一种基于嵌入式平台的报警系统的设计

贵州师范大学机械与电气工程学院 赵 鹏 刘继荣

一种基于嵌入式平台的报警系统的设计

贵州师范大学机械与电气工程学院 赵 鹏 刘继荣

对应用在智能家居的防盗报警系统进行设计与实现。系统运行在嵌入式Linux平台上，采用motion移动物体检测程序进行对进入室内的人员进行检测，若发现有移动物体，则发出报警声并把移动物体的图像保存在文件系统上，同时，系统移植了web服务器及相应的网页控制程序，让用户通过浏览器对检测到的图像进行访问和对系统进行远程控制。

嵌入式；Linux；防盗报；警图像对比；智能家居

0 引言

随着城乡一体化的建设，我国人口居住密集度越来越高，出于居家防盗方面的考虑，设计了本文所介绍的防盗报警系统。本系统是应用于室内无人环境的监控防盗，其利用了图像处理技术对捕捉到的监控区域图像做算法对比，从而实现了对特定空间范围的监控。传统的防盗系统，大多是采用单点触发的方式，即在特定位置点安放传感器采集信息，当采集点采集到的信号量达到报警门限时，就向中心控制器发出报警请求信号！这种报警装置的优点是安装方便，反应迅速，但其适用范围较小，对单点噪声过分敏感而容易产生误报！基于图像对比的防盗报警系统克服了上述缺陷，其通过对所监视区域进行全景图片拍摄并作算法处理，避免单一采集点在测量时对随机噪声所产生的敏感性。

1 系统架构与工作流程分析

本系统采用了motion图像处理程序和嵌入式web网络服务器实现对室内移动人员的捕捉进而把捕捉到的内容通过图片文件的形式保存起来，让使用者更直观的清楚移动人员的情况。

1.1 防盗系统架构

本系统主要由图片采集子系统，报警子系统，移动物体监控主系统和网络监控子系统四个部分组成。

图像采集子系统沿用了linux内核中的Video4Linux2驱动程序，它为用户编写应用程序访问视频设备提供了一系列的接口函数。对于USB 接口摄像头，驱动程序中提供了 open、read、write、close、ioctl等基本的 I/O 操作接口函数，实现了对中断的处理和内存映射及控制摄像头等功能。其报警子系统移植了madplayer音频播放程序，提供播放用户自定义的报警音。移动物体监控主程序是基于图像对比算法的程序，它提供了用户根据实际情况定义采集照片的时间和图像对比差异的像素点阈值。网络监控子程序是移植了BOA服务器并编写主页和相关cgi程序，给用户提供浏览器从而访问到了监控图像的存储位置。

1.2 系统工作流程

系统采用的是中星微ZC301的usb摄像头，友善公司的mini2440开发板以及通用小音箱，在移植linux内核时要把相应的驱动给加载上才能工作。它的工作流程图如图1所示：

图1 防盗报警系统的工作流程

2 系统的软硬件设计

2.1 系统硬件设计

本系统的设计、开发工作是在以广州友善科技有限公司生产的mini2440 开发板作为核心器件的硬件平台上开展的。在此基础上，根据系统功能和性能上的要求，选择和设计了相关外围电路。将硬件开发平台的总体结构分为核心开发板和外接设备两个部分：核心开发板使用的是mini2440开发板，外围设备采用的是中星微ZC301型号的USB摄像头和报警用的小音箱。

2.2 系统软件设计

检测算法是整个安防监控系统的核心算法，其实时性与准确性决定着整个安防监控系统的可行性。本系统是采用静态背景下的运动目标检测算法。

本例采用背景更新算法，该算法能够自适应地获取背景图像。该算法提取背景的思路是保持运动区域内的背景不变，通过当前帧与背景帧的帧差图像找到物体的运动区域。在每一次的对比后，当前帧替换更新为非运动区域的背景，经过数次的对比后就能提取出背景图像。其算法可以分成以下几个步骤：

第一步：取第1帧图像作为背景。

第二步：选取阈值T，迭代次数m=1，最大迭代次数MAX_STEPS。

第三步：求当前帧的帧差分图像

第四步：由二值图像更新背景图像

式中,为背景图像和差分二值图像在(x,y)的灰度值；为输入的第i帧图像；α为迭代速度系数。

第五步：迭代次数m=m+1，返回③，当迭代次数m=MAX_STEPS时结束迭代。此时Bi(x,y)可视为背景图像。

运动目标的检测就是在当前帧图像中提取出运动目标。由于一般情况下，前景的运动目标的灰度与背景的灰度值之间有很大的差异，而运动物体本身的灰度值不会有很大差异。这样，当前帧图像，背景图像为B，背景差分二值图像为：

由上式可知，灰度值为255的差分二值图像像素点可视为前景的运动目标点。

2.3 BOA服务器的移植与CGI程序设计

本系统在嵌入式Linux平台下移植了BOA服务器作为网络服务提供者，用户只需登录浏览器即可远程访问嵌入式设备，并实现对现场的监控。BOA 服务器主要涉及两个技术：

（1）HTTP协议(超文本传输协议）：是TCP/IP 协议族上的应用层众多协议中的一种，也是现在很多的 Web 服务器所采用的标准协议。

（2）CGI（通用网关接口）：定义了 Web 服务器和可执行程序之间进行连接的接口准则，并提供了外部程序通道，Web 服务器正是利用这个通道和系统中的其他程序进行连接。

本系统编写了两个cgi程序实现浏览器访问到系统监控图片存储的路径，通过html文本以网页的形式更直观方便的展示了捕捉到的图片。另一个cgi程序提供给用户通过网页控制对系统进行请求操作。

图2 寝室光线下的物体入侵捕捉

3 系统性能测试与结果分析

开发平台硬件部分以高性能 S3C2440 芯片作为核心器件，移植内核版本为2.6.29的 Linux 嵌入式操作系统作为软件平台。完成系统移植后，对系统监控区域进行入侵测试。

在寝室环境下某个时间段进行测试，系统成功发出警告，并捕抓了移动物体的图像。在远程 PC 机浏览器上输入服务器网址后能够看到清晰的监控图像，证明设计方案切实可行，设计的系统能够实现对居住环境区域入侵监控，如图2所示。

4 结论

本章详细描述了本文设计的室内防盗报警系统的实现方案以及测试结果，并对测试结果进行了分析。测试实验结果达到了预期目标，证明了本文设计的室内防盗报警系统是可靠的。安防监控是智能家居系统中最基本的也是最重要的功能，它直接关系到人们的生命财产安全，所以其智能程度对智能家居系统的设计和推广有着重要意义。

[1]徐丽丽.基于ARM9的智能家居安防报警系统的设计[D].中北大学硕士学位论文,2014.

[2]叶牛.基于ARM 的智能家居监控系统设计[D].太原科技大学硕士学位论文,2014.

[3]易强.基于3G和ZigBee的智能家居无线传感网络系统设计与实现[D].广东工业大学硕士论文,2014.

[4]柴政.基于嵌入式技术的智能家居远程监控系统[D].南昌大学硕士学位论文,2009.

[5]Han D M,Lim J H.Smart home energy management system using IEEE 802.15.4 and ZigBee[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2010,56(3):1403-1410.

赵鹏（1992—），江苏淮安人，硕士研究生，现就读于贵州师范大学。