摘  要： 介紹了監(jiān)控終端系統(tǒng)的構(gòu)成,，重點(diǎn)闡述圖像采集,、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法，將感興趣的監(jiān)控圖像傳輸至監(jiān)控中心，從而大大減少GPRS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量,，降低了成本,，減輕了監(jiān)控人員的工作強(qiáng)度,。
關(guān)鍵詞： ARM-Linux,；GPRS；遠(yuǎn)程監(jiān)控,；Video4Linux,；運(yùn)動(dòng)檢測(cè) 

　　在需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度胧较到y(tǒng)上，無線傳輸方式已成為應(yīng)用趨勢(shì),，而GPRS（General Packet Radio Service)具有永遠(yuǎn)在線,、快速登錄、高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)[1],，被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng),、無線抄表、無線監(jiān)控設(shè)備中,。
　　傳統(tǒng)的無線圖像監(jiān)控系統(tǒng),，需要不間斷地把監(jiān)控圖像傳送至監(jiān)控中心，而這些監(jiān)控圖像中的有用圖像卻只占少數(shù),，這就浪費(fèi)了大量的數(shù)據(jù)流量,，也增加了成本。同時(shí),，監(jiān)控人員必須時(shí)刻注意監(jiān)控畫面,，這不僅枯燥乏味，而且很容易忽略掉重要的監(jiān)控畫面。因此,，開發(fā)一種能自動(dòng)篩選出用戶感興趣的圖像并發(fā)送至監(jiān)控中心的監(jiān)控終端具有重要意義,。
　　本無線監(jiān)控終端以三星公司的S3C2440A為主控芯片，移植了Linux操作系統(tǒng),。系統(tǒng)對(duì)USB攝像頭采集到的圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，如果有物體在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng),，則將監(jiān)控圖像通過GPRS傳送至監(jiān)控中心,。由于只發(fā)送用戶感興趣的監(jiān)控圖像，從而大大降低了無線數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)據(jù)流量,，避免了傳統(tǒng)無線監(jiān)控系統(tǒng)中因傳輸大量無用的監(jiān)控圖像而造成的數(shù)據(jù)流量浪費(fèi),，同時(shí)也減輕了監(jiān)控人員因長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)視監(jiān)控圖像帶來的工作強(qiáng)度。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
　　本系統(tǒng)由硬件,、底層軟件和應(yīng)用軟件三部分組成,，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)硬件的微處理器采用三星公司的S3C2440A處理器,，該處理器內(nèi)含一個(gè)ARM920T內(nèi)核,，標(biāo)準(zhǔn)工作頻率為400 MHz，內(nèi)嵌豐富的外圍設(shè)備,，片外擴(kuò)展64 MB的Nandflash(型號(hào)：K9F1208D0A)和2片32 MB的SDRAM(型號(hào)為HY57V561620),；攝像頭采用基于ZC301器件的奧尼S888，采用CMOS感光器件,，48萬像素,，最大分辨率為800×600，需要單獨(dú)安裝驅(qū)動(dòng)程序,。GPRS模塊采用華為公司的GTM900雙頻段GSM/GPRS無線模塊,，它支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強(qiáng)AT命令，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議,，工作頻段為800 MHz/900 MHz/1 800 MHz/850 MHz/1 900 MHz,。本系統(tǒng)采用RS232串口與S3C2440相連，SIM卡電壓為3 V,。
 底層軟件由BootLoader(vivi),、嵌入式Linux內(nèi)核(版本為2.6.17)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,、文件系統(tǒng)組成,。在內(nèi)核配置中，需要添加對(duì)視頻設(shè)備編程接口的支持,，配置菜單路徑選擇Device Drivers->Multimedia device->Video for linux,。
　　應(yīng)用軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和圖像傳輸三部分,。
2 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
2.1 基本流程
　　應(yīng)用軟件的核心模塊包括圖像采集模塊,、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊和GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊,。首先圖像采集模塊用USB攝像頭采集分辨率為320×240的圖像,然后運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊采用改進(jìn)的幀差法對(duì)采集到的圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。如果運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊檢測(cè)出監(jiān)控區(qū)域內(nèi)有運(yùn)動(dòng)物體,，則將有物體運(yùn)動(dòng)的圖像添加到圖像發(fā)送隊(duì)列,，并喚醒GPRS數(shù)據(jù)傳輸線程，將隊(duì)列中的圖像發(fā)送至監(jiān)控中心,。當(dāng)圖像發(fā)送隊(duì)列中的圖像全部被發(fā)送出去后,，GPRS數(shù)據(jù)傳輸線程將置于休眠狀態(tài)。
2.2 Video4Linux的圖像采集
　　Video4Linux是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng),，它為針對(duì)視頻設(shè)備(常見的電視捕獲卡及USB口的攝像頭)的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù),，同時(shí)也提供無線電通信和文字電視廣播解碼和垂直消隱的數(shù)據(jù)接口[2]。本文主要針對(duì)USB攝像頭設(shè)備文件/dev/video0進(jìn)行圖像采集方面的程序設(shè)計(jì),。下面介紹主要步驟及部分代碼：
　　(1)打開視頻設(shè)備
　　int fd,；  //為視頻設(shè)備的文件描述符
　　fd=(open(“dev/video0”，O_RDWR)),；
　　if(fd<0){  //打開失敗
　　printf(“No Camera found!\n”),；
　　exit(-1)；
　　}
　　(2)讀取設(shè)備信息
　　ioctl函數(shù)將攝像頭的信息存放到結(jié)構(gòu)videocap中,，攝像頭信息主要包含名稱,、類型、通道數(shù),、圖像寬度,、圖像高度等。
　　struct video_capability videocap,；
　　if(ioctl (fd,，VIDIOCGCAP，&videocap) == -1){
　　printf(″Couldn′t get videodevice capability″),；
　　exit(-1),；
　　}
　　(3)更改設(shè)備當(dāng)前設(shè)置
　　設(shè)置圖像幀的屬性，將需要設(shè)置的屬性保存在結(jié)構(gòu)體videopict中,，主要包含圖像亮度,、色彩、對(duì)比度,、調(diào)色板參數(shù)等,。
　　if (ioctl (fd，VIDIOCSPICT,，&videopict) < 0){
　　    printf(″Couldnt set videopict params with VIDIOCSPICT″),；
       　　　exit(-1)；
　　}
　　(4)圖像采集
　　圖像采集主要有2種方式：read()直接讀取和mmap()內(nèi)存映射。本系統(tǒng)采用mmap()內(nèi)存映射方式,。
　　vmmap.height=240,；
　　vmmap.width=320；
　　vmmap.format=vd-> VIDEO_PALETTE_JPEG,；
　　ioctl (vd->fd,，VIDIOCMCAPTURE，&(vd->vmmap),；
　　ioctl (vd->fd,，VIDIOCSYNC，0),；
　　pFramebuffer=(unsigned char*) mmap(0,，vd->videombuf.size,，
　　PROT_READ | PROT_WRITE,，MAP_SHARED，vd->fd,，0),；
　　第一個(gè)ioctl()設(shè)置了采集的圖像大小為320×240，圖像格式為JPEG,；第二個(gè)ioctl()設(shè)置為單幀采集,，再用mmap()函數(shù)將圖像數(shù)據(jù)映射到pFramebuffer指針?biāo)傅膬?nèi)存中。
2.3 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)
　　采集到監(jiān)控圖像之后,，就可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)了,。視頻圖像處理中，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法主要有背景差分法,、幀差法和光流法,。本系統(tǒng)采用幀差法。其原理是：當(dāng)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)有物體運(yùn)動(dòng)時(shí),，在采集的圖像幀中,，對(duì)應(yīng)區(qū)域的像素值會(huì)發(fā)生明顯變化，這時(shí)只需將兩幀差分,，得到兩幀圖像亮度差的絕對(duì)值,。如果絕對(duì)值比所設(shè)定的閾值大，則區(qū)域內(nèi)存在運(yùn)動(dòng)物體,；反之,，則不存在運(yùn)動(dòng)物體。用公式表達(dá)如下[3]：
 

　　實(shí)際應(yīng)用中,，閾值T的選擇相當(dāng)關(guān)鍵,。如果閾值過低，則不能有效地抑制圖像中的噪聲；反之將抑制圖像中有用的變化信息,。通常閾值的選擇與監(jiān)控場(chǎng)景的光照和攝像頭位置等外界具體環(huán)境條件有關(guān),，不可能對(duì)不同監(jiān)控環(huán)境設(shè)置相同的閾值。本文采用對(duì)不同的監(jiān)控環(huán)境自動(dòng)計(jì)算閾值,，方法是在開始采集圖像前,，先采集N幅背景圖像，將這些圖像亮度分量的平均值作為該監(jiān)控環(huán)境的閾值,。公式如下：
　　

　　 本系統(tǒng)只需檢測(cè)出監(jiān)控區(qū)域內(nèi)有無物體運(yùn)動(dòng),，無需提取出對(duì)象的完整區(qū)域，因此只需在圖像差分時(shí),，統(tǒng)計(jì)大于閾值T的像素點(diǎn)數(shù),。如果像素點(diǎn)數(shù)超過報(bào)警閾值，表明有物體運(yùn)動(dòng),；反之則可能是光線變化或噪聲干擾,。這樣不僅避免幀差法無法精確計(jì)算運(yùn)動(dòng)區(qū)域的缺點(diǎn)，同時(shí)也減輕了處理器的運(yùn)算壓力,。程序流程如圖2所示,。

2.4 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸
　　 本系統(tǒng)的GPRS模塊主要用于將送入圖像發(fā)送隊(duì)列中的有運(yùn)動(dòng)物體的監(jiān)控圖像傳輸至監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)的發(fā)送流程圖如圖3所示,。

　　GPRS模塊GTM900B的主要初始化流程為：配置APN->進(jìn)入TCPIP功能->打開一條TCP鏈接,，由于該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，直接操作AT指令就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,，主要初始化部分代碼如下：
　　SendData(″AT+CGDCONT=1,，\″IP\″，\″CMNET\″″,，13),；
　　… //檢查是否配置成功
　　SendData(″AT%ETCPIP″，13),；
　　… //檢查是否進(jìn)入tcpip
　　SendData(″AT%IPOPEN=\″TCP\″,，\″202.206.1.26\″，23″,，13),；
　　…
　　函數(shù)SendData()的功能是向串口設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。
　　初始化時(shí)需注意兩點(diǎn)：
　　(1)模塊上電20 s～30 s后再進(jìn)行TCPIP相關(guān)命令的使用,，因?yàn)槟K需要時(shí)間搜索網(wǎng)絡(luò),，以及相關(guān)信息初始化等。
　　(2)使用AT%ETCPIP命令,，當(dāng)命令還沒有返回時(shí),，串口有任何輸入都會(huì)導(dǎo)致該命令強(qiáng)制結(jié)束,，有%IPCLOSE：5的返回，表明模塊退出TCPIP功能,，這時(shí)必須重新使用AT%ETCPIP進(jìn)行TCPIP功能的打開操作,。
　　當(dāng)GPRS模塊初始化成功后，模塊就已經(jīng)接入Internet,，此時(shí)就可進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸了,，主要操作AT指令：AT%IPSEND。需要注意的是,，在設(shè)置AT％IOMODE=1的數(shù)據(jù)傳輸模式下,，數(shù)據(jù)包大小不能超過1 024 K，因此一幅圖像須分割成多個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳送,，而且數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)需要進(jìn)行ASCII和HEX的格式轉(zhuǎn)換,。
3 測(cè)試結(jié)果
　　實(shí)際測(cè)試時(shí)，監(jiān)控環(huán)境的閾值計(jì)算值為11,，報(bào)警閾值取1 000,，灰度值轉(zhuǎn)換公式為gray=r×0.3+g×0.6+b×0.1，計(jì)算出的大于閾值的像素點(diǎn)有13 562個(gè),，大于報(bào)警閾值,，GPRS模塊開始傳送圖像,。試驗(yàn)圖像如圖4所示,。

　　S3C2440A的核心工作頻率為406.425 MHz，當(dāng)GPRS模塊空閑時(shí),，從采集兩幅320×240分辨率的圖像開始到運(yùn)動(dòng)檢測(cè)結(jié)束,，時(shí)間約為55 ms，當(dāng)GPRS忙時(shí),，時(shí)間約為115 ms,，基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有運(yùn)動(dòng)物體的監(jiān)控圖像的捕捉。GPRS模塊發(fā)送一幅采集的JPEG圖像,，在網(wǎng)絡(luò)正常情況下,，系統(tǒng)延時(shí)通常不超過5 s。
　　本文簡(jiǎn)要介紹了無線監(jiān)控終端的系統(tǒng)構(gòu)成,，詳細(xì)闡述了應(yīng)用軟件的3個(gè)核心模塊的實(shí)現(xiàn)方法,。試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將有運(yùn)動(dòng)物體的監(jiān)控畫面?zhèn)鬏斨帘O(jiān)控中心的要求,，具有成本低,、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的無線監(jiān)控系統(tǒng)相比,，本系統(tǒng)可大大降低無線數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)據(jù)流量,，同時(shí)也省去了監(jiān)控人員長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)視監(jiān)控圖像的工作,。此外，本系統(tǒng)在軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了不同用戶的需求,，只需對(duì)軟硬件稍加擴(kuò)展,，就可實(shí)現(xiàn)將監(jiān)控畫面或報(bào)警短信傳送至用戶的彩信手機(jī)，具有很好的使用和推廣價(jià)值,。
參考文獻(xiàn)
[1] 里吉斯.通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社,，2004.
[2] Alan Cox.Video4Linux Programming．2000.
[3] 李剛，邱尚斌．基于不背景差法和幀間差法的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法[J]．儀器儀表學(xué)報(bào),，2006(8)：961-964.