嵌入式远程实时监控图像传输控制系统设计

(成都广播电视大学 开放教育学院，成都 610051)

嵌入式远程实时监控图像传输控制系统设计

王琰

(成都广播电视大学开放教育学院，成都610051)

针对当前图像传输过程易出现信息丢失、耗时过长等问题，提出一种嵌入式远程实时监控图像传输控制系统设计方法;该设计方法基于STM32模式，通过STM43模式连接电源电路、接口电路、监控数据传输电路模块，到监控图像传输控制系统整体结构，将监控图像数据经IP网络与客户端相连实现监控图像传输，最后分别对监控信号处理模块和图像检测模块的算法进行优化;实验证明，所设计系统有效避免了图像传输中图像信息丢失现象，具有实践价值。

STM32模式；监控图像；传输控制

0 引言

随着计算机技术不断发展，各行业中对于图像传输过程提出了更高的要求[1]。监控图像传输控制系统围绕着监控系统硬件设计、监控图像管理和监控图像传输控制支持在软件开发中需要遵守的原则[2]，将计算机科学、管理科学和数学等结合起来，借鉴传统的方法及原则对监控图像传输控制系统进行开发[3]。当前的监控图像传输控制系统并不能很好地围绕着该原则进行设计，不能满足现代监控系统开发的需求[4-5]。在这种情况下，如何使软件工程实时监控图像系统的更加完善，使软件开发更加顺利安全，成为目前急需解决的问题[6]。基于STM32模式的软件工程实时监控图像系统方法，可以有效解决上述问题[7]。

文献[8]提出一种基于LABVIEW的实时监控图像传输系统方法。该方法设计监控信息数据传输等相关硬件，制定开发任务书。该方法具有实用性与先进性，但软件工程监控的结果不清晰。文献[9]提出一种基于GPRS的实时监控图像传输系统方法。对当前的监控管理系统进行升级，对系统中存在的问题进行分析。然后对该系统的硬件设备和参数进行详细的概述，利用GPRS对远程实时监控系统的整体设计和实现进行剖析。该系统虽然效率较高，但是实现的过程略繁琐。文献[10]提出一种基于uIP和RFID的实时监控图像系统方法。该方法分析J2EE开发技术以及Web开发技术。在系统功能设计中，首先对系统开发环境以及开发路线进行介绍，其次对系统实现的关键技术进行分析，给出系统中的主要功能模块运行界面，最后对系统测试进行讨论。该方法实时监控图像系统的速度较快，但是系统设计成本较高。

针对上述产生的问题，提出一种基于STM32模式的嵌入式实时监控图像传输控制系统设计方法。实验证明，所设计系统有效避免了图像传输中图像信息丢失现象，具有实践价值。

1 嵌入式实时监控图像传输控制系统方法

1.1 图像传输控制系统硬件设计

基于Zigbee+多Socket的轮对图像传输与处理硬件电路设计，设计了多路轮对图像传输与处理的硬件架构，整个系统分成图像采集模块、数据传输模块、Zigbee逻辑控制模块和Socket数据处理模块。介绍了TCP/IP协议栈的层次结构，完成基于硬件协议栈芯片W5300的以太网功能模块设计；对Zigbee与Socket之间的数据接口电路以及外扩的CortexA8和Linux存储器接口进行详细设计，并完成了整个系统硬件平台的搭建。

图1 系统硬件设计

图像在经过压缩编码后通过串行口直接发送出去，通信协议控制模块完成串行通信协议控制。以电话屏幕图像为例，在使用时，通过接收软件拨打远端发送方的电话号码，监控现场的摄像机所拍摄的图像便显示在接收方的电脑上，接收该图像的同时，用接收软件可以控制镜头的转动，还可以接收到的图像保存在接收端电脑硬盘上，用录像播放器可以随时播放，如果想要对某一时刻图像进行仔细观看，可以选择视频菜单中的抓拍。图像传输系统的输入端口决定了连接摄像机的数量。在图像传输过程中，通过接收软件可调节图像分辨率、图像的清晰度和传输速率。其中，图像的清晰度和传送速率成反比，图像愈清晰，传输速度愈慢。

1.2 监控图像数据传输电路设计

L1是共模电感，而L2，L3是差模电感，是用来抑制监控数据传输过程中骚扰电场生成的共模的干扰以及差模的干扰，电感量应该尽量大一些，由此监控管理系统抗干扰的效果更好。

图2 监控图像数据传输电路图

D21为36 V的TVS管，图中的C14为2 kV高压电容，如果线路中存在高压脉冲，浪涌管会马上导通，通过高压电容把高压脉冲经地线放掉，连接在线间安规电容，以滤除监控数据传输中的杂波。从而使嵌入式实时监控图像系统数据的信号传输更加稳定。

在实时监控图像数据传输电路中，监控数据传输的供电电路被安装在其内部，其中包含监控器与传感器供电，上图只给出了供电的电路外部的输出端电磁干扰电路，其外部24 V输出的是供电电路，为监控管理系统传感器提供供电的输出端。内部电路包含发射功率放大器、低噪声接收放大器以及晶体振荡器等电路，在图像信息接收模式中，所接收的射频调制的数字信号被低噪声放大器放大。

1.3 Camera Link接口电路设计

Camera Link接口电路图中，为了提高接口电路通用性，使该接口电路能够适应系统中的各种设备，除了采取光电耦合器对其进行隔离，还在监控数据输入端口根据可调节电位器Rw对电路信号的大小进行调节，改变跳线器S1的插块位置，以适应电路信号极性变化。多路跳线器S2输出端I1.1～I8.1利用监控系统总线的输入单片机I/O来扩展接口，该接口电路可以容纳多个设备的信号输入，通过实验完成了Camera Link接口相机图像的采集和显示。

图3 Camera Link接口电路设计

1.4 监控系统实时模块设计

监控模块主要利用监控信号处理，并估计监控图像像素导数值，从而完成监控图像检测。

图4 监控系统实时模块设计图

1.5 监控系统整体结构设计

在系统整体结构示意图中，监控数据采集模块将图像数据通过转换器进行各路转换，监控系统的终端包括电源电路、接口电路、传输电路以及监控管理模块，这几个模块分别将接收到的数据传送到PC机中，PC机将接收到的数据传输到计算机，对监控数据进行存储。

图5 监控系统整体结构示意图

系统向监控数据采集发出指令，每隔1 s软件对监控装置内的各个节点进行监控数据采集，将获取的图像数据转换为数字图像数据，利用电源电路、接口电路、监控数据传输电路以及监控管理模块相通，完成软件工程管理系统整体构造的设计。

1.6 远程监控系统电源模块设计

在远程监控系统电源电路图中，根据操作节569KA的常闭联锁导致665KA经常自锁电路的情况，加上570QS后，665KA依靠自锁电路获得电流，监控装置也将得到电流，装二极管Ⅰ的原因是如果系统电源断开570QS之后，将向401线供电的电源切断，二极管Ⅱ的安装是避免监控装置短路，从而使465线失电。由此电源电流可以更通常地为系统提供电。

图6 远程监控系统电源电路图

2 STM32远程监控图像

2.1 监控图像切换检测模块

利用Sobel算子对监控图像进行检测。其原理是利用卷积估计各个监控图像像素点的u与v方向的导数值，将图像的中心像素点与离它最近的像素点融合，该像素点为8个3*3方形窗，所输出的9个图像像素点，各像素点乘一个系数之后再相加。这个系数一般为一个卷积表。将上述的3*3方形窗所输出的9个图像像素点的数据(P1,P2，…,P9)，和卷积表做卷积，获得G(u)与G(v)，对G(u)与G(v)分别取绝对值，然后相加，获得最后结果G(u,v)，就是3*3方形窗中心像素点利用Sobel边缘检测得到的结果。上述计算的完成根据流水方式，划分为5级流水，可以使每个监控图像均可获得一个计算结果。运算过程如下：

G(u)=-P1+P3-2P4+2P6-P7+P9=

[(P3+P9)+(P6+P6)]-[(P1+P7)+(P4+P4)]

(3)

G(v)=P1+2P2+P3-P7-2P9=

[(P3+P1)+(P2+P2)]-[(P8+P8)+(P7+P9)]

(4)

G(u,v)=|G(u)|+|G(v)|

(5)

综上可知，第一级是8个加法，第二级是4个加法，第三级是2个减法，第四级是2个取绝对值的运算，第五级是1个加法，根据该计算结果完成检测。

2.2 实时监控图像信号采集处理模块

在嵌入式STM32环境中对监控图像系统的监控信号进行处理，为了减小噪声对信号处理的影响，在监控信号处理过程中，利用小波变换中的软硬阈值消噪法不同的特点，加入α因子，并提出了一种折中的软硬阈值方法实现监控图像信号的处理，具体的估计公式为：

(6)

由上式可知，当α取值为0与1时，上式就是硬阈值与软阈值的估计方法，该方法简单、方便，可以有效改进软硬阈值去噪法的缺点，得到更好的去噪效果，还可以进一步提升监控图像信号的信噪比。

去噪之后嵌入式实时监控图像信号的信噪比取决于α因子大小，α越大，监控信号失真就越严重，震荡就越小；α越小，监控信号失真就越少，震荡就越严重。分解尺度大小对去噪之后的监控信号信噪比有很大影响，如果分解的尺度过小，那么就不可以将信号噪声与信号彻底分离，如果分解的尺度太大，那么将会造成严重的监控信号失真。α因子太大或者太小或者分解尺度的变化均会使信噪比降低，因此必须选择适合的α因子和分解尺度。在本文中将信噪比作为目标函数，对α因子和分解尺度的选择进行了优化，获取了最优的α值和最优的分解尺度，最佳的去噪效果和最高信噪比增益。信噪比RSNR表示如下：

(7)

3 实验结果与分析

为了证明基于STM32模式的嵌入式实时监控图像传输控制系统方法的整体性能，需要进行一次实验，在POSIX的环境下搭建嵌入式图像监控管理实验平台。实验数据取自于北京凯思昊鹏软件工程技术有限公司，观察本文所提方法的可行性。

3.1 实验参数

实验过程中监控的脉冲电压为60 V，受干扰设备处电压峰值为353.563 mV，保证监控电压不对监控中的设备造成损坏，可以有效减弱脉冲电压干扰，在整个实验中，监控主电源接入24 V的开关电源，实验备用电源接入的是24 V蓄电池。打开监控主电源，将任意1小时的嵌入式实时监控图像调出，利用不同方法对该段监控图像进行检测，检测结果如表1所示。

3.2 实验步骤

1)分别利用不同方法，对凯思昊鹏软件工程技术有限公司某一具体软件开发过程进行实时监控，监控时间为1小时。

2)利用监控电路中的核心器件CD40106通过直流供电的大小，改变监控信号的幅值，观察不同方法在1小时内个别时间段的传输误码率，监控信号处理所用能耗，以及得到的监控信号所占监控系统存储空间大小。

3)采用不同方法对监控图像传输时的能耗及遗漏率进行对比，增加图像传输控制系统的效率及精度。

3.3 实验结果显示

表1是不同方法嵌入式实时监控图像传输耗时对比。

表1 不同方法监控图像传输时间对比

在表1中，文献[8]所提方法的传输时间与文献[10]方法的传输时间差不多，但明显高于本文方法传输同等数量图像的耗时，且本文方法传输2500幅图像所需时间在10JZs以内，由此可以证明本文所提方法的有效性与实时性能。

表2是不同方法监控图像数据占系统存储空间对比。

表2 不同方法监控数据占系统存储空间对比 KB

由表2可知，在不等的监控数据下，文献[9]所提方法监控图像数据占系统存储空间，明显要比本文所提方法监控图像数据所占系统存储空间大。文献[9]所提方法对图像监控数据库进行设计时，没有设置数据库建设的具体指标，导致监控数据所占系统存储空间较大。本文所提方法监控管理主系统构造中，监控数据采集模块发挥了重要作用，它将采集到的监控数据进行了处理，将冗余监控数据进行了过滤，减少了监控数据所占系统存储空间。图7是不同方法监控信号处理所用能耗(ε)对比。设该能耗单位为ε。

图7 不同方法监控图像传输所用能耗对比

分析图7可知，图像传输所用能耗应随着，监控处理所用时间的增加而增加，本文所提方法监控信号处理所用能耗，要远少于文献所提方法监控图像信号处理所用能耗。本文所提方法利用了小波变换中的软硬阈值消噪法不同的特点，并加入了α因子，提出了一种折中的软硬阈值方法实现监控信号的处理，减少了监控信号处理所用能耗。进一步证明了本文所提方法的可靠性。图8是在不同信噪比(dB)下，不同方法监控图像传输的率(%)对比。下式为误码率(%)计算公式：

(7)

由图8可知，本文所提方法监控图像传输的遗漏率，相比文献所提方法的图像传输遗漏率较低。因为本文方法将信噪比作为目标函数，对α因子和分解尺度的选择进行优化，获取最优α值和最优分解尺度，最佳去噪效果和最高信噪比增益，大大减少图像传输的遗漏率，增加本文所提方法的可信度。

实验证明，本文所提方法对远程实时监控图像系统的设计具有适用性，最大程度地减少软件开发时出现的各种意外状况，有利于提高软件开发系统的运行效果，具有较高实际意义。

图8 不同方法监控图像传输遗漏率对比

4 结束语

针对当前嵌入式远程实时监控图像传输控制系统容易出现传输速度慢、信息遗漏的现象，提出一种基于STM32模式的嵌入式远程实时监控图像传输控制系统，该系统能够有效避免当前方法的漏洞。经仿真实验证明，所提方法系统设计具有图像信息传递完整、耗时少的优点，为未来嵌入式远程实时监控图像传输控制系统开发提供帮助。

[1] 方文崇,梁寿愚.基于Zigbee的智能变电站实时监控系统高速视频数据传输[J].电子设计工程,2016,24(23):139-142.

[2] 吴建锋,罗小文.基于Web图像监控系统的设计与实现[J].微型机与应用,2016,35(16):83-84.

[3] 梅鲁海.一种3 G网络移动流媒体监控系统的图像处理及传输设计[J].电讯技术,2013,53(5):613-618.

[4] 黄 兴,王小涛.基于嵌入式Linux的图像监控系统无线图像传输部分的设计与实现[J].信息化研究,2011,37(1):42-45.

[5] 曹新伟,董鹏曙,金加根.数字化雷达图像传输设备中视频监控系统的设计[J].空军预警学院学报,2004,18(4):34-36.

[6] 齐连众,喻武龙,黄相杰.基于单片机的远程图像监控系统设计[J].计算机与现代化,2013(1):98-101.

[7] 崔 满,刘明兰,刘英仙.现代化大型工厂远程监控系统设计与实现[J].中国水运:学术版,2008,8(1):164-165.

[8] 刘 明,方娇莉,尹业华,等.嵌入式监控系统中断点续传的设计与实现[J].计算机技术与发展,2012,22(2):192-194.

[9] 金 亮,刘文霞.电力设备远程监控系统的设计与实现[J].中国电力教育,2007(S3):168-171.

[10] 孙建华,孙 铁,姜 静,等.基于无线VPN的网络图像传输控制系统[J].仪器仪表学报,2006,27(s1):637-638.

DesignofEmbeddedRemoteRealTimeMonitoringImageTransmissionControlSystem

Wang Yan

(Open Education Institute, Chengdu Radio & TV University, Chengdu 610051,China)

In view of the current information transmission process prone to loss of information, time-consuming and so on, this paper proposes a design method of embedded remote real-time monitoring image transmission control system. The design method based on STM32 mode, connect the power supply circuit, interface circuit, data transmission circuit module through the STM43 mode, to the overall structure of monitoring image transmission control system, the monitoring of image data by IP network and client connected monitoring image transmission, finally on Algorithm of monitoring signal processing module and the image detecting module is optimized. Experimental results show that the designed system effectively avoids the loss of image information in image transmission and has practical value.

STM32 mode; monitoring images; transmission control

2017-07-22；

2017-08-14。

王 琰(1979-)，男，四川犍为人，工学硕士，讲师，主要从事计算机软件开发与设计方向的研究。

1671-4598(2017)10-0274-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.070

TP311

A