基于視覺的多方位闖入監(jiān)控?zé)o線報警系統(tǒng)*

方榕華，陳 懇，王朝云，馮學(xué)思

（寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211）

隨著生活水平的不斷提高，人們越來越重視自己的個人安全和財產(chǎn)安全，以嵌入式視頻服務(wù)器為核心的監(jiān)控系統(tǒng)也不斷向前發(fā)展，它具有性能穩(wěn)定可靠、實時性好、抗病毒能力強等特點，具有較高的實際應(yīng)用價值。但適用于此監(jiān)控系統(tǒng)的模塊普遍操作復(fù)雜，可移植性差，不易攜帶，不易于實時監(jiān)控。為此，在本設(shè)計中，采用LPC2103作為控制模塊，LM1881對視頻信號進行采集分離，多個監(jiān)控模塊實時檢測并進行多點到C8051F020移動監(jiān)控設(shè)備的無線傳輸，進行實時監(jiān)控實時處理。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

多方位闖入監(jiān)控?zé)o線報警系統(tǒng)主要由多個模擬攝像頭、控制模塊、蜂鳴器模塊、無線傳輸模塊以及一個圖像顯示屏和移動監(jiān)控設(shè)備等構(gòu)成。監(jiān)控模塊包括模擬攝像頭、控制模塊、蜂鳴器模塊和無線發(fā)送模塊。控制模塊主要由基于ARM7內(nèi)核的集成芯片LPC2103及標(biāo)準(zhǔn)外圍電路組成；無線傳輸模塊由2.4 GHz頻段2 Mb/s高速嵌入式無線數(shù)傳芯片NRF24L0及外圍元件組成；移動監(jiān)控設(shè)備由C8051F020單片機及其按鍵電路、JTAG接口等構(gòu)成。

整個系統(tǒng)中多個監(jiān)控模塊中的每一個模塊首先將模擬攝像頭圖像信號轉(zhuǎn)換為可數(shù)字處理的電信號，一路送至圖像顯示屏顯示，一路送至視頻同步分離模塊，分離出行同步信號、奇偶場同步信號，并傳輸給控制模塊LPC2103芯片。LPC2103對這些信號進行處理后，輸出相應(yīng)的控制信號到蜂鳴器模塊和無線傳輸模塊，再傳至移動監(jiān)控設(shè)備，等待上一級監(jiān)控系統(tǒng)控制指令。若有指令，則通過無線傳輸模塊傳至LPC2103并作出相應(yīng)的應(yīng)答信號。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1、圖2所示。

圖1 監(jiān)控模塊框圖

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 信號采集與分離

首先CCD圖像傳感器把光學(xué)信號轉(zhuǎn)變成電信號（即視頻信號），LM1881對視頻信號進行分離，而LPC2103對視頻信號進行采集。如圖3所示。

圖3 信號采集分離電路

CCD攝像頭數(shù)據(jù)采集的速率是25幀/s，一幀分奇偶兩場，即50場/s，場掃描時間為20 ms，每場312.5行，行掃描時間為 64μs，行同步時間是為 12μs，場同步時間2.024 ms。在不進行其他數(shù)據(jù)處理的情況下，只對其中的偶場進行采集就能以足夠的精度辨別闖入物體的功能，因此在本系統(tǒng)中只對偶場進行采集[1]。

攝像頭視頻信號端接LM1881[2]的視頻信號輸入端2腳，同時將該信號接入 LPC2103的 P0.23（即 AIN1）進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并把結(jié)果儲存到寄存器里。LM1881的行同步信號端（引腳1）連接LPC2103的一個帶中斷能力的I/O口（選用EINT2口即P0.14）。LM1881的奇-偶場同步信號輸出端 7腳接 LPC2103的EINT1（P0.16）。在此，選擇奇-偶場同步信號作為換場的標(biāo)志信號，而不是選用LM1881引腳3輸出的場同步信號。這樣做的好處是，當(dāng)攝像頭信號處于奇場或偶場時，則奇-偶場信號整場都相應(yīng)地處于高電平或低電平，若檢測到該信號發(fā)生變化，就可以知道攝像頭信號換場了。因為每場信號持續(xù)的時間相對較長，所以也不用擔(dān)心漏檢到換場的發(fā)生。

因為LPC2103內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的頻率固定，從數(shù)據(jù)可靠性與穩(wěn)定性的角度考慮，選擇每行采集50個點，每場采集50行，這樣，OV5116數(shù)據(jù)采集模塊每場的數(shù)據(jù)變換成一個50行50列的二維數(shù)組。由于A/D采集的參考電壓為3 V，而視頻輸入信號的電平在0 V～1.5 V，所以A/D采集結(jié)果是在0～500之間的一個二維數(shù)組[3]。

2.2 控制模塊

LM1881芯片分離出行同步信號、奇偶場同步信號，并傳輸給LPC2103芯片的兩個I/O端，LPC2103芯片的6個 并 行 輸 入 輸 出 I/O 端 （PIO0_3、PIO0_7～PIO0_10、PIO0_15） 與無線傳輸模塊的 6個引腳 （PIN3～PIN8）連接，LPC2103芯片的PIO0_17與蜂鳴器模塊相連接；當(dāng)CCD攝像頭將圖像信號變?yōu)殡娦盘?，A/D采集模塊進行圖像數(shù)據(jù)采集，將采集到的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃PC2103芯片中時，控制模塊同時接收到LM1881分離出的行同步信號（下降沿觸發(fā)）和奇偶場同步信號（下降沿觸發(fā)），控制模塊進行相應(yīng)處理，并輸出信號到蜂鳴器模塊和無線傳輸模塊，再傳至移動監(jiān)控設(shè)備，等待指令?？刂颇K電路圖如圖4所示。

圖4 控制模塊電路圖

2.3 無線傳輸模塊

NRF24L01[4]工作在 2.4～2.5 GHz，供電電壓范圍為1.9～3.3 V，最大發(fā)射功率為 1 mW；有 126頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要；內(nèi)置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制；收發(fā)模式有增強型ShockBurstTM收發(fā)模式、ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式三種，收發(fā)模式由器件配置字決定；功耗低，體積小，可方便集成到各種電子器件。本系統(tǒng)中，將每個無線發(fā)送模塊nRF24L01 的 CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE 引 腳 分 別與LPC2103及無線接收模塊的C8051F020 6個I/O口相連。其中，CSN是片選端，SCK是時鐘線，MISO是主機輸入從機輸出端，MOSI是主機輸出從機輸入端，IRQ是中斷請求輸出端，CE是芯片模式控制端。本設(shè)計采用增強型SchockBurst模式，該模式使雙向通信執(zhí)行起來更為容易、可靠。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 信號采集處理

作為視頻監(jiān)控處理的每一個監(jiān)控模塊中的LPC2103，在進行系統(tǒng)初始化后進入主循環(huán)等待偶場同步信號的到來。當(dāng)視頻的偶場到來并觸發(fā)場中斷后等待偶場下的行同步信號的到來、且行同步到來時，用內(nèi)部A/D采集視頻信號并存入數(shù)組，直到采集到所需的行數(shù)的信號后，對數(shù)據(jù)進行處理。之后等待下一個偶場的到來，進行下一場的采集處理。流程框圖如圖5所示。

圖5 信號采集處理流程圖

3.2 闖入監(jiān)控處理

由于本系統(tǒng)只對是否有物體闖入進行識別，所以只需要對采集進來的每一幀圖像進行整體的識別（即圖像有無大的變化進行判別），因此，在這里只采用了簡單的灰度差分法對采集的數(shù)據(jù)進行處理，然后根據(jù)處理結(jié)果判斷是否報警。其算法如下：

開始時采集模塊采集一幅圖像進行灰度差分法進行處理得到一個值Standard，對后續(xù)的圖形同樣地用灰度差分法進行處理得到另一個值Fi，將兩個值的差值Delta_Fi與設(shè)定閾值比較，從而確定是否輸出信號報警。如果該差值Delta_Fi在閾值范圍內(nèi)則將Flag標(biāo)志位置 0，并繼續(xù)進行圖像采集監(jiān)控；否則將Flag標(biāo)志位置1并進行報警處理，其流程圖如圖6所示。

圖6 闖入監(jiān)控處理流程圖

3.3 無線傳輸

在本系統(tǒng)中首先對每個監(jiān)控模塊進行編號 （1～n），即每一個監(jiān)控場所有一個對應(yīng)的編號（1～n），這個編號將作為每個監(jiān)控模塊程序中的const變量存儲。當(dāng)整個系統(tǒng)開始運行時，作為視頻監(jiān)控的LPC2103首先發(fā)送該模塊對應(yīng)的編號（1～n），然后將處理得到的 Flag標(biāo)志位數(shù)據(jù)進行無線發(fā)送并進入等待接收狀態(tài)，發(fā)送的數(shù)據(jù)被作為移動監(jiān)控設(shè)備的無線模塊接收并產(chǎn)生中斷使與之相連的C8051F020[5]讀取接收到的監(jiān)控模塊編號及Flag標(biāo)志位數(shù)據(jù)。如果接收到的Flag標(biāo)志位數(shù)據(jù)為1，則該C8051F020使用SPI與無線模塊通信，將指令數(shù)據(jù)1發(fā)送給對應(yīng)編號 （1～n）的監(jiān)控模塊進而關(guān)閉本模塊對應(yīng)的報警模塊，進行后期處理，繼續(xù)進行監(jiān)控。如果接收到的Flag標(biāo)志位數(shù)據(jù)為0，則通過無線發(fā)送指令數(shù)據(jù)0監(jiān)控模塊繼續(xù)進行監(jiān)控。如果具備其他條件的，還可以通過使用SCI串口通信，將發(fā)生警報的區(qū)域的監(jiān)控模塊的編號顯示在電腦顯示屏上，以便工作人員確定檢查區(qū)域。流程圖如圖7所示。

圖7 無線傳輸流程圖

本文設(shè)計的多方位闖入監(jiān)控?zé)o線報警系統(tǒng)，每個監(jiān)控模塊采用了LPC2103作為主要控制模塊，對LM1881分離出來的視頻信號進行相應(yīng)處理，由與其相連的無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸給移動監(jiān)控設(shè)備。若有異常，蜂鳴器報警，移動監(jiān)控設(shè)備C8051F020作出相應(yīng)應(yīng)答指令，并針對這一情況進行處理。在實際生活中，該系統(tǒng)可移植性好，使用簡單，準(zhǔn)確定位警報地點，真正能做到實時監(jiān)控實時處理。

[1]張海山，李偉.視頻采集與處理方法[J].河北理工大學(xué)學(xué)報，2007，29（1）：75-77.

[2]朱廣.基于視頻分離芯片LM1881的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計[J].機械工程師，2009（12）：81-83.

[3]周立功.ARM嵌人式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程（第2版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[4]李輝，宋詩，周建江.基于 ARM和 nRF24L01的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].國外電子元器件，2008（12）：44-46.

[5]馬忠梅，籍順心，張凱.單片機的 C語言應(yīng)用程序設(shè)計（第 4版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.