基于多传感器的高性能监控系统设计*

林飞龙，彭诗瑶，2

（1.湖南大学物理与微电子科学学院，湖南 长沙 410082;2.中国科学院微电子研究所，北京 100029）

0 引言

远程监控［1］是集网络技术、通信技术、自动化控制技术、传感器技术于一体的综合应用技术，涉及生活、娱乐、工业、军事等诸多方面，是当前最热门、最具发展潜力的科技领域之一。

随着科技发展，监控技术从最初的模拟监控［2］，经历PC视频监控［3］，发展到了目前的嵌入式远程监控。嵌入式远程监控又是从 C/S 模式［4，5］逐渐变成以 B/S 模式［6，7］为主，并且一直向着低功耗、多功能、高性能方向发展。目前此类监控技术已经具备了比较完善的功能，但是依然存在许多不足，例如:文献［8］以ARM作为嵌入式服务器，实现了大坝监测数据的远程传输，但仅仅是单向数据传输，没有包含控制等其他功能;文献［9］结合了ARM和GPRS技术，设计了智能家居安防视频监控，虽然实现了监测与报警，但是依然缺乏控制功能，也没有网页视频监测功能;文献［10］增加了手机短信报警和嵌入式服务器功能，但是没有图像报警功能。

本文在此基础上进行系统扩展完善，在实现嵌入式服务器的基础上，结合applet，CGI和AJAX技术完善网页监控功能，采用多种传感器采集环境数据、视频数据以及人体入侵检测，利用GPRS模块实现短信交互、彩信报警，并添加图像处理技术对模糊图像进行复原。

1 硬件设计

系统的硬件结构主要分为嵌入式服务器（上位机）和采集控制告警模块（下位机）两部分。

1.1 上位机硬件电路

图1为嵌入式服务器硬件结构图。嵌入式服务器是系统的核心，采用飞凌嵌入式技术有限公司设计生产的FL2440开发板，其配置的S3C2440处理器是韩国三星公司推出的基于ARM920T内核的16/32位RISC处理器，支持WinCE，Linux等操作系统，在本系统中承担着视频、数据服务器的角色，实现数据收集、存储、传输。

图像传感模块采用中星微ZC301，该模块为USB接口，30W像素，足以应付近距离图片拍摄，并且直接输出JPEG图片数据，有利于网络传输与彩信发送。

图1 嵌入式服务器框图Fig 1 Block diagramn of embedded server

1.2 下位机硬件电路

图2为采集报警模块硬件结构，实现数据采集、电器控制和告警功能。选用STC12C5A60S2单片机作为核心处理器，温湿度模块用于采集温湿度数据，红外模块实现人体入侵感应，GPRS模块负责短信交互与告警，电器控制模块通过继电器实现电器类控制。

1.2.1 GPRS 模块

从控制系统成本考虑，GPRS模块选择广州谱泰公司的PTM101，内置TCP/IP协议与彩信协议，其硬件接口采用邮票孔封装，可以像芯片一样贴在应用板上，牢固可靠，大大缩小应用板体积。

图2 采集报警模块框图Fig 2 Block diagram of acquisition and alarm module

1.2.2 温湿度传感器

为减少硬件面积，系统选用SENSIRION公司的SHT11模块，支持CRC校验，传输可靠性高;在测量通信结束后自动转入低功耗模式;同时集成温湿度测量，测量温度范围为-40～100℃，精度为 ±0.4℃，测量湿度范围为 0～100%RH，精度为±3%RH，满足系统使用要求。其硬件连接方式简单，如图3所示。

1.2.3 红外传感器

图3 温湿度模块连接图Fig 3 Connection diagram of temperature and humidity module

本系统采用 HR—SR501人体红外感应模块，德国LHI778探头设计，灵敏度高、可靠性强;静态电流小于50 μA;可设置2种触发方式，自主添加光敏控制、温度补偿，应用灵活，价格便宜。

2 软件设计

软件设计是整个系统有效工作的核心，为保证服务器功能稳定，ARM处理器采用功能强大、稳定可靠的嵌入式Linux系统;下位机模块为保证实时性，自主开发与硬件全面融合的C语言程序代码。

2.1 温湿度采集

SHT11通过SCK时钟线和DATA数据线与单片机通信，上电后单片机需要发送一组“启动传输”时序:如图4所示，DATA起初为高电平，然后在相邻的2个SCK高电平之间令DATA保持低电平。

图4 “启动传输”时序Fig 4 Timing sequence of“start transmission”

初始化成功后控制器可发送测量任务命令，SHT11接收命令产生响应，然后等待其发出到“数据备妥”信号，读取数据。对于湿度数据，根据需要进行线性补偿和温度补偿来提高数据精度。

2.2 短信交互

系统采用PDU中文短信模式，发送时将信息内容严格按照PDU格式进行编码，再加上服务中心号码、被叫号码、协议标识、数据编码方案等内容，完成一条信息数据的打包，然后通过AT指令“AT+CMGS”启动发送。

接收信息时GPRS模块设置为自动上传，控制器以串口中断方式及时接收，然后按照信息格式解码出信息内容，完成相应操作，短信交互流程如图5所示。

2.3 视频采集传输

视频采集通过Video4linux接口函数，初始化摄像头后建立图像采集线程，以mmap内存映射方式获取图像数据。视频传输程序采用基于TCP协议的流式套接字技术，保证无差错、无重复发送，并按顺序接收。程序流程如图6。

服务器启动后首先初始化设备，建立采集图像数据的线程;同时建立套接字并绑定地址监听客户端请求。一旦收到客户端发送的服务要求则启动视频发送线程，若是退出请求则关闭套接字。图像的采集和发送是互斥的，因此，采集和发送线程中需要不断检测互斥锁是否到位。

图5 短信交互流程Fig 5 Short message interactive process

图6 视频采集与传输流程图Fig 6 Flow chart of video capture and transmission

2.4 感应与彩信报警

HR—SR501人体红外传感模块感应到人体后输出高电平，触发单片机外部中断，即发送命令到ARM处理器进行图像获取，然后以彩信方式发送到用户手机。

2.4.1 图像处理

本系统采用的ZC301图像传感，性能偏低，在目标发生运动时拍摄会造成图像模糊。针对该问题，并结合特定场合应用，采用背景法提取目标，运用差分法获得目标运动函数，通过改进的LR算法进行图像复原。

1）背景差分法获取模糊函数

采集一帧背景图像G0，两帧运动模糊图像G1，G2，G1-G0得到M1，G2-G0得到M2;设置适当阈值，对M1和M2逐像素扫描，当检测到M（i，j）大于阈值时，计算该点3×3区域的平均灰度值，即

若依然大于阈值，则记录该点属于模糊区域;按照此方法可以提取出模糊区域范围，端点分别是M1xmin，M1xmax，M1ymin，M1ymax和M2xmin，M2xmax，M2ymin，M2ymax（x代表行，y代表列），总共8个顶点，依次记为a1（M1xmin，M1ymin），a2（M1xmin，M1ymax），a3（M1xmax，M1ymin），a4（M1xmax，M1ymax），b1（M2xmin，M2ymin），b2（M2xmin，M2ymax），b3（M2xmax，M2ymin），b4（M2xmax，M2ymax），根据运动连续性和短时间内的匀速运动估计，可得模糊长度

模糊角度

即可得到点扩散函数。

2）改进LR算法复原

LR算法是目前被广泛应用的图像复原算法之一，它假设图像服从泊松分布，采用最大似然法进行估计，是一种基于贝叶斯分析的迭代算法［11］，其迭代方程为

其中，⊕和*分别为相关运算和卷积运算，k为迭代次数，h为点扩散函数，可令g=f0进行迭代。对于实际质量较差图像，噪声不可忽略，得到

可见，噪声的存在导致了迭代的不收敛，即噪声放大［12］。构造改进的LR算法如下

其中，q（x，y）定义为

式中 Δ为由中心差分计算得到的梯度，s为梯度弱化因子（＜1），G∂为对图像进行高斯低通滤波后的结果。在开始迭代前，先用高斯滤波器处理最初图像得到初始图像f0，初步地减弱噪声;接着，每次迭代前，都先计算q，然后代入式（6）对LR滤波进行约束:对于高频部分，若梯度值很大，|ΔsG∂|趋向于无穷，此时式（7）趋向于 0，则式（6）相当于式（5），说明具有一定的边缘保持能力;对于低频部分，若梯度值趋近于0，则|ΔsG∂|趋向于0，此时式（7）趋向于1，式（6）趋近于0.5，能够提高对比度;同时，由于G∂是对迭代后图像进行了高斯低通滤波的结果，已经减弱了许多噪声，因此，Δs主要作用于非噪声的边缘部分。但是当图像中含有污点时，该算子会同样使污点明显，因此，添加梯度弱化因子，减弱梯度作用，提高高斯滤波器作用效果，当s值趋向于0，则 Δs为1，高斯滤波起完全作用。

2.4.2 彩信发送

PTM101模块已经集成了彩信发送协议，只需通过串口发送相应AT指令和jpg图片数据到模块即可实现彩信发送，其发送流程如下:发送“AT^MMSUPSTART/r/n”，模块回复“OK”后，上传jpg图片数据，然后发送“AT^MMSUPEND/r/n”，若模块回复“PICTURE UPLOAD OK”则表明上传图片成功，接下来发送“AT^MMSSEND=158xxxx9465/r/n”，模块回复“MMS SENDING…”表明正在发送中，“SEND MMS OK”表明发送成功。

2.5 网页动态交互

系统需要通过B/S架构实现远程监控，因此，必须实现Web服务器功能。选用的Boa服务器是单任务HTTP服务器，处理速度快、源码开放、占用空间小，且支持cgi技术。

网页的框架设计使用Dreamweaver软件，主要有视频监视、数据显示、操作控制3个部分。视频显示、数据曲线绘制、时间日历显示都是采用Java小应用程序applet来编写。其中，视频显示使用SwingWorker来创建图像线程，建立套接字连接。数据采集与操作控制以ajax异步交互的方式与服务器cgi通信。当网页中提交请求时，首先通过ajax技术的XMLHttpRequest对象建立一个异步机制，然后以get方式将页面请求信息提交给服务器cgi函数进行处理，同时指定cgi处理函数，并建立回调处理函数用于响应。其交互流程如图7，整体网页效果如图8。

图7 ajax和cgi运行机制Fig 7 Operating mechanism of ajax and cgi

图8 网页界面Fig 8 Webpage interface

3 实验结果

图9是根据背景差分法得到模糊长度a=39，模糊角度b=45，之后通过3种方法得到的处理结果，从中可见本文改进的LR算法在视觉上较其他两者复原效果更好。

表1是采集1张相近的静态照片与3张模糊图像处理结果得出的评价参数表，峰值信噪比（PSNR）值越大复原质量越高;均方误差（MSE）越小表明复原质量越好;相关测度K值越大表明越相近。从表中数据可以看出:本文算法在3个方面的评价上都比其他2种复原方法要好。

图9 图像处理结果Fig 9 Image processing results

表1 评价参数对比Tab 1 Comparison of evaluation parameter

4 结束语

本文设计实现了一种更加全面完善的远程监控系统。采用温湿度传感器、图像传感器、人体红外传感器作为系统最前端的感知基础，采用ARM处理器建立数据、视频服务器，GPRS模块完成远程短信交互和彩信报警。细节上利用cgi，ajax，applet技术完善远程客户端页面，使用上更加方便、灵活、界面更加美观丰富，获取图像时添加图像处理技术，用以提升低端图像传感器性能，使得系统更具实用性。

［1］尧 平.基于嵌入式Web技术的远程监控系统研究［D］.长沙:中南大学，2012.

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