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[导读]摘 要 :文中提出了一种基于 LED 智能照明、实时监控和精准控制的照明控制系统设计方案。系统由 3 个子系统组成,分别为 LED 智能照明系统、视频监控系统和客服端登录控制系统。系统将摄像头采集的数据通过 H.264 编码经串口传输到主控芯片,主控芯片通过内置网卡实现广域网通信,并将数据上传到云服务器供客户端远程访问和下载 ;客户端基于 Android 系统开发应用程序 APP,实现远程实时监控和控制。

引 言

基于远程的智能照明和控制技术已被广泛应用于民用、工农业等领域 [1-5]。有学者发表了基于 WiFi 的家用智能照明控制系统设计 [1]、一种基于物联网的楼宇监控和管理系统 [2]、一种远程 LED 照明监控系统的设计 [3]、基于 ARM 的城市照明智能监控网络网关设计 [4]、农业节水灌溉远程监控系统的设计与实现 [5]。但以上系统都各有缺陷,部分具有远程视频监控功能却没有 LED 远程控制功能 ;有的实现了 LED 远程控制却没有视频监控功能。

结合以上问题,本文提出了一种基于远程控制、具有视频实时监控、可调光照明、数据采集、设备控制的集成系统设计。

1 系统总体方案设计

基于远程监控和 LED 智能照明系统的总方案如图 1 所示。系统主控芯片采用 ARM 公司设计生产的 Cortex-A53 芯片,外围电路由电源、摄像头、WiFi、传感器、LED 驱动器和显示屏组成。实现方法 :将摄像头采集的图像,传感器采集的 LED 照度和色温数据通过串口与主控芯片通信,主控芯片内置网卡并与 Internet 相连,实现广域网通信,将数据传送到服务器,供客服端访问和下载历史数据 ;客服端利用 Android 系统开发 APP 应用程序连接云服务器,实现监控功能。

2 软件设计

系统软件设计主要分为 2 部分,分别为 H.264 视频编码设计和客服端 APP 应用程序开发设计。

 

图 1 监控和 LED 智能控制系统总体方案

2.1 H.264视频编码设计

视频压缩算法的主流方案包括 MPEG,WMV,AVS 和H.26X 系列算法。MPEG 的主要缺点是占用内存资源大、图像动态变化大时,画面采集容易丢帧。WMV 编码方式为非开放性,时延较大,且此编码方式只适用于 Windows 操作系统。AVS 编码方式设计难度大,开发周期长,成本偏高。H.26X 相对来说具有压缩比高、图像质量高等特点,适用较低宽带上的图像传输。综上考虑,本次采用最新的 H.26X 系列的H.264 进行视频编码。H.264 视频编码主要步骤 :首先输入视频预测编码,之后再变换编码、量化处理、熵编码,最后在通信设备上传输视频。

2.1.1 H.264编码设计

系统采用变换和预测的混合编码法。在图 2 中,输入帧或者场 Fn 以宏块为单位被编码器处理。如果采用帧间预测编码,其预测值 PRED 是由当前片中已编码的参考图像经运动补偿(MC)后得到,其中参考图像 F'n-1 表示预测值PRED 和当前块相减,产生一个残差块 Dn,经块变换、量化处理后产生一组量化变换系数 X,再经熵编码,与解码所需的一些头信息组成压缩后的码流,经 NAL(网络自适应层)供传输和存储用。

一种基于远程监控和控制的 LED 照明系统设计研究

2.1.2 H.264解码设计

在图 3 中,将编码器 NAL 输出的 H.264 比特流经熵解码得到量化后的一组变换系数 X,再经反量化、反变换,得到残差 Dn。利用从该比特流中解码出的头信息,解码器即可产生一个预测块 PRED,它和编码器中的原始 PRED 相同。该解码器产生的 PRED 与残差 D'n相加,就得到了 uFn',经滤波后得到解码输出图像 F'n。

一种基于远程监控和控制的 LED 照明系统设计研究

2.2 客服端 APP应用程序开发设计

客服端控制系统设计是监控控制系统的核心,考虑该系统的可拓展性和功能性,选择在 Android 系统进行客服端的开发和设计。客服端搭建流程 :创建套接字、连接服务器、判断是否连接成功,是则进入死循环,保存服务器 IP 和端口号,开启发送接收函数,检测服务器是否断开连接,是则释放资源、退出死循环,具体如图 4 所示。

一种基于远程监控和控制的 LED 照明系统设计研究

3 实验结果和分析

3.1 UI设计平面和操作界面测试

UI 注册和登录界面如图 5 所示。注册账号为手机电话号码,密码按照用户指定的进行设置。登录账号为用户注册手机号码,密码为设置密码,其中还配置有用户忘记密码可重设密码功能。

图 5 APP 登录界面

3.2 监控画面测试结果

客服端登录 APP 成功之后,用户主界面窗口如图 6 所示。

图 6 用户主界面窗口

用户可进入文件管理设置界面下载图片或视频,如图 7 所示。图片和视频下载完毕后可进行视频回放,视频保留了记录时间,可随意拖动进度条跳转观看。

图 7 视频回放界面

3.3 样机成品

样品经过烧写程序,组装套件,最终制作出基于远程LED 监控和控制 LED 照明系统装置,如图 8 所示。该样品具有远程监控和控制 LED 照明的功能,并能及时回看监控记录,对于农业、牧业以及医疗研究具有重要意义。

图 8 样机展示

4 结 语

基于监控系统和控制 LED 照明系统设计的研究,在局域网之间通信和广域网通信的基础上,实现了视频监控功能,且该系统监控与控制装置被整合为同一整体,便于移植和二次开发。随着 AI 技术的发展,该系统可以被应用到人工智能化场景,如动物的 24 小时监控实验,以及农业领域利用图像识别技术检测植物生长情况,对害虫进行分类和对农药进行分量处理的远程控制。综上所述,该系统的设计具有良好的应用场景和实际意义。


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