一种基于远程监控和控制的LED照明系统设计研究

张勇 苏成悦 陈洪极 叶嘉乐 麦伟伦

摘 要：文中提出了一种基于LED智能照明、实时监控和精准控制的照明控制系统设计方案。系统由3个子系统组成，分别为LED智能照明系统、视频监控系统和客服端登录控制系统。系统将摄像头采集的数据通过H.264编码经串口传输到主控芯片，主控芯片通过内置网卡实现广域网通信，并将数据上传到云服务器供客户端远程访问和下载;客户端基于Android系统开发应用程序APP，实现远程实时监控和控制。

关键词：智能照明系统;H.264视频编码;远程监控;云服务器;LED;精准控制

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2019）05-00-02

0 引 言

基于远程的智能照明和控制技术已被广泛应用于民用、工农业等领域[1-5]。有学者发表了基于WiFi的家用智能照明控制系统设计[1]、一种基于物联网的楼宇监控和管理系统[2]、一种远程LED照明监控系统的设计[3]、基于ARM的城市照明智能监控网络网关设计[4]、农业节水灌溉远程监控系统的设计与实现[5]。但以上系统都各有缺陷，部分具有远程视频监控功能却没有LED远程控制功能;有的实现了LED远程控制却没有视频监控功能。

结合以上问题，本文提出了一种基于远程控制、具有视频实时监控、可调光照明、数据采集、设备控制的集成系统设计。

1 系统总体方案设计

基于远程监控和LED智能照明系统的总方案如图1所示。系统主控芯片采用ARM公司设计生产的Cortex-A53芯片，外围电路由电源、摄像头、WiFi、传感器、LED驱动器和显示屏组成。实现方法：将摄像头采集的图像，传感器采集的LED照度和色温数据通过串口与主控芯片通信，主控芯片内置网卡并与Internet相连，实现广域网通信，将数据传送到服务器，供客服端访问和下载历史数据;客服端利用Android系统开发APP应用程序连接云服务器，实现监控功能。

2 软件设计

系统软件设计主要分为2部分，分别为H.264视频编码设计和客服端APP应用程序开发设计。

2.1 H.264视频编码设计

视频压缩算法的主流方案包括MPEG，WMV，AVS和H.26X系列算法。MPEG的主要缺点是占用内存资源大、图像动态变化大时，画面采集容易丢帧。WMV编码方式为非开放性，时延较大，且此编码方式只适用于Windows操作系统。AVS编码方式设计难度大，开发周期长，成本偏高。H.26X相对来说具有压缩比高、图像质量高等特点，适用较低宽带上的图像传输。综上考虑，本次采用最新的H.26X系列的H.264进行视频编码。H.264视频编码主要步骤：首先输入视频预测编码，之后再变换编码、量化处理、熵编码，最后在通信设备上传输视频。

2.1.1 H.264编码设计

系统采用变换和预测的混合编码法。在图2中，输入帧或者场Fn以宏块为单位被编码器处理。如果采用帧间预测编码，其预测值PRED是由当前片中已编码的参考图像经运动补偿（MC）后得到，其中参考图像F'n-1 表示预测值PRED和当前块相减，产生一个残差块Dn，经块变换、量化处理后产生一组量化变换系数X，再经熵编码，与解码所需的一些头信息组成压缩后的码流，经NAL（网络自适应层）供传输和存储用。

2.1.2 H.264解码设计

在图3中，将编码器NAL输出的H.264比特流经熵解码得到量化后的一组变换系数X，再经反量化、反变换，得到残差Dn。利用从该比特流中解码出的头信息，解码器即可产生一个预测块PRED，它和编码器中的原始PRED相同。该解码器产生的PRED与残差D'n相加，就得到了uF'n，经滤波后得到解码输出图像F'n。

2.2 客服端APP应用程序开发设计

客服端控制系统设计是监控控制系统的核心，考虑该系统的可拓展性和功能性，选择在Android系统进行客服端的开发和设计。客服端搭建流程：创建套接字、连接服务器、判断是否连接成功，是则进入死循环，保存服务器IP和端口号，开启发送接收函数，检测服务器是否断开连接，是则释放资源、退出死循环，具体如图4所示。

3 實验结果和分析

3.1 UI设计平面和操作界面测试

UI注册和登录界面如图5所示。注册账号为手机电话号码，密码按照用户指定的进行设置。登录账号为用户注册手机号码，密码为设置密码，其中还配置有用户忘记密码可重设密码功能。

3.2 监控画面测试结果

客服端登录APP成功之后，用户主界面窗口如图6所示。

用户可进入文件管理设置界面下载图片或视频，如图7所示。图片和视频下载完毕后可进行视频回放，视频保留了记录时间，可随意拖动进度条跳转观看。

3.3 样机成品

样品经过烧写程序，组装套件，最终制作出基于远程LED监控和控制LED照明系统装置，如图8所示。该样品具有远程监控和控制LED照明的功能，并能及时回看监控记录，对于农业、牧业以及医疗研究具有重要意义。

4 结 语

基于监控系统和控制LED照明系统设计的研究，在局域网之间通信和广域网通信的基础上，实现了视频监控功能，且该系统监控与控制装置被整合为同一整体，便于移植和二次开发。随着AI技术的发展，该系统可以被应用到人工智能化场景，如动物的24小时监控实验，以及农业领域利用图像识别技术检测植物生长情况，对害虫进行分类和对农药进行分量处理的远程控制。综上所述，该系统的设计具有良好的应用场景和实际意义。

参 考 文 献

[1]张璘，冯陈伟，周超.基于Android 的远程视频监控系统的设计与实现[J].计算机应用，2016，36（S1）：301-304.

[2]吕庭，高维强，殷昊.基于WiFi的家用智能照明控制系统设计[J].计算机测量与控制，2018，26（7）：70-75.

[3]朱明明，赵亮，张琼英，等.一种基于物联网的楼宇监控和管理系统[J].电子测量技术，2018，41（2）：124-129.

[4]王凡，杨亮.基于开源硬件与虚拟机的智能农业监控系统设计[J].电子技术应用，2015，41（4）：73-80.

[5]赵焱.农业节水灌溉远程监控系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2017，25（4）：80-84.

[6]邓小龙，李寄富，陆锦军.基于ARM的城市照明智能监控网络网关设计[J].测控技术，2017，36（1）：80-83.

[7]陈伟锋，李丹峰，王镇宇.基于GPRS与Android系统的城市照明智能监控系统[J].电子质量，2018（4）：29-33.

[8]秦维，张轩雄.基于图像识别的花卉监控嵌入式系统研制[J].电子测量技术，2018，41（7）：95-98.

[9]林羽钦，阮玉斌.LED照明智能控制系统研究与设计[J].中国照明电器，2017（2）：9-16.

[10]苏楚怡，黄金旭，刘灼权.基于ZigBee的智能LED照明系统[J].物联网技术，2017，7（7）：83-5.