基于樹莓派的移動智能監控系統設計*

王雨凡，張雨好，黃 旭，孫 濤，林健平，張高遠

(河南科技大學信息工程學院，河南 洛陽 471023)

科技發展日新月異，人們對安全也越發重視，無論是日常生活，還是工業生產，監控系統都起到了非常重要的作用[1]。而傳統的由分布在各處的固定攝像頭構建成的監控網絡有很大的局限性，不可避免地存在監控死角，若其中一個攝像頭損壞或被遮擋就會造成更大的監控盲區，使其安全性大大降低。一些場所，例如流動短期施工地、事故現場和戶外露營地等，由于安保人員的缺失和傳統監控設備安裝的復雜性而未安裝，安保和監控問題越來越明顯。

為方便對環境進行監控，本文設計一種基于樹莓派的智能移動環境監控裝置。該裝置具有實時智能監控、靈活性強、監控范圍寬、支持智能調整、安全性強及可擴展性等特點，適用于多種需要監控而不便于架設傳統安防監控系統的場合。

本系統由多個安全樁和一個手機APP組成，每個安全樁由樹莓派和若干外圍器件組成，多個相同的安全樁圍合以包圍住受保護的區域，也可設為開環模式進行區域性防控。

安全樁的系統架構圖如圖1。安全樁配備環形LED燈和光敏模塊，可以實現夜間自動照明，也可根據實際情況自定義照明時間。配備高功率音頻功率放大器和揚聲器，以滿足安防警報的需要，同時還可實現遠程喊話的實用功能；配備大容量電池和太陽能電池板，以體現低碳環保的理念，同時也減少或省去充電的繁瑣步驟，實現無線連接，自給自足；預留鏈條和路錐連接桿接口，以便按照實際情況加裝鏈條和路錐連接桿；且預留加重盤接口，以便安裝加重盤，增強安全樁的防風能力。安全樁還配備北斗/GPS雙模導航模塊，可實時精準定位，定位信息受手機APP監控，警情發生時，可根據定位信息鎖定警情發生地點。

圖1 系統框架圖

安全樁采用經過加強后的紅外收發裝置形成閉環架構，如圖2所示。每個安全樁距離約5 m～15 m，均配備一個紅外發送裝置和一個紅外接收裝置。紅外發送裝置向下一個安全樁發送經過編碼后的紅外線信號，紅外接收裝置接收上一個安全樁發射的紅外線信號。系統首尾相連，一旦有入侵者進入，遮擋紅外線信號通路后，將會被相應的監控樁感應到，并立刻發出警報聲，警報燈同時亮起，且將警報信息傳至手機APP，管理人員可實時掌握現場情況，及時處理。

當警報被觸發時，樹莓派將攝像頭采集的圖像實時進行基于TensorFlow深度學習算法的圖像識別，并實時調整攝像頭的角度鎖定闖入者，實現指向性監控，擴大了傳統監控系統的維度，實現智能監控。圖像識別功能還可用于動物識別，監控畫面中發現有動物靠近時，將啟動超聲波發射器進行超聲波驅趕，下文會詳細描述。

圖2 閉環架構

1 硬件設計

1.1 主控制器

考慮到安全樁的功能需求，選用樹莓派3B+作為主樹莓派。3B+采用BCM2837B0型號CPU，該CPU由1.4 GHz 64位4核ARM Cortex-A53構成，樹莓派還配備雙頻802.11ac無線網卡和藍牙4.2，千兆以太網卡，USB 2.0，1G LPDDR2運行內存，符合安全樁對主控制器的需求。

1.2 電源管理模塊

電源由18650大容量鋰電池組和太陽能兩部分組成。白天使用太陽能供電，同時太陽能將對鋰電池進行充電，以便夜間使用，節約成本且低碳環保。太陽能和鋰電池通過電源管理模塊進行變壓供電給樹莓派以及各個模塊。

1.3 長焦紅外收發模塊

安全樁采用經過加強后的長焦紅外收發模塊檢測不明闖入者，每個安全樁均配備一個紅外發送裝置和一個紅外接收裝置。紅外發送裝置向下一個安全樁發送經過編碼后的紅外線信號，紅外接收裝置接收上一個安全樁發射的紅外線信號。系統首尾相連，一旦有入侵者進入，遮擋紅外線信號通路后，將會被相應的監控樁感應到，完成相應操作。

1.4 音頻模塊

音頻模塊由大功率音頻功放和大功率揚聲器兩部分組成。安全樁發送信號給音頻功放，然后通過音頻功放驅動揚聲器，實現警報或喊話。

1.5 Wi-Fi模塊

安全樁通過樹莓派板載Wi-Fi模塊接入局域網，實現安全樁與安全樁、安全樁與手機APP之間互聯，實現實時的圖像傳輸和信息傳輸。

1.6 身份識別模塊

身份識別模塊包括兩部分，分別是指紋識別和IC卡識別。通過AS608指紋識別模塊以及RFID-RC522 IC卡識別模塊對指紋和射頻識別IC卡進行身份識別。

1.7 照明模塊

照明模塊主要用來實現夜間照明。本模塊中包括光敏傳感器以及LED照明燈帶，通過光敏傳感器獲取環境光照強度，可以實現夜間自動照明，也可以通過手機APP實現實現人為控制。

1.8 監控模塊

監控模塊主要通過CSI攝像頭來進行監控，麥克風獲取環境聲音，采集的音視頻信號通過樹莓派Wi-Fi模塊實時傳送到手機APP，同時安全樁還加入了基于TensorFlow深度學習框架的圖像識別技術，在接收到紅外模塊發出的有入侵者的信號之后，攝像頭會自動識別鎖定入侵者，通過舵機自動調節攝像頭角度，為安保人員提供位置以及記錄入侵者的行為。

1.9 北斗/GPS雙模定位模塊

安全樁上配備ATGM332D-5N北斗/GPS雙模定位模塊，可實時精準定位。定位信息受手機APP監控，警情發生時，可根據定位信息鎖定警情發生地點。

1.10 超聲波模塊

安全樁配備超聲波發射器，利用動物聽覺的靈敏性，即在一些頻率下的聲波人類聽不到但動物能聽到的原理，當監控畫面中發現有動物靠近時，將啟動超聲波發射器發射特定頻率的聲波進行驅趕，也可根據實際情況自定義開啟時間。超聲波驅趕動物功能在有動物頻繁出沒的居民區或有野生動物出沒的野外非常具有實用性。

1.11 舵機

安全樁配備舵機，用于隨時調整攝像頭角度，實現指向性監控。

1.12 光敏模塊

安全樁配備光敏模塊，用于實時監測環境光亮度，實現夜間自動照明功能。

1.13 手機APP

手機APP是本系統與用戶交互的主要終端，是實現實時監控和安全保障的核心。手機APP功能包括：1) 接收安全樁發來的警報，查看報警地點等信息。2) 接收、查看和存儲各個監控樁的監控視頻。3) 管理內部人員信息，查看員工打卡情況。4) 查看各個監控樁的狀態，如異常情況記錄，電量，Wi-Fi信號質量，定位數據，定位信號質量，工作狀態。5) 對各個監控樁進行操作，如轉動攝像頭，遠程喊話，打開或關閉LED燈，打開或關閉超聲波發射器，訪客準入模式。6) 錄入指紋、ID卡信息等。

2 軟件設計

關于軟件方面，手機APP是本系統與用戶交互的主要終端，是實現實時監控和安全保障的核心。當安全樁的警報被觸發時，手機APP將立即發出警報。手機APP可以實時顯示當前保護區域內所有的監控樁拍攝的實時監控畫面(現場情況一目了然)，當前人員信息、異常情況記錄表、每個監控樁的電量、信號質量、工作狀態等，也可對單個監控樁詳細信息進行查看，并進行操作，如轉動攝像頭，遠程喊話，打開或關閉LED燈，打開或關閉超聲波發射器，訪客準入模式等具體操作?；跇漭傻某绦蛑饕鑠ython+opencv實現對移動物體的檢測，系統樹莓派使用Python語言進行編寫，先配置好樹莓派的環境，安裝樹莓派所使用的系統，接著進行樹莓派與OpenCV的連接，再使用云服務器和Tomcat通過所獲得的數據進行相應的功能判斷，最后要用APP作為報警的目的[2-4]。設計流程如圖3所示。

3 方案特性

安全樁配備有麥克風、有舵機、可轉動的攝像頭作為監控設備，可進行24小時實時監控，并實時的將所監測的圖像通過Wi-Fi局域網傳輸到手機APP實時顯示，可完全替代傳統的固定式監控系統。安全樁配備北斗/GPS雙模導航模塊，可實時精準定位，定位信息受手機APP監控，警情發生時，可根據定位信息鎖定警情發生地點[5]。本設備還擁有指紋識別模塊和IC卡識別模塊，可完全代替門禁和考勤設備，實現實時人員管理與控制。手機APP可實時查看人員情況，并進行相應操作和數據管理，為人員管理工作提供方便。安全樁配備超聲波發射器，利用動物聽覺的靈敏性，即在一些頻率下的聲波人類聽不到但動物能聽到的原理，當監控畫面中發現有動物靠近時，將啟動超聲波發射器進行超聲波驅趕，也可根據實際情況進行自定義設置。超聲波驅趕動物功能在有動物頻繁出沒的居民區或有野生動物出沒的野外非常具有實用性。

4 結論

由于本系統具有很強的靈活性和互通性，易于擴展，可以針對不同用戶的需求增加其他個性化功能，例如溫濕度監測，風速和風向檢測，空氣質量檢測等；可以與其他智能化系統合并，共享網絡，實現萬物互聯，例如工地的智能安全帽管理系統；也可精簡現有的功能以降低成本，簡化操作。通過進一步開發，本系統還可接入公安安防網絡，實現聯動控制，還可接入互聯網，實現云端監控，促進監控設備產業的智能化和完善化。