基于物聯(lián)網(wǎng)的圖像監(jiān)控系統(tǒng)

作者 有鵬 劉勇 楊林莉 謝松巖 韓正一 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院(江蘇 徐州 221008)

*基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：201613579001Y)

有鵬(1982-)，男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

摘要：物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在已經(jīng)與各個(gè)行業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域深度融合。物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)量龐大的各種分布式終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種物理環(huán)境的感知。本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的圖像監(jiān)控系統(tǒng)，給出監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、系統(tǒng)模型和實(shí)現(xiàn)方法。圖像采集硬件以MT7620為控制器，通過安卓移動(dòng)設(shè)備接收?qǐng)D像，可以及時(shí)、準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行圖像監(jiān)控。

引言

　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展使得生產(chǎn)生活中的各個(gè)領(lǐng)域都與之深度融合。從對(duì)環(huán)境參數(shù)的簡(jiǎn)單感知到大數(shù)據(jù)融合分析，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在推進(jìn)各個(gè)行業(yè)的改革。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過信息感知終端采集農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中各類信息，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化管理^[1];物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用主要是對(duì)電網(wǎng)設(shè)備感知，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析及應(yīng)用^[2];面向智能交通的物聯(lián)網(wǎng)也是通過對(duì)人流、車流等交通狀態(tài)的感知分析，得出優(yōu)化后的交通指導(dǎo)數(shù)據(jù)^[3];智能礦山中的煤礦安全生產(chǎn)系統(tǒng)是集合了大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)的主動(dòng)式、多參數(shù)融合的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)^[4-6]。物聯(lián)網(wǎng)正在深刻影響各行各業(yè)，與各行各業(yè)的結(jié)合也產(chǎn)生了1+1大于2的效果。

　　隨著人們對(duì)自身安全保護(hù)的意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)烈，高危生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)人員進(jìn)行定位和緊急救援等^[7]，圖像識(shí)別監(jiān)控是最直接有效的方法。圖像識(shí)別監(jiān)控與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，可以提高監(jiān)控的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

1 圖像監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖像監(jiān)控系統(tǒng)主要由圖像采集節(jié)點(diǎn)獲得監(jiān)測(cè)環(huán)境圖像，圖像通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端。通過圖像識(shí)別分析可以對(duì)人員進(jìn)行定位、救援，也可以得到環(huán)境的運(yùn)行狀態(tài)，以判斷有無(wú)事故。圖1為圖像監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

1.1 圖像采集節(jié)點(diǎn)

　　圖形采集節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)核心是中國(guó)臺(tái)灣聯(lián)發(fā)科的MT7620。MT7620是一款高集成度的片上系統(tǒng)。該芯片集成了CPU、基帶、射頻電路等，只需要加上簡(jiǎn)單的外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。MT7620內(nèi)部集成了580MHz MIPS? 24KEc? 的CPU、2T2R 802.11n Wi-Fi 收發(fā)器、5 個(gè)高速Ethernet PHY、HNAT、存儲(chǔ)器加速器、1個(gè)USB2.0 控制器、多種輸入輸出接口(如串口、NAND、eMMC、SD-XC、I2S/PCM、2 UARTs 、PCIe、RGMII以及GPIO)。以MT7620為核心搭建的硬件系統(tǒng)可以通過多種方式接入物聯(lián)網(wǎng)中。

　　圖像采集節(jié)點(diǎn)需要用于對(duì)多任務(wù)、多線程、多硬件進(jìn)行管理的嵌入式操作系統(tǒng)。OpenWRT是一個(gè)高度模塊化、高度自動(dòng)化的Linux系統(tǒng)，支持多種架構(gòu)的處理器，如ARM、MIPS等，擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組建和擴(kuò)展性，常常用于工控設(shè)備、小型機(jī)器人、智能家居等。系統(tǒng)中集成了上百個(gè)編譯好的軟件簡(jiǎn)化開發(fā)的工序。OpenWRT可以描述為一個(gè)嵌入式Linux發(fā)行版，不是單一的靜態(tài)系統(tǒng)。OpenWRT的包管理提供一個(gè)完全可寫的文件系統(tǒng)，可以進(jìn)行應(yīng)用程序的選擇和配置并具有完全定制能力，以適應(yīng)開發(fā)設(shè)備。

　　在MT7620上移植OpenWRT，通過OpenWRT系統(tǒng)中數(shù)量多、功能強(qiáng)的各種軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像采集、網(wǎng)絡(luò)通信的優(yōu)化管理。

1.2 移動(dòng)監(jiān)控終端

　　圖像監(jiān)控系統(tǒng)的顯示控制終端采用具有移動(dòng)性的手持設(shè)備。移動(dòng)監(jiān)控終端配置大尺寸的液晶顯示器，運(yùn)行Android操作系統(tǒng)，通過WIFI與圖像采集節(jié)點(diǎn)建立無(wú)線通信。Android系統(tǒng)的架構(gòu)分為四層，從低層到高層分別是Linux kernel、Library、Application Framework和Application。Linux kernel負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。Linux kernel中集成了常用的外設(shè)驅(qū)動(dòng)，如藍(lán)牙、WiFi、攝像頭、顯示等。運(yùn)行Android系統(tǒng)的移動(dòng)監(jiān)控終端可以方便、快捷地與圖像采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信和數(shù)據(jù)交換。

2 圖像監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 圖像采集與傳輸

　　圖像的采集選用USB接口的免驅(qū)攝像頭。USB免驅(qū)攝像頭輸出格式一般分為YUV和MJPEG。由于YUV格式圖像的數(shù)據(jù)量比MJPEG格式的要大許多，在傳輸時(shí)占用太多的資源，因此選擇MJPEG格式的圖像。為了能讓圖像監(jiān)控節(jié)點(diǎn)支持MJPEG格式的圖像數(shù)據(jù)，需要在OpenWRT系統(tǒng)中加載UVC驅(qū)動(dòng)。進(jìn)入OpenWRT configuration --->Kernel modules--->video support，選中kmod-video-core和kmod-video-uvc。驅(qū)動(dòng)加載后，OpenWRT就可以與攝像頭建立圖像數(shù)據(jù)傳輸并識(shí)別圖像格式。

　　圖像采集實(shí)現(xiàn)后，要把圖像數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送還需要添加mjpg-streamer軟件。Mjpg-streamer將JPEG幀從一個(gè)或多個(gè)輸入插件輸出到多個(gè)輸出插件。Mjpg-streamer用于從網(wǎng)絡(luò)攝像頭獲取JPEG流文件，通過基于IP的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到各種類型的顯示終端，如Chrome瀏覽器、Firefox瀏覽器、Cambozola、VLC、媒體播放器和其它能夠接收MJPG流的軟件。進(jìn)入OpenWRT configuration --->Multimedia，選中mjpg-streamer。也可以修改mjpg-streamer.config文件，將默認(rèn)的option enable “0”改為option enable “1”。

2.2 移動(dòng)監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

　　為了讓運(yùn)行Android系統(tǒng)的移動(dòng)監(jiān)控終端能夠接收?qǐng)D像采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的視頻，需要設(shè)計(jì)軟件接收視頻數(shù)據(jù)流并顯示出來(lái)。表2中為建立網(wǎng)絡(luò)連接接收數(shù)據(jù)流并解析為圖片所需要的基本JAVA包，并給出了主要應(yīng)用函數(shù)。圖2為監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)流程圖。

3 圖像監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試

　　圖像采集節(jié)點(diǎn)通電后，通過SSH登錄到OpenWRT系統(tǒng)中，將免驅(qū)攝像頭插入節(jié)點(diǎn)USB接口，可以識(shí)別攝像頭。輸入ls /dev/vid*命令，OpenWRT系統(tǒng)給這個(gè)攝像頭分配的ID為video0。

　　打開移動(dòng)設(shè)備的監(jiān)控軟件，在登錄界面輸入圖像采集節(jié)點(diǎn)的IP地址，可以在屏幕上看到攝像頭采集到的圖像，如圖3所示。

4 結(jié)論

　　圖像監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)計(jì)和測(cè)試后可以看到，結(jié)果符合預(yù)期。但是現(xiàn)在用的方法是實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控圖像，功耗會(huì)很大。可以在此基礎(chǔ)上通過安裝OpenWRT中的motion軟件，通過采集圖像對(duì)比發(fā)生變化再采集，并且通過電源管理算法可以實(shí)現(xiàn)低功耗。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第8期第40頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。