基于AVR32設(shè)計(jì)的智能防盜與火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)

1.引言

本項(xiàng)目以Atmel公司的AVR32 AT32UC3A處理器為核心，以u(píng)Clinux操作系統(tǒng)為平臺(tái)，通過廣角攝像頭進(jìn)行視頻(或圖像)采集，并運(yùn)用算法實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別(室內(nèi)防盜)或火焰識(shí)別(室外防火)等功能。在此基礎(chǔ)上，擴(kuò)充出其他的功能：

(1)通過以太網(wǎng)端口及相關(guān)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的通信，從而實(shí)現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)的傳送與遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

(2)通過SD模塊及擴(kuò)充出的GPRS(GSM)模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)與個(gè)人終端設(shè)備PDA之間的通信，從而實(shí)現(xiàn)短信或電話提醒，報(bào)警與預(yù)警等功能。

本項(xiàng)目采用的硬件平臺(tái)為EVK1100?？紤]到芯片處理能力與實(shí)時(shí)性要求，可能換用性能更強(qiáng)，信號(hào)處理能力更為出色的AT32AP7系列芯片。

2.項(xiàng)目背景

“入室盜竊”這種違法犯罪行為在全球范圍內(nèi)日漸猖狂，現(xiàn)已成為一世界性難題。全世界每年為防范入室盜竊的投入近200多億美元，而每年入室盜竊造成的損失卻高達(dá)400多億美元。然而，傳統(tǒng)的通過人防(通過人力進(jìn)行安全防范的手段，比如人員巡邏，站崗等)和物防(比如現(xiàn)在常采用防盜窗，防盜門、保險(xiǎn)柜等)的手段已經(jīng)無法有效的制止盜竊率的繼續(xù)攀升。在如此的嚴(yán)峻形勢(shì)下，一種新的更為行之有效的安全防范手段呼之欲出。

而在另一方面，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年受森林和荒地火災(zāi)影響的土地約達(dá)3億5000萬公頃。這些火災(zāi)不僅給人類帶來了巨大的生命和財(cái)產(chǎn)的損失，還使氣候變化、空氣污染和喪失生物多樣性等問題進(jìn)一步惡化。因此，急需一種措施來預(yù)防森林和荒地火災(zāi)的發(fā)生和蔓延。聯(lián)合國糧農(nóng)組織就曾指出，導(dǎo)致森林和荒地火災(zāi)的最主要原因往往是一些人為因素，而采取預(yù)防、監(jiān)測(cè)、評(píng)估以及早期預(yù)警等綜合措施能夠有效的防止森林和荒地火災(zāi)的發(fā)生，從而減少火災(zāi)的發(fā)生，并降低火災(zāi)所帶來的損失。

本項(xiàng)目通過開發(fā)一個(gè)智能防盜與火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，用于預(yù)防上述社會(huì)問題。該系統(tǒng)特別適用于居民家庭、超市商場(chǎng)、銀行、森林火災(zāi)防控等場(chǎng)所，應(yīng)用范圍廣泛。

二、需求分析

1.功能要求

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端與接收終端兩部分構(gòu)成。其中，接收終端可以是個(gè)人移動(dòng)終端PDA或遠(yuǎn)程監(jiān)控的PC機(jī)。系統(tǒng)與個(gè)人終端的通信主要是基于GSM模塊(發(fā)短信等)或GPRS模塊(上網(wǎng))，甚至可以采用最新的3G技術(shù)等。而系統(tǒng)與終端PC機(jī)的通信則需要通過IP/TCP協(xié)議，采用socket機(jī)制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信與視頻數(shù)據(jù)的接收。這里實(shí)際上是把系統(tǒng)平臺(tái)視為一個(gè)服務(wù)器，而傳輸信道則可以選擇無線或有線信道。具體的系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：

2.性能要求

數(shù)據(jù)采集：為了采集到良好的視頻數(shù)據(jù)，要求系統(tǒng)應(yīng)放在一個(gè)光線充足的場(chǎng)所，以便能夠采集到有用數(shù)據(jù)。當(dāng)然也可以利用光敏傳感器，當(dāng)系統(tǒng)工作環(huán)境變暗，則自動(dòng)開啟小燈。

數(shù)據(jù)處理：由于應(yīng)用場(chǎng)合要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)，故系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理與發(fā)送過程時(shí)延小。

考慮到系統(tǒng)的處理與存儲(chǔ)能力，攝像頭的像素不應(yīng)太高。

處理器應(yīng)能夠移植常用的一些微處理器操作系統(tǒng)，如uClinux等。

算法準(zhǔn)確度應(yīng)該足夠高，以免發(fā)生誤報(bào)，避免不必要的麻煩。根據(jù)需要可以外接與警察局或消防部門的通信部分。

三、方案設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

如下圖所示，系統(tǒng)主要由圖像或視頻采集、核心處理單元、GSM模塊、以太網(wǎng)模塊、光敏傳感模塊等組成。由攝像頭采集的數(shù)據(jù)為系統(tǒng)的輸入部分。而AVR32 AT32UC3A與uClinux組成了智能防盜與火災(zāi)預(yù)防系統(tǒng)的核心處理單元。其中攝像頭時(shí)刻對(duì)四周的情況進(jìn)行捕獲，將信號(hào)發(fā)給AVR3 AT32UC3A處理器，運(yùn)行在AVR32 AT32UC3A上的系統(tǒng)uClinux則負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行與核心算法的實(shí)現(xiàn)。

2.硬件平臺(tái)選用及資源配置

EVK1100開發(fā)板支持AT32UC3A芯片，外圍器件包括：一個(gè)Ethernet端口，光、溫度電位計(jì)傳感器，20字符×4行的藍(lán)色LED燈，JTAG、Nexus、 USART、 USB、TWI和SPI接口，以及一個(gè)SD/MMC讀卡器。其主要的電路模塊圖有：

時(shí)鐘與重置模塊電路：

SD/MMC模塊電路：

SPI模塊電路：

JTAG模塊電路：

本項(xiàng)目基于Atmel AT32UC3A EVK1100開發(fā)板以及相應(yīng)的一些擴(kuò)展板，通過攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過網(wǎng)絡(luò)等手段將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端PC機(jī)上。本系統(tǒng)平臺(tái)主要包括：

攝像頭

選擇廣角CCD攝像頭，便于全方位的監(jiān)控。這里的攝像頭的像素不應(yīng)太高，否則可能導(dǎo)致存儲(chǔ)空間不足，無法完整接收數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)通信模塊

EVK1100開發(fā)板上有自帶的以太網(wǎng)接口，支持有線信道網(wǎng)絡(luò)傳輸。如果需要將系統(tǒng)放置在室外，則需要擴(kuò)充相應(yīng)的Wi-Fi模塊。通過以太網(wǎng)模塊，一方面可以及時(shí)的將數(shù)據(jù)從系統(tǒng)平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)端PC，另一方面也可以及時(shí)的接收到來自PC機(jī)的控制信號(hào)。

GPRS模塊(GSM模塊)

GPRS(GSM)模塊主要用于系統(tǒng)與個(gè)人移動(dòng)終端設(shè)備PDA的通信。因?yàn)槲覀儾豢赡軙r(shí)刻都在遠(yuǎn)程PC機(jī)上進(jìn)行監(jiān)控。故而時(shí)常是在發(fā)生情況的時(shí)候，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況及時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)端PC上保存。而將發(fā)生的情況以短信通知到用戶PDA上。這樣子，即使犯罪分子僥幸逃脫，也可以通過在PC機(jī)上存儲(chǔ)的照片信息，將其繩之以法。

光敏傳感器模塊

考慮到攝像頭在低光強(qiáng)的環(huán)境下的視頻采集效果不佳，故而需要通過這一模塊對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)的調(diào)整攝像范圍內(nèi)的光線強(qiáng)度。

外置節(jié)能小燈

通過USB或串口外接一個(gè)節(jié)能小燈，當(dāng)光敏傳感器檢測(cè)到光強(qiáng)低于一定值時(shí)，就發(fā)生控制信號(hào)，開啟節(jié)能小燈。當(dāng)然也可以在遠(yuǎn)程PC或PDA上，通過向系統(tǒng)平臺(tái)發(fā)送開啟或關(guān)閉小燈的命令。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，通過遠(yuǎn)程的控制指令的優(yōu)先級(jí)高。故如果在遠(yuǎn)端關(guān)閉了小燈，即使工作環(huán)境變暗，也無法通過自動(dòng)檢測(cè)開啟小燈。

3.系統(tǒng)軟件架構(gòu)

本系統(tǒng)以CC++、匯編語言作為系統(tǒng)開發(fā)編程語言，程序?qū)崿F(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，最后通過各模塊相互組合，相互協(xié)調(diào)，組成了一個(gè)多功能的嵌入式系統(tǒng)。

開發(fā)平臺(tái)：windows xpvista7

集成開發(fā)環(huán)境：AVR Studio 5

程序設(shè)計(jì)語言：CC++語言、匯編語言

程序下載：通過仿真器下載

軟件的設(shè)計(jì)上主要應(yīng)包括：uClinux系統(tǒng)移植、相關(guān)接口的硬件驅(qū)動(dòng)、圖片預(yù)處理濾波、圖像識(shí)別部分、圖像壓縮傳輸、遠(yuǎn)端PC指令接收與執(zhí)行部分等。

uClinux的移植

uClinux系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在微控制器領(lǐng)域，特別是針對(duì)沒有MMU(內(nèi)存管理單元)的CPU，通常用于具有很小內(nèi)存或Flash的嵌入式操作系統(tǒng)。故而滿足AVR32 AT32UC3A處理器的要求。(沒有MMU)

實(shí)現(xiàn)過程：進(jìn)行uClinux系統(tǒng)的搭接，首先需配置和編程Uboot，生成u-boot..hex文件，并通過開發(fā)工具燒寫入flash中。其次配置并編譯uClinux內(nèi)核。正確配置內(nèi)核后，重新編譯并下載到目標(biāo)板。

圖像預(yù)處理濾波

通過攝像頭采集得到得原始圖像，總是難免存在一定的噪聲。干擾噪聲過大，會(huì)使圖像的質(zhì)量下降，甚至淹沒在噪聲中。所以很又必要進(jìn)行圖片的預(yù)處理濾波過程。

圖像識(shí)別

這里的圖像識(shí)別主要包括對(duì)火焰的識(shí)別以及對(duì)人臉的識(shí)別。這是本項(xiàng)目的重點(diǎn)，需要相關(guān)算法的支持。

圖像壓縮傳輸

由于存儲(chǔ)空間與讀取傳送速度的限制，需要對(duì)圖片進(jìn)行壓縮處理，這里計(jì)劃采用JPEG壓縮算法，即采用以離散余弦(DCT)為基礎(chǔ)的有損壓縮。具體圖像的壓縮編碼與解碼算法框圖如下：

遠(yuǎn)端PC(或PDA)指令接收與執(zhí)行

遠(yuǎn)程PC機(jī)發(fā)過來的指令功能主要包括：

開啟攝像頭

關(guān)閉攝像頭

釋放存放的數(shù)據(jù)

進(jìn)行3連拍

設(shè)置圖片分辨率

關(guān)閉節(jié)能小燈

4.系統(tǒng)軟件流程

5.系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

首先，將與系統(tǒng)連接的攝像頭安裝在室內(nèi)。做好相關(guān)配置工作。

在白天時(shí)，當(dāng)有用戶成員在家時(shí)，攝像頭處于關(guān)閉狀態(tài)，以便節(jié)能。當(dāng)所有家庭成員外出后，通過手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備或電腦向系統(tǒng)發(fā)出命令，請(qǐng)求開啟攝像頭。而后系統(tǒng)開始監(jiān)控工作。當(dāng)遇到陰雨天氣時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)室內(nèi)光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)整是否開啟節(jié)能燈。

當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，比如家里發(fā)生火災(zāi)，則這時(shí)候則會(huì)再監(jiān)測(cè)是否有人在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，以確認(rèn)是否是認(rèn)為縱火或有人被困室內(nèi)。若有人在現(xiàn)場(chǎng)，則將現(xiàn)場(chǎng)圖片發(fā)生到遠(yuǎn)端PC機(jī)上保存，方便事后查清起火原因。

而后再把火災(zāi)險(xiǎn)情發(fā)送短信到用戶手機(jī)上，并關(guān)閉攝像頭(這里可以選擇先自動(dòng)撥通119電話)。當(dāng)沒有火災(zāi)時(shí)，當(dāng)全體家庭成員不在家時(shí)，有陌生人闖入，則攝像頭監(jiān)測(cè)到該人長(zhǎng)相，并拍下證據(jù)傳送到遠(yuǎn)端PC機(jī)上，并發(fā)生短信提醒用戶家里遭竊，這時(shí)用戶可以及時(shí)報(bào)案。

當(dāng)用戶成員回家時(shí)，則可以利用手機(jī)等設(shè)備關(guān)閉攝像頭，避免造成誤判等現(xiàn)象。而在夜間時(shí)，則一般需要開啟節(jié)能燈，以便能夠更好的進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作。