一種基于遠程監控和控制的LED照明系統設計研究

張勇 蘇成悅 陳洪極 葉嘉樂 麥偉倫

摘 要：文中提出了一種基于LED智能照明、實時監控和精準控制的照明控制系統設計方案。系統由3個子系統組成，分別為LED智能照明系統、視頻監控系統和客服端登錄控制系統。系統將攝像頭采集的數據通過H.264編碼經串口傳輸到主控芯片，主控芯片通過內置網卡實現廣域網通信，并將數據上傳到云服務器供客戶端遠程訪問和下載;客戶端基于Android系統開發應用程序APP，實現遠程實時監控和控制。

關鍵詞：智能照明系統;H.264視頻編碼;遠程監控;云服務器;LED;精準控制

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）05-00-02

0 引 言

基于遠程的智能照明和控制技術已被廣泛應用于民用、工農業等領域[1-5]。有學者發表了基于WiFi的家用智能照明控制系統設計[1]、一種基于物聯網的樓宇監控和管理系統[2]、一種遠程LED照明監控系統的設計[3]、基于ARM的城市照明智能監控網絡網關設計[4]、農業節水灌溉遠程監控系統的設計與實現[5]。但以上系統都各有缺陷，部分具有遠程視頻監控功能卻沒有LED遠程控制功能;有的實現了LED遠程控制卻沒有視頻監控功能。

結合以上問題，本文提出了一種基于遠程控制、具有視頻實時監控、可調光照明、數據采集、設備控制的集成系統設計。

1 系統總體方案設計

基于遠程監控和LED智能照明系統的總方案如圖1所示。系統主控芯片采用ARM公司設計生產的Cortex-A53芯片，外圍電路由電源、攝像頭、WiFi、傳感器、LED驅動器和顯示屏組成。實現方法：將攝像頭采集的圖像，傳感器采集的LED照度和色溫數據通過串口與主控芯片通信，主控芯片內置網卡并與Internet相連，實現廣域網通信，將數據傳送到服務器，供客服端訪問和下載歷史數據;客服端利用Android系統開發APP應用程序連接云服務器，實現監控功能。

2 軟件設計

系統軟件設計主要分為2部分，分別為H.264視頻編碼設計和客服端APP應用程序開發設計。

2.1 H.264視頻編碼設計

視頻壓縮算法的主流方案包括MPEG，WMV，AVS和H.26X系列算法。MPEG的主要缺點是占用內存資源大、圖像動態變化大時，畫面采集容易丟幀。WMV編碼方式為非開放性，時延較大，且此編碼方式只適用于Windows操作系統。AVS編碼方式設計難度大，開發周期長，成本偏高。H.26X相對來說具有壓縮比高、圖像質量高等特點，適用較低寬帶上的圖像傳輸。綜上考慮，本次采用最新的H.26X系列的H.264進行視頻編碼。H.264視頻編碼主要步驟：首先輸入視頻預測編碼，之后再變換編碼、量化處理、熵編碼，最后在通信設備上傳輸視頻。

2.1.1 H.264編碼設計

系統采用變換和預測的混合編碼法。在圖2中，輸入幀或者場Fn以宏塊為單位被編碼器處理。如果采用幀間預測編碼，其預測值PRED是由當前片中已編碼的參考圖像經運動補償（MC）后得到，其中參考圖像F'n-1 表示預測值PRED和當前塊相減，產生一個殘差塊Dn，經塊變換、量化處理后產生一組量化變換系數X，再經熵編碼，與解碼所需的一些頭信息組成壓縮后的碼流，經NAL（網絡自適應層）供傳輸和存儲用。

2.1.2 H.264解碼設計

在圖3中，將編碼器NAL輸出的H.264比特流經熵解碼得到量化后的一組變換系數X，再經反量化、反變換，得到殘差Dn。利用從該比特流中解碼出的頭信息，解碼器即可產生一個預測塊PRED，它和編碼器中的原始PRED相同。該解碼器產生的PRED與殘差D'n相加，就得到了uF'n，經濾波后得到解碼輸出圖像F'n。

2.2 客服端APP應用程序開發設計

客服端控制系統設計是監控控制系統的核心，考慮該系統的可拓展性和功能性，選擇在Android系統進行客服端的開發和設計。客服端搭建流程：創建套接字、連接服務器、判斷是否連接成功，是則進入死循環，保存服務器IP和端口號，開啟發送接收函數，檢測服務器是否斷開連接，是則釋放資源、退出死循環，具體如圖4所示。

3 實驗結果和分析

3.1 UI設計平面和操作界面測試

UI注冊和登錄界面如圖5所示。注冊賬號為手機電話號碼，密碼按照用戶指定的進行設置。登錄賬號為用戶注冊手機號碼，密碼為設置密碼，其中還配置有用戶忘記密碼可重設密碼功能。

3.2 監控畫面測試結果

客服端登錄APP成功之后，用戶主界面窗口如圖6所示。

用戶可進入文件管理設置界面下載圖片或視頻，如圖7所示。圖片和視頻下載完畢后可進行視頻回放，視頻保留了記錄時間，可隨意拖動進度條跳轉觀看。

3.3 樣機成品

樣品經過燒寫程序，組裝套件，最終制作出基于遠程LED監控和控制LED照明系統裝置，如圖8所示。該樣品具有遠程監控和控制LED照明的功能，并能及時回看監控記錄，對于農業、牧業以及醫療研究具有重要意義。

4 結 語

基于監控系統和控制LED照明系統設計的研究，在局域網之間通信和廣域網通信的基礎上，實現了視頻監控功能，且該系統監控與控制裝置被整合為同一整體，便于移植和二次開發。隨著AI技術的發展，該系統可以被應用到人工智能化場景，如動物的24小時監控實驗，以及農業領域利用圖像識別技術檢測植物生長情況，對害蟲進行分類和對農藥進行分量處理的遠程控制。綜上所述，該系統的設計具有良好的應用場景和實際意義。

參 考 文 獻

[1]張璘，馮陳偉，周超.基于Android 的遠程視頻監控系統的設計與實現[J].計算機應用，2016，36（S1）：301-304.

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[3]朱明明，趙亮，張瓊英，等.一種基于物聯網的樓宇監控和管理系統[J].電子測量技術，2018，41（2）：124-129.

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[6]鄧小龍，李寄富，陸錦軍.基于ARM的城市照明智能監控網絡網關設計[J].測控技術，2017，36（1）：80-83.

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