基于視覺的多方位闖入監控無線報警系統*

方榕華，陳 懇，王朝云，馮學思

（寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211）

隨著生活水平的不斷提高，人們越來越重視自己的個人安全和財產安全，以嵌入式視頻服務器為核心的監控系統也不斷向前發展，它具有性能穩定可靠、實時性好、抗病毒能力強等特點，具有較高的實際應用價值。但適用于此監控系統的模塊普遍操作復雜，可移植性差，不易攜帶，不易于實時監控。為此，在本設計中，采用LPC2103作為控制模塊，LM1881對視頻信號進行采集分離，多個監控模塊實時檢測并進行多點到C8051F020移動監控設備的無線傳輸，進行實時監控實時處理。

1 系統設計方案

多方位闖入監控無線報警系統主要由多個模擬攝像頭、控制模塊、蜂鳴器模塊、無線傳輸模塊以及一個圖像顯示屏和移動監控設備等構成。監控模塊包括模擬攝像頭、控制模塊、蜂鳴器模塊和無線發送模塊?？刂颇K主要由基于ARM7內核的集成芯片LPC2103及標準外圍電路組成；無線傳輸模塊由2.4 GHz頻段2 Mb/s高速嵌入式無線數傳芯片NRF24L0及外圍元件組成；移動監控設備由C8051F020單片機及其按鍵電路、JTAG接口等構成。

整個系統中多個監控模塊中的每一個模塊首先將模擬攝像頭圖像信號轉換為可數字處理的電信號，一路送至圖像顯示屏顯示，一路送至視頻同步分離模塊，分離出行同步信號、奇偶場同步信號，并傳輸給控制模塊LPC2103芯片。LPC2103對這些信號進行處理后，輸出相應的控制信號到蜂鳴器模塊和無線傳輸模塊，再傳至移動監控設備，等待上一級監控系統控制指令。若有指令，則通過無線傳輸模塊傳至LPC2103并作出相應的應答信號。系統結構框圖如圖1、圖2所示。

圖1 監控模塊框圖

圖2 系統整體結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 信號采集與分離

首先CCD圖像傳感器把光學信號轉變成電信號（即視頻信號），LM1881對視頻信號進行分離，而LPC2103對視頻信號進行采集。如圖3所示。

圖3 信號采集分離電路

CCD攝像頭數據采集的速率是25幀/s，一幀分奇偶兩場，即50場/s，場掃描時間為20 ms，每場312.5行，行掃描時間為 64μs，行同步時間是為 12μs，場同步時間2.024 ms。在不進行其他數據處理的情況下，只對其中的偶場進行采集就能以足夠的精度辨別闖入物體的功能，因此在本系統中只對偶場進行采集[1]。

攝像頭視頻信號端接LM1881[2]的視頻信號輸入端2腳，同時將該信號接入 LPC2103的 P0.23（即 AIN1）進行模數轉換，并把結果儲存到寄存器里。LM1881的行同步信號端（引腳1）連接LPC2103的一個帶中斷能力的I/O口（選用EINT2口即P0.14）。LM1881的奇-偶場同步信號輸出端 7腳接 LPC2103的EINT1（P0.16）。在此，選擇奇-偶場同步信號作為換場的標志信號，而不是選用LM1881引腳3輸出的場同步信號。這樣做的好處是，當攝像頭信號處于奇場或偶場時，則奇-偶場信號整場都相應地處于高電平或低電平，若檢測到該信號發生變化，就可以知道攝像頭信號換場了。因為每場信號持續的時間相對較長，所以也不用擔心漏檢到換場的發生。

因為LPC2103內部A/D轉換的頻率固定，從數據可靠性與穩定性的角度考慮，選擇每行采集50個點，每場采集50行，這樣，OV5116數據采集模塊每場的數據變換成一個50行50列的二維數組。由于A/D采集的參考電壓為3 V，而視頻輸入信號的電平在0 V～1.5 V，所以A/D采集結果是在0～500之間的一個二維數組[3]。

2.2 控制模塊

LM1881芯片分離出行同步信號、奇偶場同步信號，并傳輸給LPC2103芯片的兩個I/O端，LPC2103芯片的6個 并 行 輸 入 輸 出 I/O 端 （PIO0_3、PIO0_7～PIO0_10、PIO0_15） 與無線傳輸模塊的 6個引腳 （PIN3～PIN8）連接，LPC2103芯片的PIO0_17與蜂鳴器模塊相連接；當CCD攝像頭將圖像信號變為電信號，A/D采集模塊進行圖像數據采集，將采集到的圖像數據傳輸到LPC2103芯片中時，控制模塊同時接收到LM1881分離出的行同步信號（下降沿觸發）和奇偶場同步信號（下降沿觸發），控制模塊進行相應處理，并輸出信號到蜂鳴器模塊和無線傳輸模塊，再傳至移動監控設備，等待指令。控制模塊電路圖如圖4所示。

圖4 控制模塊電路圖

2.3 無線傳輸模塊

NRF24L01[4]工作在 2.4～2.5 GHz，供電電壓范圍為1.9～3.3 V，最大發射功率為 1 mW；有 126頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要；內置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制；收發模式有增強型ShockBurstTM收發模式、ShockBurstTM收發模式和直接收發模式三種，收發模式由器件配置字決定；功耗低，體積小，可方便集成到各種電子器件。本系統中，將每個無線發送模塊nRF24L01 的 CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE 引 腳 分 別與LPC2103及無線接收模塊的C8051F020 6個I/O口相連。其中，CSN是片選端，SCK是時鐘線，MISO是主機輸入從機輸出端，MOSI是主機輸出從機輸入端，IRQ是中斷請求輸出端，CE是芯片模式控制端。本設計采用增強型SchockBurst模式，該模式使雙向通信執行起來更為容易、可靠。

3 系統軟件設計

3.1 信號采集處理

作為視頻監控處理的每一個監控模塊中的LPC2103，在進行系統初始化后進入主循環等待偶場同步信號的到來。當視頻的偶場到來并觸發場中斷后等待偶場下的行同步信號的到來、且行同步到來時，用內部A/D采集視頻信號并存入數組，直到采集到所需的行數的信號后，對數據進行處理。之后等待下一個偶場的到來，進行下一場的采集處理。流程框圖如圖5所示。

圖5 信號采集處理流程圖

3.2 闖入監控處理

由于本系統只對是否有物體闖入進行識別，所以只需要對采集進來的每一幀圖像進行整體的識別（即圖像有無大的變化進行判別），因此，在這里只采用了簡單的灰度差分法對采集的數據進行處理，然后根據處理結果判斷是否報警。其算法如下：

開始時采集模塊采集一幅圖像進行灰度差分法進行處理得到一個值Standard，對后續的圖形同樣地用灰度差分法進行處理得到另一個值Fi，將兩個值的差值Delta_Fi與設定閾值比較，從而確定是否輸出信號報警。如果該差值Delta_Fi在閾值范圍內則將Flag標志位置 0，并繼續進行圖像采集監控；否則將Flag標志位置1并進行報警處理，其流程圖如圖6所示。

圖6 闖入監控處理流程圖

3.3 無線傳輸

在本系統中首先對每個監控模塊進行編號 （1～n），即每一個監控場所有一個對應的編號（1～n），這個編號將作為每個監控模塊程序中的const變量存儲。當整個系統開始運行時，作為視頻監控的LPC2103首先發送該模塊對應的編號（1～n），然后將處理得到的 Flag標志位數據進行無線發送并進入等待接收狀態，發送的數據被作為移動監控設備的無線模塊接收并產生中斷使與之相連的C8051F020[5]讀取接收到的監控模塊編號及Flag標志位數據。如果接收到的Flag標志位數據為1，則該C8051F020使用SPI與無線模塊通信，將指令數據1發送給對應編號 （1～n）的監控模塊進而關閉本模塊對應的報警模塊，進行后期處理，繼續進行監控。如果接收到的Flag標志位數據為0，則通過無線發送指令數據0監控模塊繼續進行監控。如果具備其他條件的，還可以通過使用SCI串口通信，將發生警報的區域的監控模塊的編號顯示在電腦顯示屏上，以便工作人員確定檢查區域。流程圖如圖7所示。

圖7 無線傳輸流程圖

本文設計的多方位闖入監控無線報警系統，每個監控模塊采用了LPC2103作為主要控制模塊，對LM1881分離出來的視頻信號進行相應處理，由與其相連的無線傳輸模塊將數據傳輸給移動監控設備。若有異常，蜂鳴器報警，移動監控設備C8051F020作出相應應答指令，并針對這一情況進行處理。在實際生活中，該系統可移植性好，使用簡單，準確定位警報地點，真正能做到實時監控實時處理。

[1]張海山，李偉.視頻采集與處理方法[J].河北理工大學學報，2007，29（1）：75-77.

[2]朱廣.基于視頻分離芯片LM1881的圖像采集系統設計[J].機械工程師，2009（12）：81-83.

[3]周立功.ARM嵌人式系統基礎教程（第2版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[4]李輝，宋詩，周建江.基于 ARM和 nRF24L01的無線數據傳輸系統[J].國外電子元器件，2008（12）：44-46.

[5]馬忠梅，籍順心，張凱.單片機的 C語言應用程序設計（第 4版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.