一種遠程監(jiān)控報警系統(tǒng)的設計
余 湧 馬婭婕 彭攀來 劉智腸
（武漢科技大學信息科學與工程學院，湖北武漢430081）
摘要：以開源硬件Raspberry Pi作為監(jiān)控與報警系統(tǒng)的核心，結合WebCam攝像頭，運用成熟的GPRS技術，設計了一種適用于家庭安防和無人值守等領域的遠程自動監(jiān)控報警系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的總體結構、功能，硬件組成、軟件結構與功能模塊，以及各部分之間的通信
方式。當系統(tǒng)偵測到攝像頭監(jiān)控畫面中有物體發(fā)生明顯移動時，將自動捕捉并以電子郵件的形式發(fā)出物體運動圖像，同時保存圖像和視頻片段并向用戶發(fā)送報警信息，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控報警。經過測試運行，系統(tǒng)能夠正常、穩(wěn)定地工作，可靠性較高，具有一定的使用價值。
關鍵詞：Raspberry Pi CPRS遠程自動監(jiān)控安防監(jiān)控報警運動圖像自動捕捉可靠性
中圖分類號：TH86；TP368 DOI:10. 16086/j. cnki．issn 1000 - 0380. 201606016
0引言
隨著信息技術的快速發(fā)展，人們越來越感受到高科技給生活帶來的便利。如何利用現(xiàn)有的無線網絡技術打造一個既經濟又實用的遠程自動監(jiān)控系統(tǒng)，已成為人們關注的熱點。
傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)功能強大、應用范圍廣泛，但系統(tǒng)結構復雜、價格昂貴，由于安裝時資金投入過多，普通家庭一般不會選擇專門安裝。隨著監(jiān)控技術的不斷發(fā)展，監(jiān)控產品更新?lián)Q代十分頻繁，新技術層出不窮，實用性強、性價比高的產品受到人們的青睞。樹莓派( Raspberry Pi)是英國一個小型慈善組織開發(fā)的一款基于Linux系統(tǒng)的、只有信用卡大小的迷你電腦。其通過裝載相關應用程序，可以實現(xiàn)監(jiān)控功能，且具有體積小、價格低廉、功耗低等優(yōu)點。
以開源硬件Raspberry Pi作為應用開發(fā)平臺，結合成熟的GPRS技術，依托motion應用和mutt郵件系統(tǒng)，將圖像信息以電子郵件附件的方式通過GPRS網絡發(fā)送給用戶，同時通過GPRS模塊向用戶發(fā)送一條短信進行提醒；用戶可以通過PC、手機等設備進入郵箱查看相關監(jiān)控畫面，實現(xiàn)了監(jiān)控信息的遠程傳遞和報警信息的實時發(fā)送，適用于安防監(jiān)測領域。
1 系統(tǒng)總體結構
遠程監(jiān)控報警系統(tǒng)主要由監(jiān)控與報警系統(tǒng)終端和用戶端組成。監(jiān)控與報警系統(tǒng)終端主要由開源硬件Raspberry Pi、USB攝像頭、GPRS模塊和電源模塊組成。Raspberry Pi與GPRS模塊之間通過UART接口進行連接，GPRS模塊通過撥號的方式接入互聯(lián)網。由于Raspberry Pi運行的是Linux系統(tǒng)，因此可以很方便地根據(jù)不同的應用環(huán)境裝載不同的應用程序，實現(xiàn)所需的功能。Raspberry Pi搭載motion和mutt這兩款應用。USB攝像頭負責監(jiān)控區(qū)域圖像信息的采集，再經過motion軟件進行相關的分析和判斷。當偵測到攝像頭監(jiān)控區(qū)域內有物體發(fā)生明顯運動時，motion軟件對該時刻的圖像信息進行捕捉并保存視頻片段；調用mutt郵件系統(tǒng)相關組件，通過GPRS網絡將圖像信息以附件的形式發(fā)送到用戶的郵箱，同時發(fā)送一條報警短信來提醒用戶，用戶登陸郵箱即可查看相關情況。系統(tǒng)總體結構圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件介紹
所設計的遠程監(jiān)控報警系統(tǒng)的硬件部分主要由Raspberry Pi部分和GPRS模塊組成，下面分別對這兩部分進行詳細的介紹。
①Raspberry Pi部分：這里采用的是Raspberry PiB+型號，該型號樹莓派僅有信用卡大小，配備一枚博通出產的ARM11架構BCM2835處理器，有著強大的系統(tǒng)功能和豐富的接口資源。圖2為Raspberry Pi的硬件資源及端口。
這一型號的Raspberry Pi包括一枚700 MHz處理器，具備512 MB內存，支持Micro SD卡和Ethemet，擁有4個USB接口，支持HDMI和RCA端口輸出以及1080 P視頻。通過裝載相應的Linux系統(tǒng)和應用程序，Raspberry Pi可以實現(xiàn)強大的功能，且具有功耗低、體積小等優(yōu)點，非常適用于小型應用開發(fā)。目前，Raspberry Pi在國內外高端DIY開發(fā)中應用廣泛，同時可以擴展出各種常用的通信端口，例如UART端口、IIC端口以及SPI端口等，豐富的端口可為日后相關功能的擴展提供便利。
系統(tǒng)采用Raspberry Pi來讀取并處理USB攝像頭采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)，用motion軟件對采集到的圖像信息進行處理與分析。motion軟件的功能強大，不僅能通過視頻的方式實時展現(xiàn)監(jiān)控畫面，還可以感知圖像中物體的運動，隨之觸發(fā)一定的事件。這對于監(jiān)控報警來說至關重要。
系統(tǒng)無須將視頻、圖像數(shù)據(jù)全部上傳到郵箱服務器中，只須在監(jiān)控到圖像中有物體發(fā)生明顯運動時，觸發(fā)郵件系統(tǒng)相關組件發(fā)送電子郵件、觸發(fā)短信腳本文件發(fā)送報警信息，同時保存這一時刻的圖像。這樣做大大減少了GPRS流量，節(jié)省了費用。
②GPRS模塊：GPRS是一種適用于間歇性、突發(fā)性的或頻繁、少量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信技術。隨著移動通信技術的發(fā)展，GPRS網絡信號幾乎無處不在。為確保數(shù)據(jù)傳輸過程中的即時性和可靠性，可以充分利用GPRS網絡的覆蓋區(qū)域廣和通信網絡具備識別錯誤的能力等優(yōu)點。這里使用型號為SIM900A的GPRS模塊，該部分結構如圖3所示。
SIM900A模塊是SIM com公司生產的工業(yè)級雙頻模塊，由于該型號模塊內部集成有TCP/IP協(xié)議棧，可以通過Raspberry Pi的UART端口發(fā)送AT指令來控制，包括與互聯(lián)網之間的通信和發(fā)送報警信息等。模塊將UART端口接收到的原始數(shù)據(jù)轉換成TCP/IP數(shù)據(jù)包進行傳送。
3 系統(tǒng)的配置與設計
由于所設計的遠程監(jiān)控與報警系統(tǒng)主要通過motion軟件進行監(jiān)控，并通過郵件系統(tǒng)將監(jiān)控圖像信息發(fā)送到用戶郵箱，因此，安裝并配置好motion軟件以及設計與配置郵件系統(tǒng)就成為設計的重點。為了將運動捕捉與郵件發(fā)送功能聯(lián)系起來，在此采用開源且功能強大的SSMTP和mutt來實現(xiàn)郵件的發(fā)送功能。
3.1安裝及配置motion
使用命令sudo apt - get install motion安裝motion視頻監(jiān)控軟件，然后用文本編輯工具打開/etc/default/目錄下的motion文件和/etc/motion/目錄下的motion.config文件，對該配置文件進行適當?shù)男薷模ò╯tart_motion_ daemon、daemon mode、target_ dir等）；還可以根據(jù)需要，適當?shù)卣{整攝像頭捕捉畫面的高度、寬度和幀頻等。其中一個重要的配置是threshold，配置完成后即可啟動。當motion發(fā)現(xiàn)圖像的某一區(qū)域像素變化超過該值時，將會捕捉畫面，因此可以適當?shù)貙ζ溥M行調整，以改變動作捕捉的敏感度。
配置完成的motion軟件工作流程如圖4所示。
當開啟motion視頻監(jiān)控進程時，motion會以一定幀速拍攝JPEG的監(jiān)控圖像，當偵測到畫面中有指定大小的像素變化時，即可以認為監(jiān)控范圍內有物體發(fā)生運動，motion將觸發(fā)一個事件。該事件用腳本文件來實現(xiàn)，其作用是記錄下物體發(fā)生運動的時間，并把這個時間值存到/home/pi/motion/tmp/videotime文件中。
當檢測到運動之后，如果連續(xù)6s內的畫面像素變化值均小于閾值，即不能再檢測到運動時，則觸發(fā)第二個事件( motion _end. sh)。該事件的作用是查找指定的圖像文件，并將圖像文件以郵件附件的形式發(fā)送到用戶指定的郵箱，并向用戶發(fā)送一條報警短信；同時，將圖像文件和該時刻的視頻片段保存到外部擴展的大容量存儲設備中，便于日后查看。
3.2郵件系統(tǒng)的安裝與配置
當motion偵測到畫面中有物體運動圖像后，系統(tǒng)即觸發(fā)郵件系統(tǒng)相關組件，向用戶發(fā)送電子郵件，因此還需要將運動捕捉和郵件發(fā)送聯(lián)系起來。這里通過安裝配置郵件傳輸代理程序SSMTP和郵件客戶端mutt來實現(xiàn)這一需求。
3. 2.1安裝SSMTP
在Raspberry Pi中使用SSMTP應用程序來發(fā)送通知郵件。SSMTP是一個輕量級的郵件傳輸代理程序( mail transfer agent，MTA)，其最大優(yōu)點在于配置簡單，所以很適合在Raspberry Pi上使用。
使用8 sudo apt-get install ssmtp命令來安裝SSMTP，安裝完成后對文件路徑為/etc/ssmtp/ssmtp.conf的配置文件進行適當修改。完成SSMTP的配置后，還須將運動捕捉和郵件發(fā)送聯(lián)系起來。當motion捕捉到物體運動時刻的圖像信息后，通過mutt調用
SSMTP發(fā)送郵件。
3.2.2安裝mutt
mutt是Linux下的一個輕量級的e- mail客戶端，可以通過$ sudo -apt - get install mutt命令進行安裝。mutt通過管理不同的、專門針對某一郵件功能的軟件來完成郵件的編輯、收發(fā)等功能。其中，以設置調用V1、nano等文本編輯器進行編輯操作。發(fā)送郵件時，它
將發(fā)出的信件放到sendmail的隊列里。當需要數(shù)字簽名時，mutt會把信件交給GnuPG等程序進行處理，然后再發(fā)送出去。mutt可以發(fā)送帶有文件附件的郵件，并且配置簡單，只須提供MTA程序的路徑（這里用SSMTP的安裝路徑）即可。配置方法是在Raspberry Pi的用戶主目錄中增加一個．muttrc文件，該文件僅需一行內容：
4提高系統(tǒng)可靠性的措施
由于Raspberry Pi采用Micro SD卡作為“硬盤”，Raspberry Pi中運行的操作系統(tǒng)及其應用都須安裝在這張Micro SD中。而motion在實時視頻監(jiān)控的應用過程中，會產生大量的圖片和視頻文件。如果將圖片和視頻文件保存在Micro SD卡中（Raspberry Pi的存儲設備一般為SD卡，硬盤或U盤等大容量存儲設備可通過USB口進行擴展），會對Micro SD卡進行大量、頻繁的寫操作，從而極大地縮短Micro SD卡的使用壽命。因此，采用tmpfs文件系統(tǒng)來解決這一問題，tmpfs文件系統(tǒng)是Linux為解決這類問題而提供的一種解決方案。
由于監(jiān)控與報警系統(tǒng)是通過GPRS模塊接入互聯(lián)網的，因此GPRS模塊的工作穩(wěn)定性就顯得尤為重要。GPRS模塊在長時間無數(shù)據(jù)傳輸時會導致網絡斷線。這里主要采用心跳包機制來提高模塊工作過程的可靠性。SIM900A模塊通過接收UART端口發(fā)送的AT指令與Intemet建立連接，當模塊一段時間內不進行數(shù)據(jù)傳輸時，GGSN會斷開模塊的網絡連接，以節(jié)省信道資源。為了避免網絡中斷，系統(tǒng)設定每隔2 min向監(jiān)測中心服務器發(fā)送一小段格式固定的心跳信息，以保證模塊長期在線。同時，由于Raspberry Pi的CPU具有硬件看門狗芯片的功能，為了防止Raspberry Pi在運行過程中意外死機，通過安裝模塊和值守程序來啟動看門狗守護進程。
5結束語
本文設計了基于Raspberry Pi、GPRS技術的遠程監(jiān)控報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用開源硬件RaspberryPi的優(yōu)勢，結合資源豐富且免費的Linux應用和因技術成熟而廣泛使用的GPRS技術，集功耗低、體積小、功能強大且價格合理于一體。
經過測試，當攝像頭前方有物體發(fā)生明顯移動時，motion軟件能將捕捉到的運動物體用矩形框標記出來，并觸發(fā)郵件系統(tǒng)發(fā)送包含圖像的郵件，向用戶發(fā)送報警短信，同時將該時刻的圖片和視頻片段保存到外部大容量存儲設備中，達到了預期效果。該系統(tǒng)適用于家庭安防、無人環(huán)境值守等遠程監(jiān)控報警領域。
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