基于LabVIEW的局域網(wǎng)監(jiān)控報警系統(tǒng)

陳培宏， 林楚濤， 鐘土基, 曹 輝， 羅夢嬋， 洪銳敏， 梁佩瑩(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 光信息工程系， 廣東 佛山 528000)

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基于LabVIEW的局域網(wǎng)監(jiān)控報警系統(tǒng)

陳培宏， 林楚濤， 鐘土基, 曹 輝， 羅夢嬋， 洪銳敏， 梁佩瑩
(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 光信息工程系， 廣東 佛山 528000)

基于LabVIEW虛擬儀器平臺開發(fā)出的局域網(wǎng)監(jiān)控報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過監(jiān)控服務(wù)端采集實時圖片，并利用TCP傳輸協(xié)議，將監(jiān)控現(xiàn)場圖像信息實時發(fā)送到監(jiān)控客戶端。并通過圖像報警模塊判斷監(jiān)控區(qū)域是否有異常情況發(fā)生，從而觸發(fā)報警，并將報警信號和報警圖片實時發(fā)送到監(jiān)控客戶端，在監(jiān)控客戶端觸發(fā)報警。通過本系統(tǒng)進行局域網(wǎng)監(jiān)控報警測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)監(jiān)控穩(wěn)定，報警靈敏，圖像傳輸保存穩(wěn)定高效，具有較高的監(jiān)控安全性，系統(tǒng)構(gòu)建簡單，造價較低，實現(xiàn)了局域網(wǎng)監(jiān)控報警功能。

LabVIEW； 局域網(wǎng)監(jiān)控報警系統(tǒng)； 圖像報警； TCP協(xié)議

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境的成熟，網(wǎng)絡(luò)傳輸已經(jīng)進入到我們生活的每一個方面，網(wǎng)絡(luò)的便利性正在改變著我們的生活。所以利用網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)控已經(jīng)成為監(jiān)控系統(tǒng)的一種必然趨勢，通過網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)遠距離監(jiān)控，實現(xiàn)在不同區(qū)域?qū)ν粎^(qū)域的高效監(jiān)控，實現(xiàn)統(tǒng)一管理，使監(jiān)控系統(tǒng)的效能發(fā)揮到最大[1]。目前監(jiān)控系統(tǒng)有廣域網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和局域網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。廣域網(wǎng)監(jiān)控是將監(jiān)控信息通過互聯(lián)網(wǎng)進行傳輸，并可以在不同地方進行遠程監(jiān)控。局域網(wǎng)監(jiān)控是在一個特定的區(qū)域內(nèi)，如學(xué)校、機關(guān)、企業(yè)等，通過局域網(wǎng)將監(jiān)控信息在局域網(wǎng)內(nèi)部進行高速安全地傳輸[2]。本系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)只能人為監(jiān)控的弊端，實現(xiàn)了自動監(jiān)控及報警，并可通過有線和無線的方式進行監(jiān)控，系統(tǒng)搭建方便，監(jiān)控效率高且能較高地保護監(jiān)控信息的隱秘性，監(jiān)控信息傳輸速率高，能減少通過監(jiān)控傳輸而帶來的網(wǎng)絡(luò)費用。

LabVIEW是一種圖像化編程語言，相比于其他語言采用文本的語言產(chǎn)生代碼來講，LabVIEW具有其特有的程序開發(fā)便利性[3]。根據(jù)本系統(tǒng)所要達到的目的和成本的最小化，選擇采用LabVIEW作為本系統(tǒng)的開發(fā)工具。并且由于Matlab在圖像處理方面具有強大的功能，所以本系統(tǒng)在圖像濾波處理中采用調(diào)用Matlab腳本節(jié)點來對圖像進行高效處理，充分發(fā)揮其特性，使系統(tǒng)更加高效穩(wěn)定。

1 監(jiān)控報警系統(tǒng)總體模塊設(shè)計

本系統(tǒng)是選擇C/S(Client/Server)傳輸模式，此傳輸模式?jīng)Q定了本監(jiān)控系統(tǒng)將分為監(jiān)控服務(wù)端和監(jiān)控客戶端，通過兩個端口的相互連接，實現(xiàn)實時監(jiān)控圖片和報警信號的局域網(wǎng)傳輸[4]。本監(jiān)控報警系統(tǒng)分為圖像采集模塊，圖像隊列保存模塊，圖像濾波處理模塊，圖像報警模塊，圖像傳輸模塊，報警信號傳輸模塊, 圖像接收保存模塊和圖像顯示模塊[5]。圖像采集模塊主要負責(zé)對當(dāng)前環(huán)境進行圖片實時采集；圖像隊列保存模塊主要負責(zé)將采集到的圖片按順序保存到指定的文件夾中；圖像濾波處理是將實時采集到的監(jiān)控圖片進行中值濾波法濾波；圖像報警模塊主要是將每一張圖片與之前采集到的圖片進行圖像差閾值法比對，從而判斷監(jiān)控區(qū)域的情況，并確定是否觸發(fā)報警；圖像傳輸模塊負責(zé)響應(yīng)監(jiān)控請求并將采集到的圖片通過TCP傳輸協(xié)議實時傳輸?shù)奖O(jiān)控客戶端；報警信號傳輸模塊將報警信號通過TCP傳輸協(xié)議發(fā)送到監(jiān)控客戶端，監(jiān)控客戶端將報警信號進行接收，并在監(jiān)控客戶端觸發(fā)報警；圖像接收保存模塊負責(zé)對服務(wù)端發(fā)送過來的監(jiān)控圖片進行接收并將接收到的圖片進行保存；圖像顯示模塊主要負責(zé)將接收到的監(jiān)控圖片進行顯示，使監(jiān)控客戶端能夠監(jiān)控到所要監(jiān)控的區(qū)域的實時圖像。本系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分別見圖1、2。

圖1 本系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)分為監(jiān)控服務(wù)端和監(jiān)控客戶端，服務(wù)端和客戶端分別在兩臺電腦上運行，客戶端發(fā)送監(jiān)控請求給服務(wù)端，而服務(wù)端響應(yīng)監(jiān)控端的請求，從而將采集到的圖片和系統(tǒng)產(chǎn)生的報警信號發(fā)送到客戶端，從而實現(xiàn)本系統(tǒng)的監(jiān)控報警要求。監(jiān)控服務(wù)端和監(jiān)控客戶端的運行流程分別如圖3、4所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖3 監(jiān)控服務(wù)端運行流程

圖4 監(jiān)控客戶端運行流程

2 系統(tǒng)設(shè)計程序框圖

2.1 圖像采集模塊

該模塊通過調(diào)用IMAQ USB Grab Acquire、IMAQ USB Grab Setup、IMAQ USB Init等控件進行圖像采集，先搜索電腦上的攝像頭，并配置攝像頭信息，然后在While循環(huán)內(nèi)進行圖片循環(huán)采集，并將圖片顯示在前面板上，最后關(guān)閉攝像頭[6]。通過運行該程序看到圖像采集模塊前面板上的圖像顯示窗口能將系統(tǒng)采集到的實時圖像顯示，系統(tǒng)運行穩(wěn)定流暢。圖像采集模塊前面板和圖像采集模塊程序框圖分別如圖5、6所示。

2.2 圖像隊列保存模塊

本模塊使用一個生產(chǎn)者消費者結(jié)構(gòu)。將生產(chǎn)環(huán)路采集到的攝像頭圖像送入隊列，然后再從隊列中釋放，并將采集到的圖片信息按順序保存到之前設(shè)定的文件夾中。運行該程序時，首先看到清晰流暢的監(jiān)控圖片信息，然后我們在前面板按下開始保存圖片按鈕，則攝像頭采集到的圖片將自動保存到我們設(shè)定的文件夾中。然后我們打開之前選定的文件夾，看到里面已經(jīng)按順序保存好采集到的圖片。圖像隊列保存的前面板、程序框圖及圖像保存情況分別見圖7～9。

圖5 圖像采集面板

圖6 圖像采集程序框圖

圖7 圖像隊列保存面板

圖8 圖像隊列保存程序框圖

2.3 圖像濾波處理模塊

圖像噪聲是圖像在采集或傳輸過程中被加入的，這些圖像噪聲會影響到圖片的質(zhì)量，給接下來的圖片處理產(chǎn)生影響。所以圖像濾波處理一直是圖像處理中的關(guān)鍵步驟，只有將圖片進行高效的濾波，才能使我們系統(tǒng)接下來的圖像操作取得更好的效果。

圖9 圖像保存情況

目前圖像濾波有很多種方法，主要有基于小波變換的圖像濾波法[7]，基本矢量方向濾波法，矢量中值濾波法等[8]。但是小波變換算法在去噪過程中很容易將圖像的邊緣信息破壞，導(dǎo)致圖像質(zhì)量降低[7]。基本矢量方向濾波法是一種消除圖片中脈沖噪聲和色調(diào)異常噪聲的濾波方法，但是其并沒考慮到濾波窗口內(nèi)空間距離對圖像處理的影響[9]。矢量中值濾波法是一種能有效消除圖像采集中的噪聲，濾除脈沖干擾，同時能較好地保存圖像信息的方法，但其也具有運算量大的不利因素[10-12]。

根據(jù)本系統(tǒng)的要求，選擇矢量中值濾波法對圖片進行處理。矢量中值濾波法為：在數(shù)組X1，X2，…，Xn(X1≤X2≤X3…≤Xn)中，把這n個數(shù)組按值大小排列如下：

(1)

得出的結(jié)果為序列X1，X2，…,Xn的中值[13]。

由于LabVIEW是圖形化編程語言，所以其在圖像處理方面不是很高效，而Matlab具有強大的圖像處理能力，所以通過調(diào)用Matlab進行圖像的中值濾波，從而實現(xiàn)圖像的濾波處理。Matlab中有一個中值濾波函數(shù)為medfilt2，并設(shè)置濾波模塊大小，則可將圖片進行中值濾波處理。圖10、11為原始采集圖像、濾波前強度圖像和濾波后強度圖像的對比[7]。

圖10 原始采集圖像

圖11 濾波前強度圖像和濾波后強度圖像的對比

2.4 圖像報警模塊

圖像報警的方法有多種，選擇采用相鄰兩幀圖片的差閾值法來進行圖片報警功能的實現(xiàn)。圖像差閾值法是根據(jù)

(2)

式中：A表示為圖像的區(qū)域;f(x,y,t)表示為圖像灰度序列在t時刻(x,y)點處的像素點的灰度值；Δt是時間間隔，是圖像幀間隔ΔT的整數(shù)倍；M是圖片中變化的像素點的個數(shù)；K為我們設(shè)定的報警閾值[14-15]。在進行圖像報警時先要在前面板中設(shè)定一個報警閾值，并初始化報警系統(tǒng)，則系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)在采集到的圖像作為報警的基準(zhǔn)點，接下來的每一張圖片都根據(jù)圖像差閾值法和前一張采集到的圖片進行對比，從而進行圖像報警。再根據(jù)實際的報警需求，調(diào)節(jié)前面板的報警閾值，從而找到最佳的報警閾值，使報警系統(tǒng)發(fā)揮其最大效用[16]。圖像報警模塊工作流程和程序框圖分別如圖12、13所示。

圖12 報警模塊工作流程

圖13 報警模塊程序框圖

2.5 圖像傳輸模塊

如圖14、15所示，該模塊將采集到的圖片通過TCP傳輸協(xié)議進行傳輸。先打開TCP連接，然后在While循環(huán)里面按發(fā)送名稱格式，發(fā)送名稱，發(fā)送圖片格式，發(fā)送圖片的順序?qū)D片循環(huán)發(fā)送給客戶端。運行該程序，程序自動從我們保存圖片的文件夾中提取出我們實時采集的圖片，然后按順序發(fā)送到請求監(jiān)控的客戶端中，我們觀察到本傳輸模塊能夠快速準(zhǔn)確地將采集到的圖片的名稱，圖片的格式及圖片的大小完整地發(fā)送到服務(wù)端中，使服務(wù)端能夠接收到完整的圖片信息[17,18]。

2.6 報警信號傳輸模塊

本監(jiān)控報警系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵步驟是實現(xiàn)報警信號的實時傳輸，在計算機通過算法判斷出監(jiān)控區(qū)域異常而在監(jiān)控服務(wù)端觸發(fā)報警時，將報警信號通過TCP傳輸協(xié)議實時傳遞到監(jiān)控客戶端，當(dāng)監(jiān)控客戶端接收到監(jiān)控服務(wù)端發(fā)送過來的報警信號時馬上觸發(fā)報警，系統(tǒng)發(fā)出報警聲音并且前面板的報警指示燈亮起。從而提醒監(jiān)控人員進行處理。報警信號傳輸?shù)亩丝诒仨毰c圖片傳輸?shù)亩丝诓灰恢拢拍鼙苊鈹?shù)據(jù)堵塞[18]。

2.7 監(jiān)控服務(wù)端和監(jiān)控客戶端的整合調(diào)試

將監(jiān)控服務(wù)端和監(jiān)控客戶端的各個模塊進行整合連接，并在運行過程中進行各項測試，使服務(wù)端和客戶端能夠?qū)崿F(xiàn)其各自的功能。監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)端由圖像采集模塊，圖像隊列保存模塊，圖像濾波處理模塊，圖像報警模塊，圖像傳輸模塊，報警信號發(fā)送模塊組成，各個模塊負責(zé)各自的功能，從而使監(jiān)控服務(wù)端起到響應(yīng)監(jiān)控請求，進行監(jiān)控圖片傳輸和報警信號傳輸?shù)念A(yù)定功能。監(jiān)控客戶端由報警信息接收模塊, 圖像接收保存模塊和圖像顯示模塊組成，從而使監(jiān)控客戶端能夠向監(jiān)控服務(wù)端發(fā)送監(jiān)控請求并對監(jiān)控圖片和報警信號進行接收，實現(xiàn)對監(jiān)控現(xiàn)場的高效監(jiān)控。通過監(jiān)控服務(wù)端和監(jiān)控客戶端的調(diào)試，對系統(tǒng)進行測試，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定流暢，具備高效的監(jiān)控能力。監(jiān)控服務(wù)端和監(jiān)控客戶端程序框圖分別如圖16、17所示。

圖14 監(jiān)控服務(wù)端發(fā)送程序

圖15 監(jiān)控客戶端接收程序

3 客戶端和服務(wù)端間實現(xiàn)多對一監(jiān)控

社會中常常需要在多個地方實現(xiàn)對同一個地方的監(jiān)控，所以實現(xiàn)監(jiān)控客戶端和監(jiān)控服務(wù)端之間的多對一監(jiān)控將解決很多監(jiān)控管理上的困難，實現(xiàn)統(tǒng)一管理。本系統(tǒng)通過設(shè)置不同的發(fā)送和監(jiān)聽端口實現(xiàn)這一功能。在監(jiān)控服務(wù)端中設(shè)置多個發(fā)送端口，并且各個客戶端對應(yīng)服務(wù)端的各個端口，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，從而實現(xiàn)多對一監(jiān)控，提高了整個系統(tǒng)的監(jiān)控效率。實現(xiàn)不同地方對同一地方的實時監(jiān)控[5]。

4 整個系統(tǒng)的整合調(diào)試

(1) 由于我們的傳輸是通過局域網(wǎng)傳輸，所以我們在局域網(wǎng)中進行有線和無線的傳輸測試。通過測試使用有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)都能對圖片進行穩(wěn)定傳輸顯示，但是由于無線路由器不夠穩(wěn)定的問題，有線傳輸比較穩(wěn)定快速。

(2) 多對一測試，通過在不同地方運行多個監(jiān)控客戶端對監(jiān)控服務(wù)端發(fā)送過來的圖片進行接收，發(fā)現(xiàn)多個客戶端均能進行穩(wěn)定的圖像和報警信號接收，不會出現(xiàn)傳輸擁堵現(xiàn)象，從而達到多對一監(jiān)控的需求。

(3) 報警測試，當(dāng)我們走進報警區(qū)域時，監(jiān)控服務(wù)端觸發(fā)報警，響起了報警聲音并且前面板的報警指示燈亮起，同時監(jiān)控客戶端也響起了報警聲音并且報警指示燈亮起。通過調(diào)節(jié)監(jiān)控服務(wù)端前面板的報警閾值，我們可以根據(jù)我們的需要選擇最佳的報警閾值，從而在保證監(jiān)控效率的同時減少錯誤報警。

5 結(jié) 語

隨著社會的發(fā)展，人們對安防的要求越來越高，而且對保護監(jiān)控內(nèi)容的隱秘性也有很高的要求，本系統(tǒng)通過局域網(wǎng)傳輸，具有安全、傳輸速率高等優(yōu)點，可以在無線和有線的局域網(wǎng)中進行遠程監(jiān)控，實用性高，是一種穩(wěn)定可靠的監(jiān)控方式。且系統(tǒng)是基于LabVIEW的監(jiān)控報警系統(tǒng)，利用LabVIEW強大的編程功能，在C/S(Client/Server)模式下，通過TCP傳輸協(xié)議將監(jiān)控圖片進行局域網(wǎng)傳輸，實現(xiàn)監(jiān)控報警功能，并將監(jiān)控圖片進行保存。突破了傳統(tǒng)監(jiān)控軟件只能一對一監(jiān)控的局限性，實現(xiàn)了多對一監(jiān)控的目的，使監(jiān)控效率得到較大的提高。也解決了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)只能進行人為監(jiān)控，浪費勞動力的弊端，通過圖像報警使監(jiān)控效率最大化，而且監(jiān)控圖片也成為警方破案的強有力證據(jù)。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，安全系數(shù)較高，傳輸速度快，在反復(fù)的測試下，已經(jīng)驗證了圖像傳輸及圖像報警的穩(wěn)定性，系統(tǒng)搭建方便，成本較低，適合企業(yè)、機關(guān)、學(xué)校、家庭等地方的安防監(jiān)控。

圖16 監(jiān)控服務(wù)端程序框圖

圖17 監(jiān)控客戶端整體程序框圖

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LAN Monitoring Alarm System Based on LabVIEW

CHENPei-hong，LINChu-tao，ZHONGTu-ji，CAOHui，LUOMeng-chan，HONGRui-min，LIANGPei-ying
(Department of Photoelectric Information and Engineering，F(xiàn)oshan University, Foshan 528000, China)

A local area network (LAN) monitoring and alarm system based on LabVIEW and virtual instrument platform is discussed in this paper. Realtime images are acquired by the monitoring service nodes, and then are transmitted by TCP protocol. The system delivers the field images to the monitoring client side in time. The system also uses an algorithm to distinguish target zone where the event happens and trigger the alarm. Once alarm is triggered, the alarm event and the field images will be delivered to monitoring client side in time. In the field test, the system behavior is stable and sensitive enough, and the image transmission is stable and highly efficient This LAN monitoring and alarm system has been architected in a lean way and very effective, it can provide the full ability of achieving the LAN monitoring and alarm functionalities.

LabVIEW; LAN monitoring and alarm system; image based alarm; TCP protocol

2014-07-04

國家自然科學(xué)基金項目(61275214)；廣東省自然科學(xué)基金項目(S2013010012973)

陳培宏(1993-)，男，廣東潮州人，本科生，主要研究方向為光電信息處理技術(shù)。

梁佩瑩(1975-)，女，廣東佛山人，博士，講師，主要研究方向為光信息處理，光學(xué)檢測與傳感器。

E-mail：13450809109@163.com

TP 274

A

1006-7167(2015)02-0105-06