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一種智能樓宇的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

更新時間:2018-08-13      點擊次數(shù):2310

視頻監(jiān)控是智能樓宇重要的組成部分,傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控只停留在本地化的人機監(jiān)控狀態(tài),未能實現(xiàn)樓宇的自動化管理,這很大地限制了智能樓宇的發(fā)展。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展,智能化視頻監(jiān)控在智能樓宇中得到廣泛應(yīng)用。介紹了智能化視頻監(jiān)控在智能樓宇中的典型應(yīng)用場景,包括周界防范、區(qū)域防空報警、智能人臉識別以及煙火檢測報警。
本文設(shè)計了一種智能樓宇的視頻監(jiān)控系統(tǒng),并從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面來闡述該系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)的硬件框架
整個硬件系統(tǒng)由信號處理板、信號轉(zhuǎn)換板、上位機以及CMOS圖像傳感器組成。信號處理板以S3C2416處理器為核心。S3C2416是一款以SAMSUNGARM9ARM926EJ)為內(nèi)核的處理器,由于低功耗、高性能、低成本的性價比優(yōu)勢,在實際中具有廣泛應(yīng)用。為了簡化信號處理板的硬件設(shè)計,同時兼顧系統(tǒng)與實際場所的兼容性,本系統(tǒng)設(shè)計了一種以STM32為核心處理器的信號轉(zhuǎn)換板,信號轉(zhuǎn)換板可根據(jù)接收的數(shù)據(jù)生成對應(yīng)的控制信號來驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。這樣只需修改信號轉(zhuǎn)換板的硬件設(shè)計,就能使系統(tǒng)很好地適應(yīng)各種不同的應(yīng)用場景。上位機與信號處理板之間通過網(wǎng)線連接。CMOS圖像傳感器直接與信號處理板連接。
系統(tǒng)的硬件總體架構(gòu)如圖1所示。

1 系統(tǒng)的硬件總體架構(gòu)
2 系統(tǒng)的軟件架構(gòu)
S3C2416為核心的信號處理板,需要分別與上位機和信號轉(zhuǎn)換板進(jìn)行通信。信號處理板需要為上位機提供查詢服務(wù)和設(shè)置服務(wù)。上位機端軟件通過切換不同的算法,可以適應(yīng)例如的不同的應(yīng)用場景,可以下發(fā)經(jīng)PC端算法處理后得到的控制信號,也可以發(fā)送相關(guān)指令,讓信號處理板上傳實時圖像和設(shè)備的運行狀態(tài)等。信號處理板也需要為信號轉(zhuǎn)換板提供控制服務(wù),信號處理板根據(jù)實時的處理結(jié)果或者上位機下發(fā)的控制信號,下發(fā)對應(yīng)的控制信號給信號轉(zhuǎn)換板,信號轉(zhuǎn)換板依據(jù)接收到數(shù)據(jù),生成相應(yīng)的控制信號以驅(qū)動對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。
21設(shè)備間通信協(xié)議設(shè)計
信號處理板與上位機之間的通信數(shù)據(jù)類型主要有三大類,種是信號處理板實時的圖像信息,第二種是信號處理板上傳的設(shè)備的運行狀態(tài)信息,第三種是上位機下發(fā)的控制指令。由于涉及圖像的傳輸,而且本系統(tǒng)中單幀數(shù)據(jù)就達(dá)到640*512個字節(jié),為了保證圖像傳輸?shù)膶崟r性,信號處理板與上位機之間的通信采用網(wǎng)絡(luò)通信。
信號處理板與信號轉(zhuǎn)換板之間的通信數(shù)據(jù)類型主要有兩大類,種是信號處理板下發(fā)的控制信號的指令,第二種是信號轉(zhuǎn)換板上傳的應(yīng)答信號。由于信號處理板與信號轉(zhuǎn)換板之間傳輸?shù)膯未螖?shù)據(jù)量較小,所以通過UART來進(jìn)行通信。
211網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議
針對網(wǎng)絡(luò)通信,本系統(tǒng)采用TCPIP協(xié)議,該協(xié)議在傳輸層分別有TCP協(xié)議和UDP協(xié)議,雖然UDP協(xié)議在傳輸速度上有較大優(yōu)勢,但是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性得不到保障,而TCP協(xié)議是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議,所以采用TCP協(xié)議便可保證數(shù)據(jù)傳輸過程的準(zhǔn)確性。由于有些應(yīng)用場景需要上位機對圖像進(jìn)行算法分析再將控制信號下發(fā)給信號處理板,所以本系統(tǒng)中傳輸層的通信協(xié)議選用TCP協(xié)議,但是TCP是基于字節(jié)流的,所以必須解決半包讀寫和粘包問題。
常見的處理方法有如下幾種:
方法1:定長消息,每個報文長度固定,不夠補空格;
方法2:使用回車換行符分割,在包尾加上分割符,例如FTP協(xié)議;
方法3:消息分割,頭為長度(消息總長度或消息體長度),通常頭用一個int32表示。
其中方法1通常適合長度不是很長的數(shù)據(jù),但在本系統(tǒng)中傳輸?shù)囊粠瑘D像數(shù)據(jù)就達(dá)到640*512個字節(jié),數(shù)據(jù)量較大,所以方法1不合適。由于傳輸?shù)氖菆D像數(shù)據(jù),圖像中連續(xù)的幾個像素點對應(yīng)的字符很有可能與固定字符相重復(fù),因此若采用以固定字符區(qū)分的方法2,必須對原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行遍歷,并對相關(guān)字符進(jìn)行轉(zhuǎn)義,但這樣計算量過大,會增加系統(tǒng)額外開銷,所以方法2也不合適。本系統(tǒng)采用方法3來設(shè)計網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,終的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議格式如圖2所示:

2 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議格式
1)數(shù)據(jù)長度:前4個字節(jié)代表數(shù)據(jù)長度n,對應(yīng)一個int32型整數(shù),所以該協(xié)議傳輸?shù)拇髷?shù)據(jù)長度為232個字節(jié)。
2)數(shù)據(jù)類型:第5個字節(jié)代表不同的數(shù)據(jù)類型,例如0x01表示圖像數(shù)據(jù)的上傳,0x02代表控制指令的下發(fā),0x04表示算法切換,此位可依據(jù)系統(tǒng)的功能進(jìn)行拓展。
3)數(shù)據(jù):從第6個字節(jié)開始的n個字節(jié)代表數(shù)據(jù)。
212串口通信協(xié)議
對于串口通信,必須解決數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性問題,為此本系統(tǒng)設(shè)計了如圖3的串口通信協(xié)議。

3 串口通信協(xié)議格式
1)起始標(biāo)志:1個字節(jié),用十六進(jìn)制可表示為F0H。
2)數(shù)據(jù)長度:1個字節(jié)代表數(shù)據(jù)長度n,所以該協(xié)議傳輸?shù)拇髷?shù)據(jù)長度為256個字節(jié)。
3)數(shù)據(jù)類型:1個字節(jié)代表數(shù)據(jù)類型,例如0x01表示要求信號轉(zhuǎn)換板根據(jù)有效數(shù)據(jù)生成對應(yīng)的繼電器信號,此位可進(jìn)行拓展以驅(qū)動不同的驅(qū)動機構(gòu)。
4)數(shù)據(jù):n個字節(jié)的數(shù)據(jù)。
5)校驗位:n個字節(jié)的數(shù)據(jù)按位異或。
6)結(jié)束標(biāo)志:1個字節(jié),用十六進(jìn)制可表示為FFH。
同時,在串口的通信的設(shè)計過程中,參考了TCP協(xié)議中ACK的思想,當(dāng)信號轉(zhuǎn)換板收到一個命令后,會對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行校驗,校驗后則會回復(fù)一個包含一位數(shù)據(jù)校驗是否通過的確認(rèn)信號。信號處理板如果在發(fā)送指令500ms依舊沒有收到確認(rèn)信號或者收到的確認(rèn)信號表明數(shù)據(jù)接收有誤,則再次發(fā)送該命令,如果累計發(fā)送10次后依舊沒有收到正確的確認(rèn)信號,則認(rèn)為此鏈路存在通信故障,信號處理板則通過網(wǎng)絡(luò)將鏈路通信故障的錯誤信息反饋給上位機。
22信號處理板中軟件設(shè)計
信號處理板中主要有兩個線程:一個線程專門負(fù)責(zé)圖像的采集和處理,主要完成對圖像的實時采集,并對采集到的一幀圖像按照上位機設(shè)定的模式,完成上傳圖像、算法分析以及生成控制信號并通過UART口發(fā)送到信號轉(zhuǎn)換板中的部分或全部過程。信號處理板作為CS架構(gòu)的服務(wù)器端,為了保證響應(yīng)的實時性;第二個線程專門監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)端口,如果有命令發(fā)送過來,則根據(jù)解析的結(jié)果,完成參數(shù)的讀取、模式的切換、算法的切換、控制信號的生成以及通信鏈路通斷的判斷等。
網(wǎng)絡(luò)通信過程中的IO模型主要分為同步IO和異步I/兩大類。同步IO的主要缺點是在進(jìn)行IO的過程中函數(shù)無法立即返回,從而導(dǎo)致其他任務(wù)無法執(zhí)行,但是在異步IO中,無論數(shù)據(jù)是否完成交換都立即返回函數(shù),因此不影響執(zhí)行其他任務(wù),所以異步方式比同步方式能更有效地使用CPU資源,同時系統(tǒng)的響應(yīng)實時性也較好。由于信號處理板上運行的是Linux系統(tǒng),以本系統(tǒng)采用epoll模型。信號處理板的業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

4 信號處理板的業(yè)務(wù)流程圖
23上位機軟件設(shè)計
本系統(tǒng)基于Qt開發(fā)了一套上位機監(jiān)控軟件,該軟件主要提供監(jiān)控界面,界面的要素包括所連接設(shè)備(即信號處理板)的IP地址和端口號的設(shè)置、實時圖像顯示框、設(shè)備的運行狀態(tài)以及應(yīng)用場景的切換等。同時上位機軟件也能對實時的圖像數(shù)據(jù)按照設(shè)定要求進(jìn)行分析處理,并將分析處理后生成的控制信號通過網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至信號處理板。
該上位機軟件與信號處理板構(gòu)成CS架構(gòu),該軟件作為客戶端,信號處理板作為服務(wù)器端??紤]服務(wù)器端的套接字資源,并且鑒于此客戶端和服務(wù)器端的通信屬于長連接,所以上位機軟件在與信號處理板建立連接后,需要定時發(fā)送一個心跳包,以此來判斷通信鏈路是否正常,如果服務(wù)器端長時間沒有接收到此心跳包,則斷開對應(yīng)的socket連接,釋放相應(yīng)套接字資源??蛻舳塑浖ㄟ^對發(fā)送心跳包時所使用的系統(tǒng)函數(shù)write()的返回值,便可以判斷鏈路是否正常,如果異常,則釋放之前的套接字資源后再次進(jìn)行連接,如果嘗試10次后依舊不能正常建立連接,則在界面上顯示網(wǎng)絡(luò)連接失敗。
24信號轉(zhuǎn)換板中軟件設(shè)計
信號轉(zhuǎn)換板主要完成接收來自信號處理板的數(shù)據(jù),并根據(jù)解析結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號以驅(qū)動對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。ST*提供了豐富的庫函數(shù),這樣使得STM32的軟件開發(fā)過程大大簡化,在完成基本的配置后,只需完成應(yīng)用層程序的編寫即可。終,考慮實時性,設(shè)計的程序在中斷中完成數(shù)據(jù)的接收,并將接收的數(shù)據(jù)拷貝到一個靜態(tài)緩沖區(qū)中。主線程循環(huán)對靜態(tài)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取,并根據(jù)自定義的串口通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和校驗,如果校驗通過則回復(fù)表示數(shù)據(jù)接收正確的ACK信號,并生成對應(yīng)的控制信號,如果校驗不通過則回復(fù)表示數(shù)據(jù)接收錯誤的ACK信號。
25圖像分析算法設(shè)計
本系統(tǒng)作為一種視頻監(jiān)控,可以根據(jù)不同的場景切換不同的算法。一些識別算法,例如煙火檢測報警,只要在PC端通過訓(xùn)練和測試過程得到模型后,就可以編寫代碼,然后移植到嵌入式設(shè)備中,當(dāng)然此類識別算法也可以集成在上位機軟件中。
但是一些匹配算法,例如基于人臉識別的門禁系統(tǒng)中所用的算法,在完成人臉識別后,需要將提取的特征與數(shù)據(jù)庫中的特征進(jìn)行匹配,以確定此人是否具有相應(yīng)的權(quán)限,如果運行在嵌入式設(shè)備上,不僅浪費有限的存儲空間,而且在匹配過程中消耗大量的系統(tǒng)資源,影響系統(tǒng)的實時性;再者門禁系統(tǒng)存在添加和刪除某些人的權(quán)限的可能,如果將特征存放在嵌入式設(shè)備中,這樣后期的維護(hù)升級難度較大,因此這類算法應(yīng)該運行在上位機。
3 結(jié)束語
可拓展性和兼容性是本系統(tǒng)的一大特色,現(xiàn)今樓宇中存在的大量傳感器,例如微波傳感器、濕度傳感器等,這些可以直接與本系統(tǒng)中的信號轉(zhuǎn)換板相連,信號轉(zhuǎn)換板接收到傳感器數(shù)據(jù)后上傳至信號處理板,為信號處理板生成控制信號提供依據(jù),這些在軟件層面進(jìn)行修改便可實現(xiàn),減少了后期的升級改造成本。

 

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