嵌入式遠程實時監控圖像傳輸控制系統設計

(成都廣播電視大學 開放教育學院，成都 610051)

嵌入式遠程實時監控圖像傳輸控制系統設計

王琰

(成都廣播電視大學開放教育學院，成都610051)

針對當前圖像傳輸過程易出現信息丟失、耗時過長等問題，提出一種嵌入式遠程實時監控圖像傳輸控制系統設計方法;該設計方法基于STM32模式，通過STM43模式連接電源電路、接口電路、監控數據傳輸電路模塊，到監控圖像傳輸控制系統整體結構，將監控圖像數據經IP網絡與客戶端相連實現監控圖像傳輸，最后分別對監控信號處理模塊和圖像檢測模塊的算法進行優化;實驗證明，所設計系統有效避免了圖像傳輸中圖像信息丟失現象，具有實踐價值。

STM32模式；監控圖像；傳輸控制

0 引言

隨著計算機技術不斷發展，各行業中對于圖像傳輸過程提出了更高的要求[1]。監控圖像傳輸控制系統圍繞著監控系統硬件設計、監控圖像管理和監控圖像傳輸控制支持在軟件開發中需要遵守的原則[2]，將計算機科學、管理科學和數學等結合起來，借鑒傳統的方法及原則對監控圖像傳輸控制系統進行開發[3]。當前的監控圖像傳輸控制系統并不能很好地圍繞著該原則進行設計，不能滿足現代監控系統開發的需求[4-5]。在這種情況下，如何使軟件工程實時監控圖像系統的更加完善，使軟件開發更加順利安全，成為目前急需解決的問題[6]。基于STM32模式的軟件工程實時監控圖像系統方法，可以有效解決上述問題[7]。

文獻[8]提出一種基于LABVIEW的實時監控圖像傳輸系統方法。該方法設計監控信息數據傳輸等相關硬件，制定開發任務書。該方法具有實用性與先進性，但軟件工程監控的結果不清晰。文獻[9]提出一種基于GPRS的實時監控圖像傳輸系統方法。對當前的監控管理系統進行升級，對系統中存在的問題進行分析。然后對該系統的硬件設備和參數進行詳細的概述，利用GPRS對遠程實時監控系統的整體設計和實現進行剖析。該系統雖然效率較高，但是實現的過程略繁瑣。文獻[10]提出一種基于uIP和RFID的實時監控圖像系統方法。該方法分析J2EE開發技術以及Web開發技術。在系統功能設計中，首先對系統開發環境以及開發路線進行介紹，其次對系統實現的關鍵技術進行分析，給出系統中的主要功能模塊運行界面，最后對系統測試進行討論。該方法實時監控圖像系統的速度較快，但是系統設計成本較高。

針對上述產生的問題，提出一種基于STM32模式的嵌入式實時監控圖像傳輸控制系統設計方法。實驗證明，所設計系統有效避免了圖像傳輸中圖像信息丟失現象，具有實踐價值。

1 嵌入式實時監控圖像傳輸控制系統方法

1.1 圖像傳輸控制系統硬件設計

基于Zigbee+多Socket的輪對圖像傳輸與處理硬件電路設計，設計了多路輪對圖像傳輸與處理的硬件架構，整個系統分成圖像采集模塊、數據傳輸模塊、Zigbee邏輯控制模塊和Socket數據處理模塊。介紹了TCP/IP協議棧的層次結構，完成基于硬件協議棧芯片W5300的以太網功能模塊設計；對Zigbee與Socket之間的數據接口電路以及外擴的CortexA8和Linux存儲器接口進行詳細設計，并完成了整個系統硬件平臺的搭建。

圖1 系統硬件設計

圖像在經過壓縮編碼后通過串行口直接發送出去，通信協議控制模塊完成串行通信協議控制。以電話屏幕圖像為例，在使用時，通過接收軟件撥打遠端發送方的電話號碼，監控現場的攝像機所拍攝的圖像便顯示在接收方的電腦上，接收該圖像的同時，用接收軟件可以控制鏡頭的轉動，還可以接收到的圖像保存在接收端電腦硬盤上，用錄像播放器可以隨時播放，如果想要對某一時刻圖像進行仔細觀看，可以選擇視頻菜單中的抓拍。圖像傳輸系統的輸入端口決定了連接攝像機的數量。在圖像傳輸過程中，通過接收軟件可調節圖像分辨率、圖像的清晰度和傳輸速率。其中，圖像的清晰度和傳送速率成反比，圖像愈清晰，傳輸速度愈慢。

1.2 監控圖像數據傳輸電路設計

L1是共模電感，而L2，L3是差模電感，是用來抑制監控數據傳輸過程中騷擾電場生成的共模的干擾以及差模的干擾，電感量應該盡量大一些，由此監控管理系統抗干擾的效果更好。

圖2 監控圖像數據傳輸電路圖

D21為36 V的TVS管，圖中的C14為2 kV高壓電容，如果線路中存在高壓脈沖，浪涌管會馬上導通，通過高壓電容把高壓脈沖經地線放掉，連接在線間安規電容，以濾除監控數據傳輸中的雜波。從而使嵌入式實時監控圖像系統數據的信號傳輸更加穩定。

在實時監控圖像數據傳輸電路中，監控數據傳輸的供電電路被安裝在其內部，其中包含監控器與傳感器供電，上圖只給出了供電的電路外部的輸出端電磁干擾電路，其外部24 V輸出的是供電電路，為監控管理系統傳感器提供供電的輸出端。內部電路包含發射功率放大器、低噪聲接收放大器以及晶體振蕩器等電路，在圖像信息接收模式中，所接收的射頻調制的數字信號被低噪聲放大器放大。

1.3 Camera Link接口電路設計

Camera Link接口電路圖中，為了提高接口電路通用性，使該接口電路能夠適應系統中的各種設備，除了采取光電耦合器對其進行隔離，還在監控數據輸入端口根據可調節電位器Rw對電路信號的大小進行調節，改變跳線器S1的插塊位置，以適應電路信號極性變化。多路跳線器S2輸出端I1.1～I8.1利用監控系統總線的輸入單片機I/O來擴展接口，該接口電路可以容納多個設備的信號輸入，通過實驗完成了Camera Link接口相機圖像的采集和顯示。

圖3 Camera Link接口電路設計

1.4 監控系統實時模塊設計

監控模塊主要利用監控信號處理，并估計監控圖像像素導數值，從而完成監控圖像檢測。

圖4 監控系統實時模塊設計圖

1.5 監控系統整體結構設計

在系統整體結構示意圖中，監控數據采集模塊將圖像數據通過轉換器進行各路轉換，監控系統的終端包括電源電路、接口電路、傳輸電路以及監控管理模塊，這幾個模塊分別將接收到的數據傳送到PC機中，PC機將接收到的數據傳輸到計算機，對監控數據進行存儲。

圖5 監控系統整體結構示意圖

系統向監控數據采集發出指令，每隔1 s軟件對監控裝置內的各個節點進行監控數據采集，將獲取的圖像數據轉換為數字圖像數據，利用電源電路、接口電路、監控數據傳輸電路以及監控管理模塊相通，完成軟件工程管理系統整體構造的設計。

1.6 遠程監控系統電源模塊設計

在遠程監控系統電源電路圖中，根據操作節569KA的常閉聯鎖導致665KA經常自鎖電路的情況，加上570QS后，665KA依靠自鎖電路獲得電流，監控裝置也將得到電流，裝二極管Ⅰ的原因是如果系統電源斷開570QS之后，將向401線供電的電源切斷，二極管Ⅱ的安裝是避免監控裝置短路，從而使465線失電。由此電源電流可以更通常地為系統提供電。

圖6 遠程監控系統電源電路圖

2 STM32遠程監控圖像

2.1 監控圖像切換檢測模塊

利用Sobel算子對監控圖像進行檢測。其原理是利用卷積估計各個監控圖像像素點的u與v方向的導數值，將圖像的中心像素點與離它最近的像素點融合，該像素點為8個3*3方形窗，所輸出的9個圖像像素點，各像素點乘一個系數之后再相加。這個系數一般為一個卷積表。將上述的3*3方形窗所輸出的9個圖像像素點的數據(P1,P2，…,P9)，和卷積表做卷積，獲得G(u)與G(v)，對G(u)與G(v)分別取絕對值，然后相加，獲得最后結果G(u,v)，就是3*3方形窗中心像素點利用Sobel邊緣檢測得到的結果。上述計算的完成根據流水方式，劃分為5級流水，可以使每個監控圖像均可獲得一個計算結果。運算過程如下：

G(u)=-P1+P3-2P4+2P6-P7+P9=

[(P3+P9)+(P6+P6)]-[(P1+P7)+(P4+P4)]

(3)

G(v)=P1+2P2+P3-P7-2P9=

[(P3+P1)+(P2+P2)]-[(P8+P8)+(P7+P9)]

(4)

G(u,v)=|G(u)|+|G(v)|

(5)

綜上可知，第一級是8個加法，第二級是4個加法，第三級是2個減法，第四級是2個取絕對值的運算，第五級是1個加法，根據該計算結果完成檢測。

2.2 實時監控圖像信號采集處理模塊

在嵌入式STM32環境中對監控圖像系統的監控信號進行處理，為了減小噪聲對信號處理的影響，在監控信號處理過程中，利用小波變換中的軟硬閾值消噪法不同的特點，加入α因子，并提出了一種折中的軟硬閾值方法實現監控圖像信號的處理，具體的估計公式為：

(6)

由上式可知，當α取值為0與1時，上式就是硬閾值與軟閾值的估計方法，該方法簡單、方便，可以有效改進軟硬閾值去噪法的缺點，得到更好的去噪效果，還可以進一步提升監控圖像信號的信噪比。

去噪之后嵌入式實時監控圖像信號的信噪比取決于α因子大小，α越大，監控信號失真就越嚴重，震蕩就越小；α越小，監控信號失真就越少，震蕩就越嚴重。分解尺度大小對去噪之后的監控信號信噪比有很大影響，如果分解的尺度過小，那么就不可以將信號噪聲與信號徹底分離，如果分解的尺度太大，那么將會造成嚴重的監控信號失真。α因子太大或者太小或者分解尺度的變化均會使信噪比降低，因此必須選擇適合的α因子和分解尺度。在本文中將信噪比作為目標函數，對α因子和分解尺度的選擇進行了優化，獲取了最優的α值和最優的分解尺度，最佳的去噪效果和最高信噪比增益。信噪比RSNR表示如下：

(7)

3 實驗結果與分析

為了證明基于STM32模式的嵌入式實時監控圖像傳輸控制系統方法的整體性能，需要進行一次實驗，在POSIX的環境下搭建嵌入式圖像監控管理實驗平臺。實驗數據取自于北京凱思昊鵬軟件工程技術有限公司，觀察本文所提方法的可行性。

3.1 實驗參數

實驗過程中監控的脈沖電壓為60 V，受干擾設備處電壓峰值為353.563 mV，保證監控電壓不對監控中的設備造成損壞，可以有效減弱脈沖電壓干擾，在整個實驗中，監控主電源接入24 V的開關電源，實驗備用電源接入的是24 V蓄電池。打開監控主電源，將任意1小時的嵌入式實時監控圖像調出，利用不同方法對該段監控圖像進行檢測，檢測結果如表1所示。

3.2 實驗步驟

1)分別利用不同方法，對凱思昊鵬軟件工程技術有限公司某一具體軟件開發過程進行實時監控，監控時間為1小時。

2)利用監控電路中的核心器件CD40106通過直流供電的大小，改變監控信號的幅值，觀察不同方法在1小時內個別時間段的傳輸誤碼率，監控信號處理所用能耗，以及得到的監控信號所占監控系統存儲空間大小。

3)采用不同方法對監控圖像傳輸時的能耗及遺漏率進行對比，增加圖像傳輸控制系統的效率及精度。

3.3 實驗結果顯示

表1是不同方法嵌入式實時監控圖像傳輸耗時對比。

表1 不同方法監控圖像傳輸時間對比

在表1中，文獻[8]所提方法的傳輸時間與文獻[10]方法的傳輸時間差不多，但明顯高于本文方法傳輸同等數量圖像的耗時，且本文方法傳輸2500幅圖像所需時間在10JZs以內，由此可以證明本文所提方法的有效性與實時性能。

表2是不同方法監控圖像數據占系統存儲空間對比。

表2 不同方法監控數據占系統存儲空間對比 KB

由表2可知，在不等的監控數據下，文獻[9]所提方法監控圖像數據占系統存儲空間，明顯要比本文所提方法監控圖像數據所占系統存儲空間大。文獻[9]所提方法對圖像監控數據庫進行設計時，沒有設置數據庫建設的具體指標，導致監控數據所占系統存儲空間較大。本文所提方法監控管理主系統構造中，監控數據采集模塊發揮了重要作用，它將采集到的監控數據進行了處理，將冗余監控數據進行了過濾，減少了監控數據所占系統存儲空間。圖7是不同方法監控信號處理所用能耗(ε)對比。設該能耗單位為ε。

圖7 不同方法監控圖像傳輸所用能耗對比

分析圖7可知，圖像傳輸所用能耗應隨著，監控處理所用時間的增加而增加，本文所提方法監控信號處理所用能耗，要遠少于文獻所提方法監控圖像信號處理所用能耗。本文所提方法利用了小波變換中的軟硬閾值消噪法不同的特點，并加入了α因子，提出了一種折中的軟硬閾值方法實現監控信號的處理，減少了監控信號處理所用能耗。進一步證明了本文所提方法的可靠性。圖8是在不同信噪比(dB)下，不同方法監控圖像傳輸的率(%)對比。下式為誤碼率(%)計算公式：

(7)

由圖8可知，本文所提方法監控圖像傳輸的遺漏率，相比文獻所提方法的圖像傳輸遺漏率較低。因為本文方法將信噪比作為目標函數，對α因子和分解尺度的選擇進行優化，獲取最優α值和最優分解尺度，最佳去噪效果和最高信噪比增益，大大減少圖像傳輸的遺漏率，增加本文所提方法的可信度。

實驗證明，本文所提方法對遠程實時監控圖像系統的設計具有適用性，最大程度地減少軟件開發時出現的各種意外狀況，有利于提高軟件開發系統的運行效果，具有較高實際意義。

圖8 不同方法監控圖像傳輸遺漏率對比

4 結束語

針對當前嵌入式遠程實時監控圖像傳輸控制系統容易出現傳輸速度慢、信息遺漏的現象，提出一種基于STM32模式的嵌入式遠程實時監控圖像傳輸控制系統，該系統能夠有效避免當前方法的漏洞。經仿真實驗證明，所提方法系統設計具有圖像信息傳遞完整、耗時少的優點，為未來嵌入式遠程實時監控圖像傳輸控制系統開發提供幫助。

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DesignofEmbeddedRemoteRealTimeMonitoringImageTransmissionControlSystem

Wang Yan

(Open Education Institute, Chengdu Radio & TV University, Chengdu 610051,China)

In view of the current information transmission process prone to loss of information, time-consuming and so on, this paper proposes a design method of embedded remote real-time monitoring image transmission control system. The design method based on STM32 mode, connect the power supply circuit, interface circuit, data transmission circuit module through the STM43 mode, to the overall structure of monitoring image transmission control system, the monitoring of image data by IP network and client connected monitoring image transmission, finally on Algorithm of monitoring signal processing module and the image detecting module is optimized. Experimental results show that the designed system effectively avoids the loss of image information in image transmission and has practical value.

STM32 mode; monitoring images; transmission control

2017-07-22；

2017-08-14。

王 琰(1979-)，男，四川犍為人，工學碩士，講師，主要從事計算機軟件開發與設計方向的研究。

1671-4598(2017)10-0274-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.070

TP311

A