一種基于嵌入式平臺的報警系統的設計

貴州師范大學機械與電氣工程學院 趙 鵬 劉繼榮

一種基于嵌入式平臺的報警系統的設計

貴州師范大學機械與電氣工程學院 趙 鵬 劉繼榮

對應用在智能家居的防盜報警系統進行設計與實現。系統運行在嵌入式Linux平臺上，采用motion移動物體檢測程序進行對進入室內的人員進行檢測，若發現有移動物體，則發出報警聲并把移動物體的圖像保存在文件系統上，同時，系統移植了web服務器及相應的網頁控制程序，讓用戶通過瀏覽器對檢測到的圖像進行訪問和對系統進行遠程控制。

嵌入式；Linux；防盜報；警圖像對比；智能家居

0 引言

隨著城鄉一體化的建設，我國人口居住密集度越來越高，出于居家防盜方面的考慮，設計了本文所介紹的防盜報警系統。本系統是應用于室內無人環境的監控防盜，其利用了圖像處理技術對捕捉到的監控區域圖像做算法對比，從而實現了對特定空間范圍的監控。傳統的防盜系統，大多是采用單點觸發的方式，即在特定位置點安放傳感器采集信息，當采集點采集到的信號量達到報警門限時，就向中心控制器發出報警請求信號！這種報警裝置的優點是安裝方便，反應迅速，但其適用范圍較小，對單點噪聲過分敏感而容易產生誤報！基于圖像對比的防盜報警系統克服了上述缺陷，其通過對所監視區域進行全景圖片拍攝并作算法處理，避免單一采集點在測量時對隨機噪聲所產生的敏感性。

1 系統架構與工作流程分析

本系統采用了motion圖像處理程序和嵌入式web網絡服務器實現對室內移動人員的捕捉進而把捕捉到的內容通過圖片文件的形式保存起來，讓使用者更直觀的清楚移動人員的情況。

1.1 防盜系統架構

本系統主要由圖片采集子系統，報警子系統，移動物體監控主系統和網絡監控子系統四個部分組成。

圖像采集子系統沿用了linux內核中的Video4Linux2驅動程序，它為用戶編寫應用程序訪問視頻設備提供了一系列的接口函數。對于USB 接口攝像頭，驅動程序中提供了 open、read、write、close、ioctl等基本的 I/O 操作接口函數，實現了對中斷的處理和內存映射及控制攝像頭等功能。其報警子系統移植了madplayer音頻播放程序，提供播放用戶自定義的報警音。移動物體監控主程序是基于圖像對比算法的程序，它提供了用戶根據實際情況定義采集照片的時間和圖像對比差異的像素點閾值。網絡監控子程序是移植了BOA服務器并編寫主頁和相關cgi程序，給用戶提供瀏覽器從而訪問到了監控圖像的存儲位置。

1.2 系統工作流程

系統采用的是中星微ZC301的usb攝像頭，友善公司的mini2440開發板以及通用小音箱，在移植linux內核時要把相應的驅動給加載上才能工作。它的工作流程圖如圖1所示：

圖1 防盜報警系統的工作流程

2 系統的軟硬件設計

2.1 系統硬件設計

本系統的設計、開發工作是在以廣州友善科技有限公司生產的mini2440 開發板作為核心器件的硬件平臺上開展的。在此基礎上，根據系統功能和性能上的要求，選擇和設計了相關外圍電路。將硬件開發平臺的總體結構分為核心開發板和外接設備兩個部分：核心開發板使用的是mini2440開發板，外圍設備采用的是中星微ZC301型號的USB攝像頭和報警用的小音箱。

2.2 系統軟件設計

檢測算法是整個安防監控系統的核心算法，其實時性與準確性決定著整個安防監控系統的可行性。本系統是采用靜態背景下的運動目標檢測算法。

本例采用背景更新算法，該算法能夠自適應地獲取背景圖像。該算法提取背景的思路是保持運動區域內的背景不變，通過當前幀與背景幀的幀差圖像找到物體的運動區域。在每一次的對比后，當前幀替換更新為非運動區域的背景，經過數次的對比后就能提取出背景圖像。其算法可以分成以下幾個步驟：

第一步：取第1幀圖像作為背景。

第二步：選取閾值T，迭代次數m=1，最大迭代次數MAX_STEPS。

第三步：求當前幀的幀差分圖像

第四步：由二值圖像更新背景圖像

式中,為背景圖像和差分二值圖像在(x,y)的灰度值；為輸入的第i幀圖像；α為迭代速度系數。

第五步：迭代次數m=m+1，返回③，當迭代次數m=MAX_STEPS時結束迭代。此時Bi(x,y)可視為背景圖像。

運動目標的檢測就是在當前幀圖像中提取出運動目標。由于一般情況下，前景的運動目標的灰度與背景的灰度值之間有很大的差異，而運動物體本身的灰度值不會有很大差異。這樣，當前幀圖像，背景圖像為B，背景差分二值圖像為：

由上式可知，灰度值為255的差分二值圖像像素點可視為前景的運動目標點。

2.3 BOA服務器的移植與CGI程序設計

本系統在嵌入式Linux平臺下移植了BOA服務器作為網絡服務提供者，用戶只需登錄瀏覽器即可遠程訪問嵌入式設備，并實現對現場的監控。BOA 服務器主要涉及兩個技術：

（1）HTTP協議(超文本傳輸協議）：是TCP/IP 協議族上的應用層眾多協議中的一種，也是現在很多的 Web 服務器所采用的標準協議。

（2）CGI（通用網關接口）：定義了 Web 服務器和可執行程序之間進行連接的接口準則，并提供了外部程序通道，Web 服務器正是利用這個通道和系統中的其他程序進行連接。

本系統編寫了兩個cgi程序實現瀏覽器訪問到系統監控圖片存儲的路徑，通過html文本以網頁的形式更直觀方便的展示了捕捉到的圖片。另一個cgi程序提供給用戶通過網頁控制對系統進行請求操作。

圖2 寢室光線下的物體入侵捕捉

3 系統性能測試與結果分析

開發平臺硬件部分以高性能 S3C2440 芯片作為核心器件，移植內核版本為2.6.29的 Linux 嵌入式操作系統作為軟件平臺。完成系統移植后，對系統監控區域進行入侵測試。

在寢室環境下某個時間段進行測試，系統成功發出警告，并捕抓了移動物體的圖像。在遠程 PC 機瀏覽器上輸入服務器網址后能夠看到清晰的監控圖像，證明設計方案切實可行，設計的系統能夠實現對居住環境區域入侵監控，如圖2所示。

4 結論

本章詳細描述了本文設計的室內防盜報警系統的實現方案以及測試結果，并對測試結果進行了分析。測試實驗結果達到了預期目標，證明了本文設計的室內防盜報警系統是可靠的。安防監控是智能家居系統中最基本的也是最重要的功能，它直接關系到人們的生命財產安全，所以其智能程度對智能家居系統的設計和推廣有著重要意義。

[1]徐麗麗.基于ARM9的智能家居安防報警系統的設計[D].中北大學碩士學位論文,2014.

[2]葉牛.基于ARM 的智能家居監控系統設計[D].太原科技大學碩士學位論文,2014.

[3]易強.基于3G和ZigBee的智能家居無線傳感網絡系統設計與實現[D].廣東工業大學碩士論文,2014.

[4]柴政.基于嵌入式技術的智能家居遠程監控系統[D].南昌大學碩士學位論文,2009.

[5]Han D M,Lim J H.Smart home energy management system using IEEE 802.15.4 and ZigBee[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2010,56(3):1403-1410.

趙鵬（1992—），江蘇淮安人，碩士研究生，現就讀于貴州師范大學。