楼宇环境远程监控系统研究

Research on the Remote Monitoring System for Building Environment

艾　红　孙顺顺

(北京信息科技大学自动化学院，北京　100192)

楼宇环境远程监控系统研究

Research on the Remote Monitoring System for Building Environment

艾红孙顺顺

(北京信息科技大学自动化学院，北京100192)

摘要：针对楼宇环境远程监控，以S3C6410芯片为处理器，通过Internet与嵌入式设备相结合，使用本地计算机通过Internet对现场设备信息进行远程监控。描述了系统总体结构和系统功能，阐述了嵌入式开发平台的硬件结构和测量模块；说明了视频图像采集设计和Video4Linux下视频采集流程，介绍了流媒体服务器spcaserv工作原理；给出了动态Web网页设计和CGI网关程序设计。采集的环境参数和视频数据经Linux系统处理后基于TCP/IP协议进行传输，在上位机监控系统中用浏览器实现对楼宇环境数据的实时显示和远程视频的实时监视。

关键词：环境参数嵌入式Web服务器远程监控视频流媒体服务器

Abstract：Aiming at the remote monitoring for the building environment, with S3C6410 chip as the processor, and combining with the embedded equipment via Internet, the information of field equipment is remotely monitored by local computer through Internet. The overall structure and functions of the system are described, the hardware structure of embedded development platform and measurement module are expounded. The design of video image acquisition and the video acquisition process based on Video4Linux are explained, and the working principle of stream media server spcaserv is introduced. The design of dynamic Web and CGI gateway program is proposed. The environmental parameters and video data collected are processed by Linux system and then transmitted based on TCP/IP protocol, real time display of the building environmental data and real time monitoring of the remote video are implemented by browser in host computer monitoring system.

Keywords：Environmental parameterEmbedded Web serverRemote monitoringVideoStreaming media server

0引言

远程监控是指本地计算机通过一定的网络系统对远端计算机或设备进行监测和控制。随着智能化、网络化的迅猛发展，嵌入式技术的发展为远程监控提供了更好的平台。借助远程监控系统,可以完成对现场数据的实时采集与显示，获得现场监控数据。监控系统对远程采集的数据进行集中显示，为掌握远程系统的环境以及综合情况提供数据基础。技术人员不需要亲临现场就可以获得楼宇环境和现场安防系统以及设备的各项数据。通过对这些数据的分析，可以使工作人员对现场进行监控，维护设备的正常运转，减少值守人员，最终实现远端的无人或少人值守。选用成本较低、图像质量较高的摄像头作为视频采集设备，性价比高，即插即用。在现场设备分布广泛或数据不易采集的场合，远程监控技术可以实现及时监视设备的运行状态并进行有效控制[1]。

1系统总体结构和系统功能

1.1　 系统总体结构

系统总体结构如图1所示。

图1　远程监控系统系统总体结构图

系统基于嵌入式Web服务器，采用B/S监控模式。在B/S监控模式结构下，用户界面完全通过Web浏览器实现。一部分事务逻辑在客户端实现，主要事务逻辑在服务器端实现。系统总体设计包括嵌入式Web服务器、远程监控客户端、监控站点、USB摄像头。嵌入式Web服务器主要有两方面任务：一是对现场数据如温度、湿度、烟雾等环境参数的接收与处理，并对数据结果进行判断，作出相应的报警通知和控制；二是负责数据的发送，把监控站点采集的数据通过Internet发送到远程监控客户端，远程监控客户端通过IE浏览对现场数据进行实时监控。监控站点负责对现场环境数据的实时采集、发送和对现场设备的控制，USB 摄像头负责现场视频数据的实时采集。

1.2　系统功能

系统功能包括实时数据采集与控制、远程网络访问控制、视频监控、报警和用户确认。

远程网络访问控制功能采用B/S结构，通过以太网接入设备将Web服务器与客户端 PC 机相连。远程客户端可以直接用 Windows 自带的IE浏览器作为客户端程序，随时随地访问远程数据并进行实时监控。在Web服务器端，通过USB摄像头采集图像，通过spcaserv建立视频服务器，使用TCP/IP网络传输协议将视频数据传送到客户端，用户利用 IE 浏览器实现对现场视频的实时监测。

视频功能的实现有三个关键部分。一是图像采集，图像通过摄像头采集，摄像头利用USB接口连接到Web服务器端。二是图像传输，采集来的图像存储在Web服务器端，由Web服务通过spcaserv建立视频服务器，将数据传送到客户端，传输过程采用TCP/IP网络传输协议。三是图像呈现，客户端接收服务器端传来的视频数据并呈现在IE浏览器上，达到实时监测的作用。终端采集的各种数据汇集在Web服务器端，由Web服务器负责对数据的综合分析并做出处理。处理后的数据如果超过预先设定的阈值，则说明数据可能存在异常，从而定位环境设备出现异常情况并启动报警功能。

用户确认功能是客户端用户通过浏览器登录系统时，系统要求使用用户名、密码进行身份确认。系统管理员可以进行用户管理。

2嵌入式开发平台硬件结构

2.1　远程监控系统硬件组成

采用ARM11 的S3C6410芯片及其外围接口电路，基于Linux操作系统设计远程监控系统。远程监控系统主要包括外围接口和温湿度传感器模块、烟雾采集模块、热释红外传感器模块、电机驱动模块、蜂鸣器报警模块和USB摄像头，其硬件组成方框图如图2所示。

图2　远程监控系统硬件组成方框图

设计系统的硬件平台核心开发板是UP-Magic6410，中央处理器是三星公司的S3C6410嵌入式微处理器。系统硬件资源包括以太网接口、USB 接口。系统中核心开发板的外部电源是5 V，电源电路模块通过芯片进行降压转换，得到提供整个系统所需要的三种电压，即3.3 V、1.8 V和1.2 V。以太网接口模块使用DM9000 以太网 MAC 控制芯片。USB接口模块有两部分，一部分是USB视频接口模块，另一部分是通过USB实现系统开发的调试和下载。USB接口摄像头选用的是中星微 ZC30lPL 芯片的摄像头，完成对现场视频信息的获取。温湿度传感器模块用于采集环境温度和湿度数据。烟雾传感器模块用于检测环境中的烟雾指标。热释红外传感器模块用于感应是否有人通过。蜂鸣器报警模块用于当发现被测温度和烟雾浓度超出允许范围时，发出报警信号，提醒用户。电机驱动模块用于对现场情况温度超限的降温处理。采集的环境参数和视频数据，经Linux系统处理后，基于TCP/IP协议进行传输，在上位机监控系统中，采用浏览器对现场数据进行实时显示和远程视频的实时监视[2]。

2.2　测量模块

在烟雾测量模块中，采用的烟雾传感器MQ-2是一种半导体气敏传感器。当MQ-2传感器处于可燃气体环境中，空气中的可燃气体浓度增加时，传感器MQ-2的电导率会随之增大。温湿度传感器模块选用SHT10 芯片。SHT10温湿度传感器芯片包括一个电容式高分子湿敏感元件和一个测温元件，集成在同一芯片上，与串行接口电路和14 位A/D转换器实现无缝连接。电机驱动模块设计使用PWM驱动方式。热释红外传感器用于探测红外特征辐射，可感知人体的热源，适用于热释红外物体运动检测。热释红外传感器型号为RE200B。RE200B采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，当有人通过时，经过传感器前面滤镜窗口采集信号。但此时输出信号比较小且不规则，因此将输出信号通过放大电路和比较电路，从而输出得到需要的波形[3-4]。

3监控系统软件

监控系统软件设计包括监控界面和监控站点的软件设计。监控界面分为用户登录界面和数据显示界面两部分。用户登录界面需要输入用户名和密码，当用户输入用户名和密码后，要对用户名和密码分别进行验证。数据显示界面包括的信息有视频部分和环境数据部分。监控站点的软件设计是对温度、湿度、烟雾浓度和红外信号状态的读取，对设备的控制，以及实现报警功能。烟雾传感器模块采用中断处理模式。通过端口配置寄存器配置为输出模式，再通过对端口数据寄存器的写操作，实现对GPIO设备的控制和蜂鸣器报警模块功能。使用GPIO的引脚GPB5和GPB6控制温湿度传感器模块的SCK引脚和DATA引脚。传感器芯片获得的湿度值为相对湿度，为获得精确的测量数据，需用式(1)进行信号转换。式(1)中的湿度补偿系数c1=-2.046 8、c2=0.036 7，c3=-1.6×10-6。

RHlinear=c1+c2×SORH+c3×SORH2(%RH)

(1)

湿度测量时测试参考温度是25 ℃，因此湿度信号需要作温度补偿。温度补偿如式(2)所示。式(2)中的温度补偿系数t1=0.01，t2=0.000 08。

RHtrue=(T-25)×(t1+t2×SORH)+ RHlinear

( 2)

电机驱动模块采用直流电机桥模块，用PWM输出控制电机速度和正反转等。热释红外传感器模块采用中断模式。热释红外传感器采集热释红外信号，通过ARM开发板GPF13引脚实现。

4视频图像采集设计

Video4Linux(简称 V4L)是 Linux系统中用于视频设备的内核驱动。对于视频类影像设备，Linux提供了一套标准的应用编程接口API 即V4L，内核、驱动、应用程序以这个接口为标准进行交流。

4.1　Video4Linux下视频采集流程

在完成内核USB摄像头驱动的移植和加载以后，需要编写视频流采集程序，实现视频采集设备的信息获取和图像采集。Linux操作系统V4L下视频编程流程是打开视频设备，读取设备信息，更改设备当前的设置，对采集的视频进行处理，关闭视频设备。视频采集流程图如图3所示。视频设备是设备文件，可以像访问普通文件一样对其进行读写，摄像头设备是/dev/video0。视频采集主要有两种方法:内存映射和直接从设备读取。

图3　视频采集流程图

4.2　流媒体服务器spcaserv

系统采用spcaview软件包创建远程视频监控服务器。spcaview是Linux系统下用于图像采集的软件，是用于实现网络视频服务器的软件包，包括spcacat、spcaview和spcaserv，每一部分都具有独特的作用。spcacat用于简单图片的抓取，spcaview实现数据流记录，也可以用在客户端对数据进行播放。spcaserv是流媒体服务器。设计中主要使用spcaserv实现远程视频的实时监控。

spcaserv服务器主程序流程图如图4所示。

图4　spcaserv服务器主程序流程图

4.3　视频服务器spcaserv的移植

解压spcaview源码并进入解压后的源文件目录，修改Makefile文件。修改CC、CPP 编译器宏并指定为自己的交叉编译器，将gcc $(SERVFLAGS) -O spcaserv $(OBJSERVER) $(SERVLIBS) 修改为 $(CC) $(SERVFLAGS)-O spcaserv $(OBJSERVER) $(SERVLIBS)。使用命令make spcaserv编译程序，若编译成功，则会在当前目录下生成视频服务器spcaserv。将生成的 spcaserv 下载到ARM开发板上。

5动态Web网页设计与实现

5.1　CGI网关程序设计

在嵌入式Web服务器设计中，客户端采用公用网关接口(common gateway interface,CGI)方法与服务器端进行数据通信与交互。CGI规定了Web服务器调用其他可执行程序(CGI程序)的接口协议标准。CGI程序接收Web浏览器发送给Web服务器的信息并进行处理，然后响应结果回送给Web服务器及Web浏览器。CGI的工作流程图如图5所示[5-7]。

图5　CGI工作流程示意图

5.2　CGI程序编写和网页实现功能

CGI程序是用来实现网页和处理器之间信息传递的应用程序。CGI 程序获得传感器传来的数据，通过界面的video.html文件显示在监控界面上。CGI程序的执行是通过index.html文件，输入正确的用户名和密码后，程序调用data.cgi文件执行data.cgi程序。程序执行时，将采集到的数据存放到相应的xml文件中，并打开video.html界面，video.html读取xml中的信息并在网页中显示实时采集的数据。

网页实现功能需要首先实现登录功能，打开IE浏览器，在浏览器中输入地址http://192.168.0.100/index.html(192.168.0.100为嵌入式开发板地址)。打开登录界面，输入正确的用户名和密码，调用CGI数据采集并打开监控界面。index.html文件中调用CGI程序的语句是

，采用的方法是Post表单处理方法。

其次是监控界面的实现，监控界面从.xml文件中读取数据并显示在界面上[8-9]。打开浏览器，输入开发板IP地址，即在浏览器中输入http://192.168.0.100/index.html，显示登录界面。系统登录成功后，显示系统监控界面。系统监控界面由视频监测画面和环境数据监控界面两部分组成。开启摄像头，观察摄像头所摄取的画面能否正常显示在监控界面中。当有烟雾作用于烟雾报警器时，烟雾达到一定值，蜂鸣器会发出预警声音；当烟雾消失后，蜂鸣器停止报警，烟雾报警解除。当温度达到设定温度上限报警值时，驱动风扇的电机带动风扇转动，使周围温度降低到报警温度以下，电机自动关闭，同时风扇关闭。湿度传感器用于将周围湿度值显示在系统监控界面。系统通过热释红外传感器确定远程监控现场是否有人活动。当有人进入监控现场时，热释红外传感器会发生热红外感应，系统监控界面显示为有人状态。

6结束语

随着网络的普及以及嵌入式技术的迅速发展，嵌入式系统与网络结合更加密切。系统以S3C6410芯片为处理器，通过Internet与嵌入式设备结合，使用本地计算机通过Internet对现场设备信息进行远程监控[10]，实现对现场环境参数的采集，包括环境温度、湿度、烟雾度等，并实现数据异常时的报警功能。在远程监控客户端，用户通过 IE 浏览器输入相应网址、正确的用户名和密码进行身份验证，可以登录监控系统，保证了Web远程监控系统的安全性。在 Web 服务器端通过 USB 摄像头采集图像，在 Web 服务器端通过 spcaserv建立视频服务器，传送视频数据到客户端，实现对楼宇环境现场视频的实时监测。

参考文献

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中图分类号：TH89;TP23

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508014

北京市重点学科——检测技术与自动化装置学科建设基金资助项目(编号：5111523302)；

北京市自然科学基金资助项目(编号：4122029)。

修改稿收到日期：2015-02-15。

第一作者艾红(1962-)，女，1989年毕业于天津大学自动化仪表专业，获硕士学位，副教授；主要从事自动化仪表方面的研究。