guo.Design of embedded remote intelligent video surveillance system based on ARM［J］.Electronic Automation，2011，33（5）：51－57.

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