一種遠程監控報警系統的設計

余　湧　馬婭婕　彭攀來　劉智旸

(武漢科技大學信息科學與工程學院，湖北 武漢　430081)

一種遠程監控報警系統的設計

余湧馬婭婕彭攀來劉智旸

(武漢科技大學信息科學與工程學院，湖北 武漢430081)

摘要：以開源硬件Raspberry Pi作為監控與報警系統的核心，結合WebCam攝像頭，運用成熟的GPRS技術，設計了一種適用于家庭安防和無人值守等領域的遠程自動監控報警系統。介紹了系統的總體結構、功能，硬件組成、軟件結構與功能模塊，以及各部分之間的通信方式。當系統偵測到攝像頭監控畫面中有物體發生明顯移動時，將自動捕捉并以電子郵件的形式發出物體運動圖像，同時保存圖像和視頻片段并向用戶發送報警信息，從而實現遠程監控報警。經過測試運行，系統能夠正常、穩定地工作，可靠性較高，具有一定的使用價值。

關鍵詞：Raspberry PiGPRS遠程自動監控安防監控報警運動圖像自動捕捉可靠性

Reliability

0引言

隨著信息技術的快速發展，人們越來越感受到高科技給生活帶來的便利。如何利用現有的無線網絡技術打造一個既經濟又實用的遠程自動監控系統，已成為人們關注的熱點[1]。

傳統的監控系統功能強大、應用范圍廣泛，但系統結構復雜、價格昂貴，由于安裝時資金投入過多，普通家庭一般不會選擇專門安裝。隨著監控技術的不斷發展，監控產品更新換代十分頻繁，新技術層出不窮，實用性強、性價比高的產品受到人們的青睞。樹莓派(Raspberry Pi)是英國一個小型慈善組織開發的一款基于Linux系統的、只有信用卡大小的迷你電腦。其通過裝載相關應用程序，可以實現監控功能，且具有體積小、價格低廉、功耗低等優點[2]。

以開源硬件Raspberry Pi作為應用開發平臺，結合成熟的GPRS技術，依托motion應用和mutt郵件系統，將圖像信息以電子郵件附件的方式通過GPRS網絡發送給用戶，同時通過GPRS模塊向用戶發送一條短信進行提醒；用戶可以通過PC、手機等設備進入郵箱查看相關監控畫面，實現了監控信息的遠程傳遞和報警信息的實時發送，適用于安防監測領域。

1系統總體結構

遠程監控報警系統主要由監控與報警系統終端和用戶端組成。監控與報警系統終端主要由開源硬件Raspberry Pi、USB攝像頭、GPRS模塊和電源模塊組成。Raspberry Pi與GPRS模塊之間通過UART接口進行連接，GPRS模塊通過撥號的方式接入互聯網。由于Raspberry Pi運行的是Linux系統，因此可以很方便地根據不同的應用環境裝載不同的應用程序，實現所需的功能。Raspberry Pi搭載motion和mutt這兩款應用[3]。USB攝像頭負責監控區域圖像信息的采集，再經過motion軟件進行相關的分析和判斷。當偵測到攝像頭監控區域內有物體發生明顯運動時，motion軟件對該時刻的圖像信息進行捕捉并保存視頻片段；調用mutt郵件系統相關組件，通過GPRS網絡將圖像信息以附件的形式發送到用戶的郵箱，同時發送一條報警短信來提醒用戶，用戶登陸郵箱即可查看相關情況。系統總體結構圖如圖1所示。

圖1　系統總體結構圖

2系統硬件介紹

所設計的遠程監控報警系統的硬件部分主要由Raspberry Pi部分和GPRS模塊組成，下面分別對這兩部分進行詳細的介紹。

①Raspberry Pi部分：這里采用的是Raspberry Pi B+型號，該型號樹莓派僅有信用卡大小，配備一枚博通出產的ARM11架構BCM2835處理器，有著強大的系統功能和豐富的接口資源。圖2為Raspberry Pi的硬件資源及端口。

圖2　Raspberry Pi部分端口接口結構圖

這一型號的Raspberry Pi包括一枚700 MHz處理器，具備512 MB內存，支持Micro SD卡和Ethernet，擁有4個USB接口，支持HDMI和RCA端口輸出以及1 080 P視頻。通過裝載相應的Linux系統和應用程序，Raspberry Pi可以實現強大的功能，且具有功耗低、體積小等優點，非常適用于小型應用開發。目前，Raspberry Pi在國內外高端DIY開發中應用廣泛，同時可以擴展出各種常用的通信端口，例如UART端口、IIC端口以及SPI端口等，豐富的端口可為日后相關功能的擴展提供便利。

系統采用Raspberry Pi來讀取并處理USB攝像頭采集到的視頻圖像數據，用motion軟件對采集到的圖像信息進行處理與分析。motion軟件的功能強大，不僅能通過視頻的方式實時展現監控畫面，還可以感知圖像中物體的運動，隨之觸發一定的事件。這對于監控報警來說至關重要。

系統無須將視頻、圖像數據全部上傳到郵箱服務器中，只須在監控到圖像中有物體發生明顯運動時，觸發郵件系統相關組件發送電子郵件、觸發短信腳本文件發送報警信息，同時保存這一時刻的圖像。這樣做大大減少了GPRS流量，節省了費用。

②GPRS模塊：GPRS是一種適用于間歇性、突發性的或頻繁、少量數據傳輸的無線通信技術。隨著移動通信技術的發展，GPRS網絡信號幾乎無處不在。為確保數據傳輸過程中的即時性和可靠性，可以充分利用GPRS網絡的覆蓋區域廣和通信網絡具備識別錯誤的能力等優點。這里使用型號為SIM900A的GPRS模塊，該部分結構如圖3 所示。

圖3　GPRS模塊部分結構圖

SIM900A模塊是SIMcom公司生產的工業級雙頻模塊，由于該型號模塊內部集成有TCP/IP協議棧，可以通過Raspberry Pi的UART端口發送AT指令來控制，包括與互聯網之間的通信和發送報警信息等。模塊將UART端口接收到的原始數據轉換成TCP/IP數據包進行傳送。

3系統的配置與設計

由于所設計的遠程監控與報警系統主要通過motion軟件進行監控，并通過郵件系統將監控圖像信息發送到用戶郵箱，因此，安裝并配置好motion軟件以及設計與配置郵件系統就成為設計的重點。為了將運動捕捉與郵件發送功能聯系起來，在此采用開源且功能強大的SSMTP和mutt來實現郵件的發送功能。

3.1安裝及配置motion

使用命令sudo apt-get install motion安裝motion視頻監控軟件，然后用文本編輯工具打開/etc/default/目錄下的motion文件和/etc/motion/目錄下的motion.config文件，對該配置文件進行適當的修改(包括start_ motion_daemon、daemon mode、target_dir等)；還可以根據需要，適當地調整攝像頭捕捉畫面的高度、寬度和幀頻等。其中一個重要的配置是threshold，配置完成后即可啟動。當motion發現圖像的某一區域像素變化超過該值時，將會捕捉畫面，因此可以適當地對其進行調整，以改變動作捕捉的敏感度。

配置完成的motion軟件工作流程如圖4所示。

圖4　motion工作流程圖

當開啟motion視頻監控進程時，motion會以一定幀速拍攝JPEG的監控圖像，當偵測到畫面中有指定大小的像素變化時，即可以認為監控范圍內有物體發生運動，motion將觸發一個事件。該事件用腳本文件來實現，其作用是記錄下物體發生運動的時間，并把這個時間值存到/home/pi/motion/tmp/videotime文件中。

當檢測到運動之后，如果連續6 s內的畫面像素變化值均小于閾值，即不能再檢測到運動時，則觸發第二個事件(motion_end.sh)。該事件的作用是查找指定的圖像文件，并將圖像文件以郵件附件的形式發送到用戶指定的郵箱，并向用戶發送一條報警短信；同時，將圖像文件和該時刻的視頻片段保存到外部擴展的大容量存儲設備中，便于日后查看。

3.2郵件系統的安裝與配置

當motion偵測到畫面中有物體運動圖像后，系統即觸發郵件系統相關組件，向用戶發送電子郵件，因此還需要將運動捕捉和郵件發送聯系起來。這里通過安裝配置郵件傳輸代理程序SSMTP和郵件客戶端mutt來實現這一需求。

3.2.1安裝SSMTP

在Raspberry Pi中使用SSMTP應用程序來發送通知郵件。SSMTP是一個輕量級的郵件傳輸代理程序(mail transfer agent，MTA)，其最大優點在于配置簡單，所以很適合在Raspberry Pi上使用。

使用$ sudo apt-get install ssmtp命令來安裝SSMTP，安裝完成后對文件路徑為/etc/ssmtp/ssmtp.conf的配置文件進行適當修改。完成SSMTP的配置后，還須將運動捕捉和郵件發送聯系起來。當motion捕捉到物體運動時刻的圖像信息后，通過mutt調用SSMTP發送郵件。

3.2.2安裝mutt

mutt是Linux下的一個輕量級的e-mail客戶端，可以通過$ sudo apt-get install mutt命令進行安裝。mutt通過管理不同的、專門針對某一郵件功能的軟件來完成郵件的編輯、收發等功能。其中，以設置調用vi、nano等文本編輯器進行編輯操作。發送郵件時，它將發出的信件放到sendmail的隊列里。當需要數字簽名時，mutt會把信件交給GnuPG等程序進行處理，然后再發送出去。mutt可以發送帶有文件附件的郵件，并且配置簡單，只須提供MTA程序的路徑(這里用SSMTP的安裝路徑)即可。配置方法是在Raspberry Pi的用戶主目錄中增加一個.muttrc文件，該文件僅需一行內容：

Setsengmail=”/usr/sbin/ssmtp”

因此，不需要再對創建的文件進行編輯，而是使用命令$ echo “set sendmail=”/usr/sbin/ssmtp””>～./muttrc，即可完成整個過程。

4提高系統可靠性的措施

由于Raspberry Pi采用Micro SD卡作為“硬盤”，Raspberry Pi中運行的操作系統及其應用都須安裝在這張Micro SD中。而motion在實時視頻監控的應用過程中，會產生大量的圖片和視頻文件。如果將圖片和視頻文件保存在Micro SD卡中(Raspberry Pi的存儲設備一般為SD卡，硬盤或U盤等大容量存儲設備可通過USB口進行擴展)，會對Micro SD卡進行大量、頻繁的寫操作，從而極大地縮短Micro SD卡的使用壽命。因此，采用tmpfs文件系統來解決這一問題[4]，tmpfs文件系統是Linux為解決這類問題而提供的一種解決方案。

由于監控與報警系統是通過GPRS模塊接入互聯網的，因此GPRS模塊的工作穩定性就顯得尤為重要。GPRS模塊在長時間無數據傳輸時會導致網絡斷線。這里主要采用心跳包機制來提高模塊工作過程的可靠性。SIM900A模塊通過接收UART端口發送的AT指令與Internet建立連接，當模塊一段時間內不進行數據傳輸時，GGSN會斷開模塊的網絡連接，以節省信道資源。為了避免網絡中斷，系統設定每隔2 min向監測中心服務器發送一小段格式固定的心跳信息，以保證模塊長期在線[5]。同時，由于Raspberry Pi的CPU具有硬件看門狗芯片的功能，為了防止Raspberry Pi在運行過程中意外死機，通過安裝模塊和值守程序來啟動看門狗守護進程。

5結束語

本文設計了基于Raspberry Pi、GPRS技術的遠程監控報警系統。該系統充分利用開源硬件Raspberry Pi的優勢，結合資源豐富且免費的Linux應用和因技術成熟而廣泛使用的GPRS技術，集功耗低、體積小、功能強大且價格合理于一體。

經過測試，當攝像頭前方有物體發生明顯移動時，

motion軟件能將捕捉到的運動物體用矩形框標記出來，并觸發郵件系統發送包含圖像的郵件，向用戶發送報警短信，同時將該時刻的圖片和視頻片段保存到外部大容量存儲設備中，達到了預期效果。該系統適用于家庭安防、無人環境值守等遠程監控報警領域。

參考文獻

[1] 崔盈慧,李海良,陳光.網絡視頻監控系統設計方案淺析[J].城市建設理論研究,2015,19(5):1-3.

[2] MEMBREY P,HOWS D.樹莓派學習指南:基于Linux[M].北京:人民郵電出版社,2014:165-184.

[3] GIRLING G.Raspberry Pi實戰攻略[M].北京:人民郵電出版社,2014.

[4] 伍之昂.Linux Shell編程從初學到精通[M].2版.北京:電子工業出版社,2015.

[5] 王奇武,周鳳星,嚴保康.高壓線塔塔基穩定性監測系統的設計[J].電子技術與應用,2014,40(3):136-129.

Design of a Remote Monitoring and Alarming System

Abstract：With the open source hardware Raspberry Pi as the core of the monitoring and alarm system, combining with the WebCam camera, and using the mature GPRS technology, the remote automatic monitoring and alarming system which is suitable for home security and unattended areas is designed.The overall structure, functions and hardware composition, software structure and function modules as well as the communication mode among all the parts are introduced.In order to achieve the purpose of the remote monitoring and alarming, when obvious moving of the object is detected in monitoring graphics of camera, the image is captured automatically and sent by E-mail, and the image and video segment are saved; the alarm information is also sent to the user.From the tests, it is found that the system operates stably and reliably, it has certain applicable value.

Keywords:Raspberry PiGPRSAutomatic remote monitoringSecurity mornitoringAlarmMotion imageAutomatic capture

中圖分類號：TH86;TP368

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606016

國家自然科學基金青年基金資助項目(編號：61104215)；

武漢省教育廳科學研究計劃基金資助項目(編號：D20151106)；

武漢科技大學大學生科技創新基金資助項目(編號：14ZZC150)。

修改稿收到日期：2015-10-17。

第一作者余湧(1990-)，男，現為武漢科技大學控制科學與工程專業在讀碩士研究生；主要從事傳感器網絡、嵌入式應用方向的研究。