1.引言

本項目以Atmel公司的AVR32 AT32UC3A處理器為核心，以uClinux操作系統為平臺，通過廣角攝像頭進行視頻(或圖像)采集，并運用算法實現人臉識別(室內防盜)或火焰識別(室外防火)等功能。在此基礎上，擴充出其他的功能：

(1)通過以太網端口及相關協議，實現系統平臺與遠程計算機的通信，從而實現多媒體數據的傳送與遠程監控功能。

(2)通過SD模塊及擴充出的GPRS(GSM)模塊，實現系統平臺與個人終端設備PDA之間的通信，從而實現短信或電話提醒，報警與預警等功能。

本項目采用的硬件平臺為EVK1100。考慮到芯片處理能力與實時性要求，可能換用性能更強，信號處理能力更為出色的AT32AP7系列芯片。

2.項目背景

“入室盜竊”這種違法犯罪行為在全球范圍內日漸猖狂，現已成為一世界性難題。全世界每年為防范入室盜竊的投入近200多億美元，而每年入室盜竊造成的損失卻高達400多億美元。然而，傳統的通過人防(通過人力進行安全防范的手段，比如人員巡邏，站崗等)和物防(比如現在常采用防盜窗，防盜門、保險柜等)的手段已經無法有效的制止盜竊率的繼續攀升。在如此的嚴峻形勢下，一種新的更為行之有效的安全防范手段呼之欲出。

而在另一方面，據統計，全球每年受森林和荒地火災影響的土地約達3億5000萬公頃。這些火災不僅給人類帶來了巨大的生命和財產的損失，還使氣候變化、空氣污染和喪失生物多樣性等問題進一步惡化。因此，急需一種措施來預防森林和荒地火災的發生和蔓延。聯合國糧農組織就曾指出，導致森林和荒地火災的最主要原因往往是一些人為因素，而采取預防、監測、評估以及早期預警等綜合措施能夠有效的防止森林和荒地火災的發生，從而減少火災的發生，并降低火災所帶來的損失。

本項目通過開發一個智能防盜與火災預警系統，用于預防上述社會問題。該系統特別適用于居民家庭、超市商場、銀行、森林火災防控等場所，應用范圍廣泛。

二、需求分析

1.功能要求

系統由數據采集終端與接收終端兩部分構成。其中，接收終端可以是個人移動終端PDA或遠程監控的PC機。系統與個人終端的通信主要是基于GSM模塊(發短信等)或GPRS模塊(上網)，甚至可以采用最新的3G技術等。而系統與終端PC機的通信則需要通過IP/TCP協議，采用socket機制實現網絡通信與視頻數據的接收。這里實際上是把系統平臺視為一個服務器，而傳輸信道則可以選擇無線或有線信道。具體的系統架構如下圖所示：

2.性能要求

數據采集：為了采集到良好的視頻數據，要求系統應放在一個光線充足的場所，以便能夠采集到有用數據。當然也可以利用光敏傳感器，當系統工作環境變暗，則自動開啟小燈。

數據處理：由于應用場合要求實時性強，故系統對數據的采集、處理與發送過程時延小。

考慮到系統的處理與存儲能力，攝像頭的像素不應太高。

處理器應能夠移植常用的一些微處理器操作系統，如uClinux等。

算法準確度應該足夠高，以免發生誤報，避免不必要的麻煩。根據需要可以外接與警察局或消防部門的通信部分。

三、方案設計

1.系統功能實現原理

如下圖所示，系統主要由圖像或視頻采集、核心處理單元、GSM模塊、以太網模塊、光敏傳感模塊等組成。由攝像頭采集的數據為系統的輸入部分。而AVR32 AT32UC3A與uClinux組成了智能防盜與火災預防系統的核心處理單元。其中攝像頭時刻對四周的情況進行捕獲，將信號發給AVR3 AT32UC3A處理器，運行在AVR32 AT32UC3A上的系統uClinux則負責控制整個系統的運行與核心算法的實現。

2.硬件平臺選用及資源配置

EVK1100開發板支持AT32UC3A芯片，外圍器件包括：一個Ethernet端口，光、溫度電位計傳感器，20字符×4行的藍色LED燈，JTAG、Nexus、 USART、 USB、TWI和SPI接口，以及一個SD/MMC讀卡器。其主要的電路模塊圖有：

時鐘與重置模塊電路：

SD/MMC模塊電路：

SPI模塊電路：

JTAG模塊電路：

本項目基于Atmel AT32UC3A EVK1100開發板以及相應的一些擴展板，通過攝像頭進行實時監控，并通過網絡等手段將數據傳送到遠端PC機上。本系統平臺主要包括：

攝像頭

選擇廣角CCD攝像頭，便于全方位的監控。這里的攝像頭的像素不應太高，否則可能導致存儲空間不足，無法完整接收數據。

網絡通信模塊

EVK1100開發板上有自帶的以太網接口，支持有線信道網絡傳輸。如果需要將系統放置在室外，則需要擴充相應的Wi-Fi模塊。通過以太網模塊，一方面可以及時的將數據從系統平臺轉發到遠端PC，另一方面也可以及時的接收到來自PC機的控制信號。

GPRS模塊(GSM模塊)

GPRS(GSM)模塊主要用于系統與個人移動終端設備PDA的通信。因為我們不可能時刻都在遠程PC機上進行監控。故而時常是在發生情況的時候，將現場實時情況及時發送到遠端PC上保存。而將發生的情況以短信通知到用戶PDA上。這樣子，即使犯罪分子僥幸逃脫，也可以通過在PC機上存儲的照片信息，將其繩之以法。

光敏傳感器模塊

考慮到攝像頭在低光強的環境下的視頻采集效果不佳，故而需要通過這一模塊對外界環境進行監測，及時的調整攝像范圍內的光線強度。

外置節能小燈

通過USB或串口外接一個節能小燈，當光敏傳感器檢測到光強低于一定值時，就發生控制信號，開啟節能小燈。當然也可以在遠程PC或PDA上，通過向系統平臺發送開啟或關閉小燈的命令。這里需要強調的是，通過遠程的控制指令的優先級高。故如果在遠端關閉了小燈，即使工作環境變暗，也無法通過自動檢測開啟小燈。

3.系統軟件架構

本系統以CC++、匯編語言作為系統開發編程語言，程序實現模塊化設計，最后通過各模塊相互組合，相互協調，組成了一個多功能的嵌入式系統。

開發平臺：windows xpvista7

集成開發環境：AVR Studio 5

程序設計語言：CC++語言、匯編語言

程序下載：通過仿真器下載

軟件的設計上主要應包括：uClinux系統移植、相關接口的硬件驅動、圖片預處理濾波、圖像識別部分、圖像壓縮傳輸、遠端PC指令接收與執行部分等。

uClinux的移植

uClinux系統廣泛應用在微控制器領域，特別是針對沒有MMU(內存管理單元)的CPU，通常用于具有很小內存或Flash的嵌入式操作系統。故而滿足AVR32 AT32UC3A處理器的要求。(沒有MMU)

實現過程：進行uClinux系統的搭接，首先需配置和編程Uboot，生成u-boot..hex文件，并通過開發工具燒寫入flash中。其次配置并編譯uClinux內核。正確配置內核后，重新編譯并下載到目標板。

圖像預處理濾波

通過攝像頭采集得到得原始圖像，總是難免存在一定的噪聲。干擾噪聲過大，會使圖像的質量下降，甚至淹沒在噪聲中。所以很又必要進行圖片的預處理濾波過程。

圖像識別

這里的圖像識別主要包括對火焰的識別以及對人臉的識別。這是本項目的重點，需要相關算法的支持。

圖像壓縮傳輸

由于存儲空間與讀取傳送速度的限制，需要對圖片進行壓縮處理，這里計劃采用JPEG壓縮算法，即采用以離散余弦(DCT)為基礎的有損壓縮。具體圖像的壓縮編碼與解碼算法框圖如下：

遠端PC(或PDA)指令接收與執行

遠程PC機發過來的指令功能主要包括：

開啟攝像頭

關閉攝像頭

釋放存放的數據

進行3連拍

設置圖片分辨率

關閉節能小燈

4.系統軟件流程

5.系統預計實現結果

首先，將與系統連接的攝像頭安裝在室內。做好相關配置工作。

在白天時，當有用戶成員在家時，攝像頭處于關閉狀態，以便節能。當所有家庭成員外出后，通過手機等移動設備或電腦向系統發出命令，請求開啟攝像頭。而后系統開始監控工作。當遇到陰雨天氣時，系統能夠根據室內光強自動調整是否開啟節能燈。

當出現異常情況時，比如家里發生火災，則這時候則會再監測是否有人在火災現場，以確認是否是認為縱火或有人被困室內。若有人在現場，則將現場圖片發生到遠端PC機上保存，方便事后查清起火原因。

而后再把火災險情發送短信到用戶手機上，并關閉攝像頭(這里可以選擇先自動撥通119電話)。當沒有火災時，當全體家庭成員不在家時，有陌生人闖入，則攝像頭監測到該人長相，并拍下證據傳送到遠端PC機上，并發生短信提醒用戶家里遭竊，這時用戶可以及時報案。

當用戶成員回家時，則可以利用手機等設備關閉攝像頭，避免造成誤判等現象。而在夜間時，則一般需要開啟節能燈，以便能夠更好的進行監測工作。