簡(jiǎn)易智能家居監控系統的設計方方案

隨著(zhù)Internet和個(gè)人計算機的普及， Internet用戶(hù)已達到了空前的數量， 而對網(wǎng)絡(luò )的利用也已經(jīng)逐漸滲透到了各個(gè)行業(yè)， 現在已出現了如視頻會(huì )議、電子商務(wù)等新型業(yè)務(wù)， 這些業(yè)務(wù)的推出大大方便了人們的生活， 提高了社會(huì )效率。同樣， 視頻監控技術(shù)發(fā)展也經(jīng)歷了模擬監控、數字監控階段， 現在正在向大規模網(wǎng)絡(luò )監控技術(shù)方向發(fā)展。

　　網(wǎng)絡(luò )監控系統具有能夠克服地域的限制、傳輸信號不易受干擾、網(wǎng)絡(luò )帶寬可復用的巨大優(yōu)勢， 因而較之傳統監控模式具有更廣闊的發(fā)展空間。為此， 本文結合相關(guān)技術(shù)， 提出了一種基于嵌入式Web服務(wù)器的遠程監控系統方案， 該方案整合了門(mén)禁、紅外監測、煙霧探測等外圍設備， 并具有監控智慧化、存儲設備成本低、網(wǎng)絡(luò )資源占用率小、方便擴展等特點(diǎn)。

　　1 系統硬件設計

　　本系統以S3C2410為控制核心， 并基于嵌入式Linux操作系統來(lái)開(kāi)發(fā)設計。nand flash設備采用cramfs文件系統， 上電后掛載yaffs文件系統來(lái)保存臨時(shí)數據文件， 并提供有SD卡接口以用于保存視頻文件。

　　本系統中的視頻采集設備采用中芯微的ZC301芯片中的USB Camera.該芯片目前在市場(chǎng)上已被廣泛應用， 它能夠支持Video4linux.

　　Video4linux作為L(cháng)inux系統中可支持影像設備的一組API, 只要配合適當的視頻采集設備和驅動(dòng)，就可以實(shí)現影像采集。

　　網(wǎng)絡(luò )接入系統一般有兩種設計方式， 一是通過(guò)外部擴展網(wǎng)絡(luò )芯片RTL8019AS來(lái)實(shí)現， 另一種是通過(guò)外部擴展的GPRS模塊（設計中， GPRS核心模塊可采用wavecomQ2403A） 來(lái)實(shí)現。前者適合應用在檢測地點(diǎn)固定的情況下， 而后一種方式既能提供事件觸發(fā)短信發(fā)送功能， 又可以提供GPRS網(wǎng)絡(luò )接入功能， 從而使得視頻監控系統在汽車(chē)、野外現場(chǎng)等環(huán)境中也能夠得到應用。

　　此外， 本系統還擴展了紅外、煙霧測控設備、門(mén)禁系統， 并配備了報警裝置， 其系統硬件設計的整體框圖如圖1所示。 

　　圖1 系統硬件設計整體框圖 

　　2 軟件設計

　　本系統軟件由后臺進(jìn)程和前臺用戶(hù)接口兩部分組成。為了防止競態(tài)的出現， 在軟件實(shí)現時(shí)，用戶(hù)CGI接口可利用system V的郵箱通信機制向后臺進(jìn)程提出請求。后臺開(kāi)設有線(xiàn)程接收請求并對各設備功能模塊進(jìn)行統一調度。圖2所示是本系統的軟件整體結構框架。下面分別對系統的各個(gè)模塊進(jìn)行介紹。 

　　圖2 系統軟件整體框架圖

　　2.1 紅外探測模塊及煙霧檢測模塊

　　目前多數家居監控方案主要采用網(wǎng)絡(luò )攝像頭作為監控終端設備， 用戶(hù)可通過(guò)Web瀏覽器隨時(shí)隨地的監控家中狀況， 這給用戶(hù)帶來(lái)了巨大的便捷。但是， 由于它連續不間斷的監控， 缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)。首先是對存儲設備容量有巨大的要求， 由于被迫記錄了大量的非必要視頻， 存儲空間被嚴重浪費。面對這個(gè)問(wèn)題， 智能化成為對數字視頻監控系統的又一個(gè)主要要求。本文提出的方案是一種基于事件觸發(fā)的機制， 系統可以實(shí)現智能控制并只保存發(fā)生異常時(shí)的視頻文件。這種設計能有效節省系統存儲開(kāi)支、靈活控制監控設備， 為用戶(hù)提供很大方便。在基于事件觸發(fā)機制的方案設計中， 主要有針對軟、硬件的兩種設計方向。

　　其一是軟件主導的觸發(fā)方案， 這種方式可以參考motion開(kāi)源軟件項目的設計思路， 其原理是對采集到的jpeg圖片進(jìn)行比對， 當差異超過(guò)規定閾值則觸發(fā)相應動(dòng)作。motion是一個(gè)運行在Linux操作系統環(huán)境下的應用軟件， 它最大的特點(diǎn)就是能夠探測采集到畫(huà)面有效部分的變化， 也就是說(shuō)， 能夠監測到運動(dòng)。當畫(huà)面有變化時(shí)， motion將以一定的頻率采集jpeg文件， 并將其壓縮為視頻文件自動(dòng)保存。

　　這種軟件的實(shí)現機制依托實(shí)時(shí)的數據分析，對系統的處理和運算能力要求較高， 因此， 在實(shí)際使用中會(huì )有一些限制， 但是， 隨著(zhù)處理器運算能力的提高， 作為監控系統的智能化發(fā)展方向，將會(huì )有很好的發(fā)展前景。

　　其二是硬件主導的觸發(fā)方案， 本設計使用的便是這種方式。本系統采用紅外傳感器來(lái)探測異常， 同時(shí)整合了煙霧傳感器來(lái)監控火災， 當監控范圍內出現異常時(shí)便觸發(fā)中斷， 并由中斷處理程序啟動(dòng)視頻采集和火災報警等功能。采集到的視頻和資料將保存在外部存儲設備上。而門(mén)禁系統中的報警開(kāi)關(guān)， 則可在用戶(hù)刷卡回到家中后， 自動(dòng)關(guān)閉監控功能。 

　　2.2 數字壓縮單元

　　本系統采用MPEG-4視頻編碼器來(lái)對視頻圖像進(jìn)行壓縮編碼， 并利用FFmpeg視頻處理工具來(lái)實(shí)現。H.264算法具有很高的編碼效率， 在相同的重建圖像質(zhì)量下， 能夠比H.263節約50%左右的碼率。H.264的碼流結構網(wǎng)絡(luò )適應性強， 同時(shí)增加了差錯恢復能力， 能夠很好地適應IP和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )�？梢哉f(shuō)， H.264是目前壓縮率最高的視頻壓縮標準， 并已在數字監控系統中得到應用。

　　本系統的設計主要是針對家居監控應用， 家庭中的大部分都采用ADSL等設備接入網(wǎng)絡(luò )。由于會(huì )受到上行帶寬的限制， 故導致在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )視頻監控時(shí)視頻信號傳輸不流暢， 影響監控效果。

　　針對這種情況， 通過(guò)對MPEG系列壓縮算法的核心進(jìn)行分析， 發(fā)現其采用了I幀、P幀和B幀的模式， 其中I幀是關(guān)鍵幀， P幀是前向預測幀， B幀是后向預測幀。譯碼器收到一個(gè)I幀， 可無(wú)條件立刻解碼； 而當譯碼器收到P幀或B幀， 則必須先譯碼前面的P幀或I幀， 然后才能進(jìn)行譯碼。這樣， P幀對于I幀的依賴(lài)就形成了很大的延時(shí)。之后， 借鑒相關(guān)技術(shù)來(lái)對MPEG算法進(jìn)行優(yōu)化， 便可以通過(guò)對GOP （Group Of Picture） 這一值進(jìn)行設置來(lái)縮短I幀產(chǎn)生的間隔。這樣， 在以后的擴展中， 就可以利用帶寬實(shí)時(shí)檢測技術(shù)動(dòng)態(tài)的設置GOP, 從而最大限度地利用帶寬進(jìn)行視頻傳輸。

　　2.3 嵌入式web服務(wù)器模塊

　　嵌入式Web系統提供有一種經(jīng)濟實(shí)用的互聯(lián)網(wǎng)嵌入式接入方案， 故可為管理、控制和監測多種設備提供一個(gè)很好的途徑。由于嵌入式設備中的資源有限， 只能選擇輕量級的Web Server （如：thttpd、boa等）， 考慮到應用的廣泛性， 本系統也選擇了boa服務(wù)器。作為與用戶(hù)交互的主要方式，Web page力求簡(jiǎn)潔， 并可提供很多的功能接口。

　　這些功能接口基本可以分為兩種類(lèi)型， 一種是觸發(fā)動(dòng)作功能， 主要利用button觸發(fā)實(shí)現現場(chǎng)圖片的采集等動(dòng)作的操作。另一種是文件交互功能，這種功能的實(shí)現相對比較復雜， 它不只需要button觸發(fā)， 還需要一些文本域作為用戶(hù)配置的傳遞機制。動(dòng)態(tài)Web交互功能主要通過(guò)form窗體來(lái)實(shí)現， 當用戶(hù)點(diǎn)擊功能接口， 瀏覽器將窗體內容通過(guò)http協(xié)議傳輸給服務(wù)器后， 服務(wù)器再根據form中的action字段來(lái)調用相應的CGI文件。在經(jīng)過(guò)CGI的一系列URL解析動(dòng)作后， 即可得到對應參數， 系統根據得到的參數調用相應的功能函數，最終實(shí)現用戶(hù)對動(dòng)態(tài)頁(yè)面的操作功能。

　　本系統在文件交互功能Web頁(yè)設計中采用了iframe嵌入CGI文件的方式， CGI代碼同時(shí)擔負讀寫(xiě)文件和頁(yè)面顯示兩個(gè)功能。這種實(shí)現方式有時(shí)會(huì )遇到iframe高度自適應問(wèn)題， 系統如果禁止scrolling （下拉列表） 功能， 那么， iframe的高度是不能變化的， 需要預先設置。而實(shí)際情況是CGI將要顯示的高度往往是不確定的， 系統無(wú)法預知所要顯示的數據的長(cháng)度或表格行數。為此，本系統使用javascript腳本來(lái)在客戶(hù)端進(jìn)行調節，并通過(guò)在CGI代碼中加入如下代碼來(lái)實(shí)現iframe高度的自動(dòng)調節：

　　onload=" this.height=0 ;

　　var fdh = （ this.Document ?

　　this.Document.body.scrollHeight:this.content-

　　Document.body.offsetHeight ） ;

　　this.height=fdh"

　　在iframe子頁(yè)面中實(shí)現對父頁(yè)面刷新功能時(shí)，可使用如下的javascript代碼來(lái)完成：

　　<script language =javascript >window.parent.location.href=\" /Video_Processor.html\" ;</script>

　　2.4 文件系統

　　根據需保存文件的類(lèi)型， 本系統提供有兩種文件系統， 其中不會(huì )被修改的文件使用cramfs文件系統進(jìn)行保存， 而將臨時(shí)數據保存在yaffs文件系統中。用于與用戶(hù)交互的文件類(lèi)型主要有三種， 分別為配置文件、實(shí)時(shí)數據文件以及臨時(shí)文件。配置文件主要進(jìn)行系統設置， 包括常溫范圍、短信發(fā)送對方手機號碼等配置信息； 實(shí)時(shí)數據文件中包括實(shí)時(shí)采集到的煙霧信息和視頻信息等； 臨時(shí)文件則用于一些需要臨時(shí)存放在系統中的文件。另外， 系統上電后需要檢測并掛載外部大容量存儲設備， 如SD卡或U盤(pán)等， 以用于存放歷史數據文件， 實(shí)際操作時(shí)，用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)來(lái)配置當前需要采用哪種外圍存儲設備以及存儲容量等相關(guān)信息。

　　3 結束語(yǔ)

　　本文介紹的系統可為用戶(hù)提供良好的用戶(hù)接口。它結合事件驅動(dòng)機制， 能夠讓用戶(hù)在節約大量存儲成本的同時(shí)， 在更大范圍內更靈活的得到監控信息， 并具有很好的實(shí)用性和擴展性。

簡(jiǎn)易智能家居監控系統的設計方方案