基于树莓派的移动智能监控系统设计*

王雨凡，张雨好，黄 旭，孙 涛，林健平，张高远

(河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471023)

科技发展日新月异，人们对安全也越发重视，无论是日常生活，还是工业生产，监控系统都起到了非常重要的作用[1]。而传统的由分布在各处的固定摄像头构建成的监控网络有很大的局限性，不可避免地存在监控死角，若其中一个摄像头损坏或被遮挡就会造成更大的监控盲区，使其安全性大大降低。一些场所，例如流动短期施工地、事故现场和户外露营地等，由于安保人员的缺失和传统监控设备安装的复杂性而未安装，安保和监控问题越来越明显。

为方便对环境进行监控，本文设计一种基于树莓派的智能移动环境监控装置。该装置具有实时智能监控、灵活性强、监控范围宽、支持智能调整、安全性强及可扩展性等特点，适用于多种需要监控而不便于架设传统安防监控系统的场合。

本系统由多个安全桩和一个手机APP组成，每个安全桩由树莓派和若干外围器件组成，多个相同的安全桩围合以包围住受保护的区域，也可设为开环模式进行区域性防控。

安全桩的系统架构图如图1。安全桩配备环形LED灯和光敏模块，可以实现夜间自动照明，也可根据实际情况自定义照明时间。配备高功率音频功率放大器和扬声器，以满足安防警报的需要，同时还可实现远程喊话的实用功能；配备大容量电池和太阳能电池板，以体现低碳环保的理念，同时也减少或省去充电的繁琐步骤，实现无线连接，自给自足；预留链条和路锥连接杆接口，以便按照实际情况加装链条和路锥连接杆；且预留加重盘接口，以便安装加重盘，增强安全桩的防风能力。安全桩还配备北斗/GPS双模导航模块，可实时精准定位，定位信息受手机APP监控，警情发生时，可根据定位信息锁定警情发生地点。

图1 系统框架图

安全桩采用经过加强后的红外收发装置形成闭环架构，如图2所示。每个安全桩距离约5 m～15 m，均配备一个红外发送装置和一个红外接收装置。红外发送装置向下一个安全桩发送经过编码后的红外线信号，红外接收装置接收上一个安全桩发射的红外线信号。系统首尾相连，一旦有入侵者进入，遮挡红外线信号通路后，将会被相应的监控桩感应到，并立刻发出警报声，警报灯同时亮起，且将警报信息传至手机APP，管理人员可实时掌握现场情况，及时处理。

当警报被触发时，树莓派将摄像头采集的图像实时进行基于TensorFlow深度学习算法的图像识别，并实时调整摄像头的角度锁定闯入者，实现指向性监控，扩大了传统监控系统的维度，实现智能监控。图像识别功能还可用于动物识别，监控画面中发现有动物靠近时，将启动超声波发射器进行超声波驱赶，下文会详细描述。

图2 闭环架构

1 硬件设计

1.1 主控制器

考虑到安全桩的功能需求，选用树莓派3B+作为主树莓派。3B+采用BCM2837B0型号CPU，该CPU由1.4 GHz 64位4核ARM Cortex-A53构成，树莓派还配备双频802.11ac无线网卡和蓝牙4.2，千兆以太网卡，USB 2.0，1G LPDDR2运行内存，符合安全桩对主控制器的需求。

1.2 电源管理模块

电源由18650大容量锂电池组和太阳能两部分组成。白天使用太阳能供电，同时太阳能将对锂电池进行充电，以便夜间使用，节约成本且低碳环保。太阳能和锂电池通过电源管理模块进行变压供电给树莓派以及各个模块。

1.3 长焦红外收发模块

安全桩采用经过加强后的长焦红外收发模块检测不明闯入者，每个安全桩均配备一个红外发送装置和一个红外接收装置。红外发送装置向下一个安全桩发送经过编码后的红外线信号，红外接收装置接收上一个安全桩发射的红外线信号。系统首尾相连，一旦有入侵者进入，遮挡红外线信号通路后，将会被相应的监控桩感应到，完成相应操作。

1.4 音频模块

音频模块由大功率音频功放和大功率扬声器两部分组成。安全桩发送信号给音频功放，然后通过音频功放驱动扬声器，实现警报或喊话。

1.5 Wi-Fi模块

安全桩通过树莓派板载Wi-Fi模块接入局域网，实现安全桩与安全桩、安全桩与手机APP之间互联，实现实时的图像传输和信息传输。

1.6 身份识别模块

身份识别模块包括两部分，分别是指纹识别和IC卡识别。通过AS608指纹识别模块以及RFID-RC522 IC卡识别模块对指纹和射频识别IC卡进行身份识别。

1.7 照明模块

照明模块主要用来实现夜间照明。本模块中包括光敏传感器以及LED照明灯带，通过光敏传感器获取环境光照强度，可以实现夜间自动照明，也可以通过手机APP实现实现人为控制。

1.8 监控模块

监控模块主要通过CSI摄像头来进行监控，麦克风获取环境声音，采集的音视频信号通过树莓派Wi-Fi模块实时传送到手机APP，同时安全桩还加入了基于TensorFlow深度学习框架的图像识别技术，在接收到红外模块发出的有入侵者的信号之后，摄像头会自动识别锁定入侵者，通过舵机自动调节摄像头角度，为安保人员提供位置以及记录入侵者的行为。

1.9 北斗/GPS双模定位模块

安全桩上配备ATGM332D-5N北斗/GPS双模定位模块，可实时精准定位。定位信息受手机APP监控，警情发生时，可根据定位信息锁定警情发生地点。

1.10 超声波模块

安全桩配备超声波发射器，利用动物听觉的灵敏性，即在一些频率下的声波人类听不到但动物能听到的原理，当监控画面中发现有动物靠近时，将启动超声波发射器发射特定频率的声波进行驱赶，也可根据实际情况自定义开启时间。超声波驱赶动物功能在有动物频繁出没的居民区或有野生动物出没的野外非常具有实用性。

1.11 舵机

安全桩配备舵机，用于随时调整摄像头角度，实现指向性监控。

1.12 光敏模块

安全桩配备光敏模块，用于实时监测环境光亮度，实现夜间自动照明功能。

1.13 手机APP

手机APP是本系统与用户交互的主要终端，是实现实时监控和安全保障的核心。手机APP功能包括：1) 接收安全桩发来的警报，查看报警地点等信息。2) 接收、查看和存储各个监控桩的监控视频。3) 管理内部人员信息，查看员工打卡情况。4) 查看各个监控桩的状态，如异常情况记录，电量，Wi-Fi信号质量，定位数据，定位信号质量，工作状态。5) 对各个监控桩进行操作，如转动摄像头，远程喊话，打开或关闭LED灯，打开或关闭超声波发射器，访客准入模式。6) 录入指纹、ID卡信息等。

2 软件设计

关于软件方面，手机APP是本系统与用户交互的主要终端，是实现实时监控和安全保障的核心。当安全桩的警报被触发时，手机APP将立即发出警报。手机APP可以实时显示当前保护区域内所有的监控桩拍摄的实时监控画面(现场情况一目了然)，当前人员信息、异常情况记录表、每个监控桩的电量、信号质量、工作状态等，也可对单个监控桩详细信息进行查看，并进行操作，如转动摄像头，远程喊话，打开或关闭LED灯，打开或关闭超声波发射器，访客准入模式等具体操作。基于树莓派的程序主要借python+opencv实现对移动物体的检测，系统树莓派使用Python语言进行编写，先配置好树莓派的环境，安装树莓派所使用的系统，接着进行树莓派与OpenCV的连接，再使用云服务器和Tomcat通过所获得的数据进行相应的功能判断，最后要用APP作为报警的目的[2-4]。设计流程如图3所示。

3 方案特性

安全桩配备有麦克风、有舵机、可转动的摄像头作为监控设备，可进行24小时实时监控，并实时的将所监测的图像通过Wi-Fi局域网传输到手机APP实时显示，可完全替代传统的固定式监控系统。安全桩配备北斗/GPS双模导航模块，可实时精准定位，定位信息受手机APP监控，警情发生时，可根据定位信息锁定警情发生地点[5]。本设备还拥有指纹识别模块和IC卡识别模块，可完全代替门禁和考勤设备，实现实时人员管理与控制。手机APP可实时查看人员情况，并进行相应操作和数据管理，为人员管理工作提供方便。安全桩配备超声波发射器，利用动物听觉的灵敏性，即在一些频率下的声波人类听不到但动物能听到的原理，当监控画面中发现有动物靠近时，将启动超声波发射器进行超声波驱赶，也可根据实际情况进行自定义设置。超声波驱赶动物功能在有动物频繁出没的居民区或有野生动物出没的野外非常具有实用性。

4 结论

由于本系统具有很强的灵活性和互通性，易于扩展，可以针对不同用户的需求增加其他个性化功能，例如温湿度监测，风速和风向检测，空气质量检测等；可以与其他智能化系统合并，共享网络，实现万物互联，例如工地的智能安全帽管理系统；也可精简现有的功能以降低成本，简化操作。通过进一步开发，本系统还可接入公安安防网络，实现联动控制，还可接入互联网，实现云端监控，促进监控设备产业的智能化和完善化。