实验室远程安全监测系统研究与设计

张红梅，张远翼，何可佳

（1.宁波工程学院电信学院，浙江宁波 315016；2.福州大学建筑学院，福建福州 350108）

实验室开放是实验教学改革发展的必然，是培养学生实践能力和创新能力的重要环节［1］。实验室安全监测是高等院校实验室管理的重要内容，也是困扰实验室开放的主要因素之一。目前国内各高校实验室监测方案主要是通过视频监控系统和火灾探测报警系统2个子系统实现。（1）视频监控系统又称闭路监视系统［2］，它主要是通过前端摄像机、监听器、入侵探测器等设备采集现场信号，通过现场配置的解码器及传输线路把各种信息传送到中心控制室的微机矩阵主机，主机再把各个信号切换到不同的输出设备上显示出来。（2）火灾探测报警系统主要是通过由主备电源、火灾报警、故障报警等组成的一个控制器，对火灾信号进行采集，控制器采用液晶显示屏，用发光二极管显示控制器的状态［3］。因此，无论是从视频监控系统还是火灾探测报警系统上看，其结构都相对复杂，安装成本高，极大地制约了普通高等院校实验室安全管理的正常开展。另外，传统的视频监控系统采用模拟信号传输［4］，且需要大量的录像机、录像带来存储图像信息，这势必带来大量的布线工作、图像存储工作以及大量的图像检索工作。而且，目前国内高校大多数实验室在建设初期并未考虑视频监控系统和火灾探测报警系统的布线，在后期的安全监测系统建设中往往需要改变实验室的原有布局，给实验室的正常使用带来了不便。

随着Internet技术的普及与发展，在实验室中应用Internet技术开发的基于B／S 模式的实验室远程安全监测系统已经成为高校实验建设与管理研究的一个热点。因此，文章采用嵌入式技术、Internet技术、视频解压缩等技术来实现基于Internet的实验室远程安全监测系统，将视频监控系统与火灾探测报警系统集成在一起，通过Internet来传输视频信号和火灾探测信号，利用计算机硬盘系统存储图像。

1 系统设计方案

实验室远程安全监测系统主要由主控制器AT91SAM9260、Internet接口电路、存储器电路、视频采集电路、人体传感器、烟雾传感器、报警器、电源及调试模块组成。其中，视频采集电路和人体传感器主要实现实验室的视频监控功能，当人体传感器探测到有人非法闯入时，系统会自动报警并通过视频采集电路记录现场视频，烟雾传感器主要完成火灾探测功能，当探测到有火灾隐患时，系统会发出警报信号并显示火灾的位置。系统的结构如图1所示。

2 硬件电路的实现

考虑到系统需要用到Java语言开发嵌入式Web Server，系统选用Atmel公司推出的基于ARM926EJ－S内核的32位处理器为主控制器。AT91SAM9260内带8KB指令和8KB的数据高速缓存，且有一个特定的、高效率的系统管理控制功能，包括复位控制、关机控制、时钟管理、高级外围控制（AIC）调试组件（DBGU），支持Linux、uC／OS、Windows CE等嵌入式操作系统［5］。AT91SAM9260丰富的外围接口和较高的性价比，极大地降低了系统开发的复杂度，提高了开发效率。

图1 系统结构框图

2.1 Internet接口电路

由于视频信号和火灾探测信号的传输是通过Internet来实现的，因此Internet接口电路的设计相当重要。从硬件的角度上看，Internet接口电路主要由MAC 控制器和物理层接口两大部分构成。由于AT91SAM9260已集成有以太网控制器EMAC，在设计时只需要实现物理层接口即可［6］。在本设计中，使用DM9161作为以太网的物理层接口。DM9161是一款低功耗、高性能的CMOS芯片，支持10 MB 和100 MB的以太网传输，它起编码、译码输入和输出数据的作用［7］。由于DM9161 和主控制器AT91SAM9260所具有的EMAC支持MII和RMII接口功能，根据信号的定义相连接即可。信号的发送端和接收端通过一个网络隔离变压器HR911105（集成RJ45接口）接入Internet。Internet接口电路原理图如图2所示。

图2 Internet接口电路原理图

其中：MDC是管理数据时钟引脚，其最大时钟速率为2.5MHz；MDIO 是管理数据I／O 引脚；CRS为载波监听引脚；COL 用于冲突检测；TXCLK／RXCLK 是发送／接收时钟引脚，在10 Mbit／s 串行模式下只用TXD0／RXD0；TXEN是发送使能端；TXER／RXER是发送／接收错误端；RXEN是接收使能端；RXDV 是接收数据有效端，当RXDV＝1时表示接收的数据有效。

2.2 存储器电路

考虑到系统在处理视频图像时需要占用大量的存储器资源，系统扩展了1 片三星公司生产的64MB NAND Flash存储器K9F1208UOM 和1片Hynix半导体 公 司 生 产 的 32 MB SDRAM 存 储 器HY57V561620CT－H。存储器电路原理图如图3所示。

图3 存储器电路原理图

K9F1208UOM 的数据总线宽度为8bit，3.3 V的电压即可完成在系统的编程与擦除。芯片的存储空间被分为128页，每页有528B，每32页组成一个块，共有4 096个块［8］。块是NAND Flash中最大的操作单元，擦除按照块为单位完成，而编程／读取是按照页完成。HY57V561620CT－H 是256 Mbit CMOS同步DRAM，可用于要求高存储密度和高带宽的主存储器应用。其内部被组成4 M×16bit大小的4个块。该存储器提供了以时钟正沿为基准的、完全的同步操作，即所有的输入输出与时钟输入的上升沿同步。

2.3 视频采集电路

视频采集电路主要由图像传感器构成。主控制器AT91SAM9260带有图像传感器接口（image sensor interface，ISI），通过图像传感器接口（ISI）可以将一个CMOS 类型的图像传感器连接到主控制器AT91SAM9260上，以捕获各种格式的图像。视频采集电路原理图如图4所示。

图4 视频采集电路原理图

考虑到系统的开发成本，视频采集电路选用Omnivision公司的CMOS 彩色图像传感器OV7620［9］，该传感器的最大分辨率可达到326 688像素。它不但能工作在逐行扫描方式下，也能工作在隔行扫描方式下。OV7620首先通过I2C 总线信号对工作寄存器进行初始化，接着开始按要求输出图像信号，包括行同步信号、场同步信号、像素时钟信号和数字图像信号等。

2.4 人体传感器与烟雾传感器接口电路

人体传感器与烟雾传感器接口电路原理图如图5所示。系统设计了两路的人体传感器和两路的烟雾传感器接口。人体传感器主要是为防止非法闯入而设计的。在本系统设计中选用基于红外技术的人体感应模块TDL718，该模块灵敏度高、可靠性强，且具有全自动感应功能，当有人进入其感应范围时，TDL718的out引脚将输出高电平；当人体离开感应范围时，TDL718将自动延时后关闭高电平，并输出低电平。因此，系统可以通过检测out引脚的电平高低确定是否有人非法闯入，当检测到有异常情况发生时，系统会自动报警并通知图像传感器记录现场视频。

图5 人体传感器与烟雾传感器接口电路原理图

烟雾传感器实现了系统的防火报警功能。系统通过烟雾传感器探测烟雾离子，当室内的烟雾浓度超过限量时，系统将自动报警并显示火灾的位置信息。本系统选用了SS－168A 型烟雾传感器，该传感器具有2个输出引脚，当发现有火灾隐患时，蜂鸣器会发出报警声音，指示灯闪烁，并输出信号供主控制器采集识别，主控制器根据采集到的信号，调用嵌入式Web Server显示报警信息。

3 系统软件的实现

基于Internet的实验室远程安全监测系统以嵌入式Linux2.6.19为软件平台。嵌入式Linux2.6.19的内核及根文件系统是烧写在Flash存储器里的，因此对嵌入式Linux2.6.19的引导程序必须根据目标平台进行编写，对存储器的地址空间进行规划。

3.1 存储器地址空间规划

在本系统中，Flash存储器的地址是0x0200A000－0x0800A000，这样可以将Flash 进行区域划分，从0x0200A000－0x0280A000的地址空间作为启动代码Boot－loader的存储空间，从0x0280A001－0x0400A000的地址空间用于存放内核映像文件，0x0400A001－0x0800A000的地址空间用于存放根文件系统，作为一个设备文件加载到系统里。图6给出了Flash存储器的地址空间规划。

图6 Flash地址空间规划

系统上电复位后，根据系统设置，系统程序计数器（PC）指针首先指向SDRAM 的地址0处，完成必要的系统初始化；然后，PC跳转到Flash的0地址，也就是0x0200A000处，完成系统SDRAM 的初始化工作，将后面Boot－loader代码复制到SDRAM 的0地址，也就是0x00001FFF 处；将 PC 指针再次跳转到0x00001FFF，在SDRAM 存储器内部执行Boot－loader内核加载代码。采用在SDRAM 内而不在Flash内执行Boot－loader的原因，是因为在SDRAM 内执行代码速度比在Flash 内快很多，有利于加快系统启动速度。

接下来Boot－loader所做的工作就是从Flash 里把压缩的内核映像复制到SDRAM 内的0x0000A004处，并且把根文件系统所在的地址参数传递给内核；内核复制到 SDRAM 之后，PC 指针又跳转到0x0000A004，进行内核解压，执行内核启动。内核启动过程中根据Boot－loader传递过来的地址参数去寻找根文件系统，将其加载到实验室远程安全监测系统上。

按照上述安排，通过软件SAM－BA1.11和tftp依次将Boot－loader、内核及根文件系统下载到Flash里，然后就可以启动系统，嵌入式Linux就可以被引导启动起来，进入正常状态。

3.2 视频压缩算法设计

由于视频采集电路采集到的视频数据信息量较大，如果直接通过网络传输，则会增加数据传输系统的负担，大大降低数据传输效率，因此，在数据包封装传输前必须先对视频数据进行压缩。本系统采用JPEG压缩算法对封装前的视频数据进行压缩。

JPEG 是一个适用于彩色、单色多灰度、连续色调的数字图像压缩标准，它采用的是全彩影像标准，其主要处理过程包括：色彩模型转换、离散余弦（DCT）变换，重排DCT 结果、量化和编码等［10］。JPEG 算法不仅适用于静止图像压缩，而且适用于视频图像序列的帧内图像压缩。在本系统设计中，JPEG 算法的实现步骤为：①通过离散余弦（DCT）变换去除数据冗余；②使用量化表对DCT 系数进行量化；③采用Huaffman可变字长编码对量化后的DCT 系统进行编码，使其熵达到最小。

4 系统测试

为了验证系统设计的正确性，分别对系统的功能（包括通信接口、数据传输和整体性能）和网络性能进行综合测试。在系统测试前，必须对系统IP地址、网关地址、服务器地址、视频帧的大小、每秒采集的帧数、网络带宽等相关参数进行设置。

4.1 系统功能测试

首先，在同一台PC机上建立2个超级终端，一个与串口建立连接，另一个与Socket建立连接。在超级终端的一窗口内输入数据，另一个窗口即时响应，这说明通信接口功能正常［11］；其次，通过电平转换电路建立与PC机的串口连接，用超级终端进行数据传输验证；再次，采用Java Script脚本语言和PWS服务器建立一个Web服务器。由于嵌入式Web Server拥有标准的接口形式和通信协议，内嵌于设备的Web服务器可以向任何接入网络的合法用户提供统一的、基于浏览器方式的操作和控制界面［12］；最后，通过网络线将本系统与网络上的1台交换机连接，在远程通过IE浏览器与Web服务器通信，通过Java API提供的URL、Socket技术以及ASP技术可以实现不同层次的数据传送。

监测设置可以对整个实验室远程安全监测系统进行设置，包括视频的存放路径、保存格式等，时还可以设置当有人非法闯入时系统自动录相并保存。视频下载可以对临时存储在系统中的视频进行下载。报表打印主要是针对入侵检测和火灾探测的监测数据，可以把一段时间内的监测数据进行打印，方便后期对数据进行分析。由于实验室远程安全监测系统是采用基于B／S的模式，因此后台管理可以对嵌入式Web Server进行简单的后台管理设置。当某个人体传感器探测到有人进入探测区域时，系统会在监控页面中入侵检测的相应位置上显示“1”。同样，当火灾探测中烟雾传感器的相应位置上显示“0”表示没有探测到火灾隐患，显示“1”表示探测到火灾隐患。

4.2 网络性能测试

系统的网络性能测试需要在主机上安装Wild－Packets Etherpeek Nx［13］软件。通过该软件，可以捕获系统的网络性能数据。这里设置为每隔10s对网络上的数据包等进行1 次采样。主要获得网络参数有：每10s发送的包数和字节数、网络带宽利用率等，通过设定不同的网络带宽对系统进行测试，实验记录如表1所示。

表1 系统在不同带宽下的网络性能情况

当系统运行处于稳定状态时，在设定带宽为500 Kbit／s、视频流分辨率为320×240像素、帧率为20的情况下，测得系统的网络性能如图8所示。

图8 视频网络性能测试

从图8可以看出：在10：28：29以前和10：34：19以后，监控区域以静态图像为主，系统传输视频的平均速率达到473.6 Kbit／s；在10：28：29—10：34：19 之间，监控区域内有剧烈运动物体，导致视频传输速率出现较大的抖动，最大速率为689 Kbit／s，最小速率为306Kbit／s。经测试发现：对于静止画面或运动变化不大的情况，整体压缩率很高，使用较小的带宽即可获得清晰的图像效果；对于运动画面则需要占用较高的带宽；而且系统可以根据网络带宽情况，自动调整单帧数据量的大小以保证画面流畅性，当网络带宽严重不足时，显示的画面会出现马赛克的现象。通过多次调试验证，能够建立实验室远程安全监测系统与测试终端的连接，并可实现基于Internet的视频监控、火灾探测和入侵检测功能。

5 结束语

高校实验室是高等学校开展人才培养、科学研究和社会服务的必备场所，但受安全管理的制约，许多本该开放的实验室无法面向学生正常开放。实验室远程安全监测系统作为实验室安全管理的重要内容，其建设刻不容缓。基于Internet的实验室远程安全监测系统不但可以节约布线成本，减少施工难度，减少图像的存储工作量和检索工作量，而且还不影响原有实验室的布局，保证了实验室工作的正常开展。该系统稳定可靠、操作方便、扩展性好，能够满足普通院校实验室管理和开放的需要。

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