嵌入式智能摄像头控制照明灯系统设计.doc

1、1嵌入式智能摄像头控制照明灯系统设计摘要：本智能摄像头节能灯控制系统可以检测出教室是否有人，利用电子信息，网络通信，图像处理识别和计算机视觉等技术，提取视频中感兴趣信息并对其惊醒处理，使得空教室自动关灯，实现节能减排，同时系统要求尽最大可能降低误关灯现象。 关键词：摄像头 节能 灯已是当代生活的必需品，但经常由于忘记关灯而造成巨大的能源浪费。当夜晚来临时，人们又摸黑去开灯，非常不方便。在这里本系统通过智能摄像头对教室进行定时采集视频数据，比较当前帧和背景帧的特征（颜色，轮廓） ，检测教室是否有人，利用电子信息，网络通信，图像处理迷失识别和计算机视觉等技术，提取视频中感兴趣信息并对其惊醒处理，使

2、得空教室自动关灯，实现节能减排，同时系统要求尽最大可能降低误关灯现象。 一、相关概念简介 通过实验设计了一套嵌入式智能摄像头照明灯控制系统。本系统在光线较弱时通过摄像头对教室进行定时采集视频数据，比较当前帧和背景帧的特征（颜色，轮廓） ，当两图像边缘匹配时，检测教室无人，通过发送红外信号，关闭教室照明灯。本系统的设计包括两个部分：一是嵌入式软硬件平台的搭建；二是核心智能处理应用程序的设计与实现。本系统主要采用基于 ARM9 的嵌入式处理平台作为系统的硬件平台，选取具2有较高实时性的 linux 内核作为系统的软件平台。系统总体硬件设计划分为四大模块：主控器模块，存储器模块，电源模块和外围接口电

3、路模块。系统的软件构成分为驱动程序，操作系统，文件系统，应用处理程序。通过研究我们知道轮廓受光照影响较小，所以本文采用边缘作为教室固定物品的特征。本文采用 canny 算子提取图像边缘信息。采用两个开关控制一个灯（k1，k2） ，k1 选用继电器，k2 采用单刀双掷开关。系统检测到教室无人，发射红外信号，红外接收器接收到红外信号，发出触发脉冲使单片机 p1.0 信号翻转，改变继电器当前状态，实现关灯功能。智能摄像头节能灯控制系统可以检测出教室是否有人，利用电子信息，网络通信，图像处理识别和计算机视觉等技术，提取视频中感兴趣信息并对其惊醒处理，使得空教室自动关灯，实现节能减排，同时系统要求尽最大

4、可能降低误关灯现象。 光控工作原理光控工作过程为：当环境光比较强时，光敏电阻阻值比较小，信号处理电路检测到低电平信号，禁止摄像头控制照明灯，当环境光比较弱时，光敏电阻阻值变大，信号处理电路接收到高电平，从而启动摄像头控制照明灯的工作。 二、嵌入式智能摄像头节能灯控制系统硬件平台设计 （一）系统硬件结构 本系统结构硬件如图二所示。该系统主要包括主控模板，存储器模块，外围接口电路模块和电源模块 （二）基于 ARM 的嵌入式处理器。 ARM（Advanced RISC Machine）处理器采用 RISC 体系结构，具有3大量的寄存器、寻址简单和固定长度指令格式的特点，是 ARM 公司授权的芯片 I

5、P Core 的一类处理的统称，它为了在保证高性能的同时尽量减少芯片的体积而采取了批两指令、统一指令多种操作以及优化地址自动增减指令等特别技术。本系统采用的主控制器模块就是基于 ARM920T 的 RISC 嵌入式处理器。 （三）嵌入式系统软件平台的设计 Linux 操作系统起源于 UNIX，是芬兰一位大学在读生 Linus Benedict Torvalds 根据 UNIX 操作系统自己开发出来的。Linux 操作系统的最大优点就是开源。后来经过长时间的不断完善，使得 Linux 操作系统成为了一个比较稳定成熟的可以运行在 x86、PPC、ARM、NCE 等硬件平台上的操作系统。Linux

6、作为一个开源应用的操作系统具有如下几个特点：1）开放性 2）多用户 3）多任务 4） 良好的用户界面 5）设备独立性 6）提供了丰富的网络功能。 鉴于 Linux 的特性和它的优点适合嵌入式系统的设计与开发，而且具有很好的可裁剪行，可以减少内核所占空间，有利于实现系统的实时性。所以本系统的操作系统选择 Linux。 本文所开发设计的智能视频监控系统的软件平台的基本架构如三图所示。他主要包括 BootLoader（引导驱动程序） 、操作系统内核（Linux 内核） 、文件系统和核心应用程序的设计。其中的应用程序设计为本论文的核心内容。 在 Linux 内核中使用 USB 设备需要对 Linux

7、的内核进行配置，即启动 Linux USB 支持。进入“USBsupport”节并启动4“SupportforUSB” 选项。接下来选择用于系统正确的 USB 主控制器驱动程序。Linux 操作系统中的 USB 驱动程序由 USB 设备驱动、USB CORE（USB 核心驱动）和 USB 主机控制器驱动（HCD）组成，其结构如图四所示。 USB 摄像头驱动程序安装好后，为了可以在下一步进行视频采集，就必须加入 Linux 中关于视频设备的内核驱动 Video4Linux，它为摄像头设备获取图像帧提供必要的编程接口（API） 。V4L 主要为 USB 摄像头提供驱动程序中基本的 I/O 操作接口

8、函数 open、read、write、close 的实现。对中断的处理实现，内存映射功能以及 I/O 通道的控制接口函数 ioct1 的实现等，定义在 file operations 结构中。 （四）基于单片机的照明控制系统 当摄像头做出相应判断时（这里以有人为例进行介绍） ，向红外线接收器发送红外线信号，红外线接收器通讯口与单片机 p.0 端口连接（如下图示） ，作为触发信号控制单片机输出状态，接收到有人信息时，单片机 p2.0 口信号翻转，控制继电器电磁装置，改变继电器的状态。常开触点作为多控开关的一部分，是其中的一个开关，而另一个开关与墙壁上单刀双掷开关相连接，通过电路实现自动手动均可对

9、照明进行控制。 控制器系统采用 AT89C2051 单片机作为微控制器，它的外围设备有晶振、复位电路，红外接收器，继电器等组成，如图四所示。 三、理论设计计算 Step1：提取背景帧。对教室区域进行背景建模。我们选取固定背景帧，但是随着时间、光线的变化背景需要更新，在 Step5 进行边缘匹配5时，若不匹配时根据背景更新的阈值进行背景的更新。 Step2：图像增强。我们提取当前帧教室区域的图像，为了更好的增加边缘检测的效果，对图像进行锐化处理。采用直方图的均衡化对图像加深对比度。具体计算公式如下： n 是图像中像素的总和，nk 是灰度级为 rb 的像素个数，L 为图像中可能的灰度级总数。 上述

10、公式最终将输入图像中灰度级为 Tk 的各像素映射到输出图像中灰度级为 sk 应像素。 Step3：边缘提取。对 Step2 增强后的图像利用 Canny 算子进行边缘提取。 Step4：去除离散噪声。一般的滤波方法在去掉噪声的同时有可能去掉图像本身的一些边缘信息，本设计采用去除杂点的算法来对图像进行去噪处理。 Step5：边缘匹配。对于背景感兴趣区域的边缘和当前帧的感兴趣区域的边缘进行匹配。 Step6：如果当前帧与背景帧匹配，判断教室没人，发出红外信号，控制开关电路，关闭照明灯。 四、创新点及应用 1）适用于广泛安装摄像头的教室等场所。 2）操作和控制简便，容易地使用。 3）可有效减少由于忘记关灯而造成巨大的能源浪费。 在全国大中城市，应用摄像头的场所很多，照明系统有待在节能措6施实施改进，因此应用前景很广。