基于GPRS動態圖像監控的設計與實現

鄒洪清，王代強

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

現在人們對自己私有財產的安全性要求越來越高，包括企業和個人。像住宅區、辦公場所等地方的安全問題日益突顯，非法入侵，入室盜竊等違法犯罪行為對人們的生命財產安全構成了嚴重的威脅，而視頻監控系統在預防犯罪、調查取證等方面有著不可替代的作用，因此視頻監控系統在各行各業中扮演的角色越來越重要。但當視頻監控沒有提示功能的話，那么對視頻內容的判斷和異常情況的處理只能依賴人來完成，這就對監控人的注意力和對異常情況的應變處理能力提出了很高的要求，大多數的經濟損失都是由監控人員的疏忽造成的。其二，在監控過程中，監控視頻通常存儲在磁盤中，由于監控時間長，會要求足夠大的磁盤空間存儲視頻，如果長時間記錄的是無運動的視頻圖像，這樣所含有用的信息極少，從而造成了資源的嚴重浪費。所以，視頻監控系統和運動目標檢測結合起來，有效地減少了磁盤不必要的存儲，提高了磁盤的利用率。因此提出一種嵌入式系統與目標檢測算法結合起來，并把運動的圖像通過GPRS發送給管理者。

1 系統的硬件設計

本系統主要包括ARM主控板、圖像采集模塊、GPRS模塊等3大模塊。該系統的設計目的是，由前端攝像頭將采集到的圖像信息進行編碼壓縮后，經RS232把圖像信息傳入到嵌入式處理器，嵌入式的Linux操作系統負責圖像信息的目標檢測、圖像存儲并通過GPRS通信模塊給管理者發送過去，完成現場遠程監控功能。

1.1 ARM主控模塊設計

根據系統總體設計我們得出該系統可以快速的通過手機獲取監控現場的信息,同時可以通過手機發送指令對該系統發送命令和進行配置。依據系統所需功能,設計硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構Fig.1 Hardware structure

ARM主控板在整個系統中起到核心作用。它不僅要承擔對異常事件的判斷和處理工作，還要負責圖片采集,發送和接收短消息并且具有處理短信息內容的能力。為了使用戶更加友好的操作，在主控板上我們配置觸摸屏采用圖形化界面對整個系統進行配置，這就要求處理器具有對GUI的支持。在本系統中我們釆用ARM9開發板(其核心處理器是S3C2440)，該主控板集成豐富的外設資料可以滿足我們的系統需要，其中主要包括LCD和觸模屏接口 (支持用戶通過觸摸柄進行操作)、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 攝像頭模塊設計

本開發板配用了 CMOS攝像頭模塊 CAM130，其內部使用的是 OV9650芯片，需要為其配置驅動程序。在Device Drivers菜單里選擇 Multimedia devices，回車進入，選擇OV9650 on the S3C2440 driver，如圖 2所示。

圖2 CMOS攝像頭驅動配置Fig.2 CMOScamera driver configuration

由于本開發板支持萬能USB攝像頭，識別中星微攝像頭，所以本系統不需要進行攝像頭驅動的移植。

1.3 GPRS通信模塊設計

所謂GPRS(即通用分組無線服務)是以GSM系統為前提發展的一種承載業務，是在傳統GSM網絡之上架構，用來完成分組形式的數據服務，它是一種標準的分組交換數據。用戶可以在一端到另一端不用電路交換模式就能在分組轉移模式下接收或發送數據，相對優點:資源利用率高，永不斷線,按流量收費,登陸快捷,可達115 kbps快速傳送[1-2]。

本系統采用西門子公司的MC35i,它是新一代的雙頻GSM/GPRS無線模塊,迅速穩定的條件下進行系統數據語音傳輸,甚至傳真和短信也沒問題。系統使用的正常電壓是3.2～5.0 V,在800 MHz和1 800 MHz兩個頻段進行工作,對應頻段功耗分別是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終端內的語音、數據信號，并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有的模擬和數字功能。在不需要額外硬件電路的前提下,可支持FR、HR和EFR語音信道編碼。

MC35i模塊的正常運行需要相對應的外圍電路與其配合，MC35i共有40個引腳,通過ZIF連接器分別與電源電路、啟動與關機電路、數據通信電路、語音通信電路、SIM卡電路、指示燈電路等連接。這40個引腳又可以劃分為5類,即電源、數據輸入/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 系統的軟件設計

在硬件和操作系統準備好后，進行本系統軟件部分的編碼與實現。該系統采用中星微攝像頭，使用的芯片是中星微ZC301P。通過攝像頭進行視頻信息的采集和捕獲。當有物體闖入監測區域時，系統會對入侵物體進行圖片保存并通過GPRS發送給用戶。本系統軟件設計部分分為視頻采集模塊設計、動態圖像檢測及GPRS通信模塊。

2.1 視頻采集模塊的設計與實現

本系統的視頻采集模塊是基于V4L2（Video for linux 2）Linux的視頻編碼，V4L2是 Linux系統中關于視頻設備的內核驅動，是V4L的升級版本，包括一套數據結構和底層V4L2驅動接口。在Linux中，視頻設備是設備文件，這里使用的中星微攝像頭屬于字符設備，可以像訪問普通文件一樣對其進行讀寫。本系統的攝像頭在/dev/video下。

V4L2視頻采集的基本流程包括以下幾個方面是：打開視頻設備、讀取設備信息和視頻信息、初始化視頻設備、視頻采集、視頻數據的處理和顯示、關閉視頻設備。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 動態圖像檢測算法的分析與實現

目前，常見的動態圖像檢測算法有背景差分法、光流法、幀差法等。背景差分法檢測是將視頻幀圖像與背景參考模型相對比，從而檢測出移動物體[4-5]。本系統使用背景差分法，其運動目標檢測的流程圖如圖5所示。

圖5 運動目標檢測流程圖Fig.5 Moving target detection flowchart

本系統使用的運動目標檢測算法為 motion，它集成了運動目標檢測和保存變化的圖片。在探測到時運動目標時，它可以執行所設定目錄里的文件或腳本等功能。motion在mini2440開發板上的交叉編譯過程如下：

1）在虛擬機RHEL5系統中創建目錄 motion #mkdir/home/motion

2）將motion-3.2.12.tar.gz源代碼拷貝到虛擬機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)將編譯生成的可執行程序和配置文件拷貝到根文件系統 #cd/opt/motion

通過 SecureCRT的 rs命令下載bin目錄下的motion可執行文件、etc目錄下的 motion-dist.conf和motion.conf文件，然后將下載的上述3個文件上傳到mini2440開發板系統中，并對motion.conf的配置選項作相應的修改即可。

2.3 GPRS通信模塊

監控主板通電后，主機開始初始化，模塊由AT指令對MC35i完成初始化。西門子MC35i模塊支持AT指令集，并使用擴展的AT指令控制短消息的發送。本系統采用AT指令實現通信。主控模塊發出的AT指令用來建立通信鏈路。AT指令集的命令格式幀都是以AT開頭。

在進行GPRS上網之前，首先要對GPRS模塊進行初始化設置。主要包括設定它的工作模式、外部接入點和使用的協議類型等。下面為初始化使用的AT指令:

1)連接到GPRS網絡。AT+CGATT=1。為了使用GPRS服務，MC35i必須先連接到GPRS網絡，然后MC35i才能啟動GPRS的數據集以及移動應用操作程序。

2)發起 PDP上下文激活請求。AT+CGDC0NT=1,，P，CMNET。也就是指定通訊格式、IP地址類型和網絡接入點APN(負責與因特網或者其他兼容網絡的交互)。

3)協商 Qos(服務質量)。 AT+CGQREQ=1，3，4，3，0，0。 其中的數字分別表示了 PDPcontext標志符、服務優先級、延遲級別、可靠性級別、峰值吞吐量別。

4)進行PDP上下文激活。AT+CGACT=1、1。用于在數據傳輸前先激活，如果GPRS還沒連接，它將由AT指令自動連接。其中后一個1標示特定的PDP上下文。MC35i在上面的4個步驟中都要回答OK表示確認。

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

初始化完成以后，使用攝像頭模塊對監控場地進行圖像采集[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

給開發板上電后,通過串口調試軟件可以看到MC35i初始化的各條指令。在終端窗口輸入AT+CMGF=0，設定模塊工作模式為PDU模式，返回0K后，輸入AT+CMGS=(手機號碼)按下回車，在收到>后輸入所要發送的信息內容即可向指定手機發送消息，在收到0K!后表示發送成功，證明GPRS模塊通信良好。

3 測試結果

當開發板啟動起來后，連接好攝像頭，切換到motion目錄下，執行命令:#./motion-c motion.conf，攝像頭監控區域有運動目標時，攝像頭會保存有變化的圖片到/root/motion下，并把有變化的圖片發送給用戶。

4 結論

經過測試分析，基于GPRS動態圖像監控的設計與實現方案具有實時性好、功耗低、工作可靠等優點，適用于家庭住宅，倉庫等。本系統通過嵌入式系統與運動目標檢測相結合，對移動的物體進行攝像保存并通過GPRS發送給用戶。通過查找目前國內外遠程監控系統相關資料，完成了系統設計和實現主要功能。

[1]張艦.嵌入式家庭無線網絡監控的設計與實現 [D].成都:西華大學，2010.

[2]Vojin G.Oklobdzija.Digital Design and Fabrication[M].CRC Press，2008.

[3]潘斌，郭紅霞.短信收發模塊MC35I的外圍電路設計[J].單片機及嵌入式系統應用，2004，4（7）:38-41.PAN Bin，GUO Hong-xia.Peripheral circuit design text messaging module MC35I[J].Microcontroller and Embedded Systems，2004，4（7）:38-41.

[4]李志華.智能視頻監控系統目標跟蹤與分類算法研究[D].浙江大學.2009.

[5]于哲舟.視頻流圖像內容檢索與運動目標檢測研究[D].吉林大學，2007.

[6]Parmo B.Aportable and scalablemonitoring systemfor cluster[J].Software Practiceand Experience，2000，12（7）:723-739.