一種基于樹莓派的視頻監控網絡設計方案*

徐 望，朱宜炳，張常泉

（江西科技學院，江西 南昌 330098）

我國經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段，人民群眾對生活質量的要求也在不斷提升，尤其是對自身息息相關的居住環境要求越來越高。由于社區住戶之間的相互交流往往比較少，因此良好的社區安防質量是人們選擇居住環境的一個重要因素。為了加強社區安全，高檔社區通常都會建立昂貴的專有視頻監控網絡。近年來，隨著計算機網絡及其應用技術的不斷發展，基于廉價以太網技術的視頻監控網絡在信息傳輸和數據處理能力等方面都有了長足進步，基于WLAN的無線視頻監控技術也是步步跟進、不斷發展，使得普通社區也能夠以較低的成本部署視頻監控網絡來提升社區安全性[1]。雖然基于以太網的視頻監控網絡已經有了多種實現方案，但是有的方案可升級性和穩定性較差，有的方案不夠智能，有的方案建設成本依然不便宜[2-3]。本文對基于樹莓派的視頻監控網絡進行了研究與探索，期望能為用戶提供一種新的選擇。

1 相關技術介紹

1.1 樹莓派技術

樹莓派是銀行卡般大小的單板計算機，使用了ARM芯片的同時還配備了諸多外接接口，可以接入屏幕、攝像頭、鍵盤鼠標等諸多外設。2019年發布的樹莓派4代搭載1.5Ghz的64位ARM A53處理器和最大8G內存，內置的GPU支持4K分辨率的H.265視頻流，另外還集成Wi-Fi、千兆有線網卡和低功耗藍牙，USB接口也擴展到了4個。如此強大的單板機售價才35美元起步，使得很多“創客”想法可以利用樹莓派平臺來實現[4]。

1.2 運動目標偵測技術

運動目標偵測（Motion detection technology）又稱移動檢測，是指攝像頭對指定區域采集圖像后，利用CPU根據一定算法計算與比較判斷畫面是否發生了變化，然后和事先設定的閾值比較后做出一定的響應。比如感知到有人時則立刻進行視頻流傳輸，沒人時則停止視頻流傳輸以節省帶寬和存儲空間。比較常見的運動目標檢測算法有減背景法、幀差法和光流法這幾種[5]。

1.3 Python技術

Python是一種用途廣泛的多范式編程語言，可以直接在樹莓派上運行并實現系統的業務邏輯，從而減少必須傳輸到服務器端的數據量。它還可以直接與傳感器、執行器和外設等進行交互，其解釋性特點也可以讓更改后的代碼立刻生效，使得程序的編寫和調試比其他語言快的多。Python的另一優點就是擁有海量開源庫的支持，包括IoT庫，這些庫讓設備端的開發工作碰到困難時總能夠找到對應的解決方案[6]。

2 基于樹莓派的視頻監控網絡架構設計

整個視頻監控網絡的出口部分使用單核心路由設計，使用光纖線路連接外網，并在路由器上使用PAT地址轉換來實現內外網的劃分。同時添加ACL訪問控制列表以提升網絡的安全性，最后在核心交換機與核心路由器上運行RIPv2協議來提供動態路由。核心交換機需要高性能和高可靠設計，故選擇支持擴展的型號以便后期升級與改造，同時在核心交換機上激活DHCP，以便為樹莓派自動分配IP地址和網關，其架構如圖1所示。

圖1 基于樹莓派的視頻監控網絡結構

3 基于樹莓派的視頻監控網絡方案實現

3.1 核心路由器配置

R1(config)#interface FastEthernet0/0//進入接口f0/0

R1(config-if)#ip address 202.106.1.1 255.255.255.0//為接口f0/0配置IP地址和子網掩碼

R1(config)#interface FastEthernet0/1//進入接口f0/1

R1(config-if)#ip address 192.168.10.3 255.255.255.0//為接口f0/1配置IP地址和子網掩碼

//定義訪問控制列表，以list 1為例

R1(config)#access-list 1 permit 192.168.1.0 0.0.0.255

//外接口地址的服用及IP地址的動態轉換

R1(config)#ip nat inside source list 1 interface f0/0 overload

//開啟端口f0/0和f0/1的PAT功能

R1(config-if)#int f0/0//進入端口f0/0

R1(config-if)#ip nat outside//將端口f0/0劃分為外網

R1(config-if)#int f0/1//進入端口f0/1

R1(config-if)#ip nat inside////將端口f0/1劃分為內網

//添加指向外網的默認路由

R1(config-if)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 f0/0

//核心路由器RIP配置，以f0/0為例

R1(config)#router rip//激活RIP協議

R1(config-router)#version 2//使用RIP-V2版本的協議

R1(config-router)#no auto-summary//關閉路由協議的自動匯總功能

//指定網段接口使能rip路由

R1(config-router)#network 202.106.1.0//以單個為例，余下的不在重復展示

3.2 核心交換機配置

SW(config)#vlan 10//創建VLAN 10

SW(config-vlan)#interface vlan 10//進入VLAN 10之中

SW(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0//給VLAN 10配置IP地址

//將對應接口劃入VLAN中，以接口f0/2為例

SW(config)#int f0/2//進入端口f0/2

SW(config-if)#Switchport mode access//強制接口f0/2成為access接口

SW(config-if)#Switchport access vlan 10//將端口f0/2劃分到VLAN 10中

//DHCP協議配置，以地址池20為例

SW(config)#ip dhcp pool 20//創建dhcp地址池20

SW(dhcp-config)#network 192.168.2.0 255.255.255.0

SW(dhcp-config)#default-router 192.168.2.1//默認路由設置為192.168.2.1

SW(dhcp-config)#ip dhcp excluded-add 192.168.2.1//將網關從地址池中排除

SW(config-if)#ip routing//啟用三層交換機的路由轉發功能

3.3 樹莓派監控層配置

小區視頻監控場景復雜多樣，為了降低網絡流量和視頻監控服務器的存儲壓力，有必要在監控端就對視頻流進行預處理。所以在樹莓派監控層中加入了運動目標偵測技術，檢測到運動物體則傳輸影像，未檢測到運動物體則停止傳輸。

本文采用的方案是基于Python語言實現的幀差法，該方案雖然簡單但是很高效，核心編碼實現如下：

import cv2#導入opencv的包

import numpy as np#導入NumPy拓展，用來存儲和處理圖像矩陣

kernel=np.ones((5,5),np.uint8)#設置卷積核和圖像類型

BG=None#首先設置背景為空

camera=cv2.VideoCapture(0)

#使用VideoCapture()函數定義攝像頭對象，其參數0表示第一個攝像頭

while True:#循環讀入攝像頭的幀

ret,frame=camera.read()#參數ret表示是否讀取到幀

#使用顏色空間轉換函數創建灰色框架

G_frame = cv2.cvtColor (frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

G_frame=cv2.GaussianBlur(G_frame,(21,21),0)#利用高斯濾波對灰色框架降噪

Continue

diff=cv2.absdiff(BG,G_frame)#將背景圖和灰色框架圖進行相減，返回差值

#把得到的幀差結果二值化

diff=cv2.threshold(diff,25,255,cv2.THRESH_BINARY)[1]#將diff圖像中灰度值小于25的點歸零，灰度值大于25的置255，THRESH_BINARY為閾值類型

#將得到的幀差結果進行膨脹處理

diff=cv2.dilate(diff,es,iterations=2)

#對得到的幀差結果進行輪廓檢索

image,cnts,hierarcchy=

cv2.findContours (diff.copy(),cv2.RETR_EXTERNAL,cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)

#cv2.findContours()函數返回兩個值，一個是輪廓本身，另一個是每條輪廓對應的屬性

for c in cnts:

if cv2.contourArea(c)<1500:

#將輪廓小于1500的區域舍去，這通常是噪點

4 方案驗證

為了進一步驗證方案的有效性，本次研究完成了基于樹莓派的視頻監控終端設計，監控終端采用紅外攝像頭，在夜晚也能獲得清晰的影像。由于樹莓派4支持IEEE802.3af以太網供電標準，一根網線即可完成供電和數據傳輸，因此大大簡化了視頻監控網絡的布線任務。完成的視頻監控終端實物如圖2所示，在服務器端也可以對監控終端進行遠程管理，如圖3所示。

圖2 視頻監控終端

5 總結

綜上所述，基于樹莓派的視頻監控方案依托已經存在的社區寬帶網絡，把廉價單板機引入到社區的安防監控工作中，同傳統監控方案相比有著極大的成本優勢。而且樹莓派在軟件和硬件上的定制性很高，在軟件上可以實現各種算法，比如人臉識別和邊緣計算等，在硬件上可以添加多種傳感器和執行器模塊，為以后的升級留下空間。隨著我國5G網絡的大規模鋪設，還可以利用5G模塊來擴大視頻監控網絡的規模，使得廣大農村也能夠完成監控覆蓋，從而提升社會的治安防控水平。