基于ZigBee的校園安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘要：本文設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的校園監(jiān)控系統(tǒng)，將ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)提供的目標位置信息與監(jiān)控攝像機群結(jié)合，實時監(jiān)控校園的安全。監(jiān)控系統(tǒng)利用ZigBee節(jié)點進行定位與信息通信，當(dāng)圖像識別超出安全閾值，全部可拍攝范圍內(nèi)的節(jié)點攝像頭自動對鎖定目標跟蹤監(jiān)控，同時，系統(tǒng)自動發(fā)送報警電話及郵件至學(xué)校保衛(wèi)處和范圍內(nèi)的人群，郵件內(nèi)容含有危險人群及物品的位置信息和現(xiàn)場監(jiān)控的實時畫面。仿真實驗表明，監(jiān)控目標跟蹤定位誤差在3m之內(nèi)時，跟蹤目標可出現(xiàn)在攝像機監(jiān)控顯示內(nèi)，且清晰可識別。

引言

　　近年來，全國多地發(fā)生了校園安全事故。如何加強校園安全監(jiān)控，使師生在校園內(nèi)安全教學(xué)與學(xué)習(xí)，是人們十分關(guān)心的問題[1]。目前，校園內(nèi)攝像機只能對固定區(qū)域進行監(jiān)控以及無法物象識別，還要人工實時跟蹤，智能化程度低^[2]。而將采用嵌入物象識別模塊的攝像頭鎖定目標技術(shù)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)相融合具有實時性和監(jiān)控精度高的特點，因而本文設(shè)計了將ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與物象識別模塊以及紅外傳感相結(jié)合，實時地識別目標人物、追蹤位置及行動路線，滿足了校園內(nèi)人物識別與定位的要求，在商業(yè)應(yīng)用上也有很大的擴展空間。

　　ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可建設(shè)成以打擊、預(yù)防違法犯罪為目的的系統(tǒng)，在學(xué)院和宿舍等出入口、重要教學(xué)等地點設(shè)立視頻監(jiān)控點，將監(jiān)控圖像實時無線通信到校保衛(wèi)處監(jiān)控中心和其它相關(guān)部門，通過對圖像的識別、記錄等方式，使各級機關(guān)及相關(guān)職能部門直觀地了解和掌握監(jiān)控區(qū)域的治安動態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由紅外線傳感器、攝像機群(包括重點CCD)、GPRS無線路由器節(jié)點、信號調(diào)理器節(jié)點和保衛(wèi)處監(jiān)控中心組成，系統(tǒng)總體層次如圖1所示。

　　系統(tǒng)工作過程如下：

　　1)紅外線傳感器和攝像機接聯(lián)的訪問節(jié)點與GPRS無線路由器進行通信，將接收到的信息經(jīng)過信號放大模塊(Signal amplifying module，SAM)通過GPRS無線路由器傳輸給信號調(diào)理器。若攝像機內(nèi)的物象識別模塊識別出危險物象則直接與上位機無線通信;

　　2)信號調(diào)理器接收到通信信號，將視頻、音頻等信號進行排序、封裝、壓縮后，傳給監(jiān)控中心，并等待上位機命令;

　　3)中央處理系統(tǒng)對各個傳輸信號數(shù)據(jù)進行對比，當(dāng)分析比對拍攝到的人物畫面超出安全閾值，中央處理系統(tǒng)將對相應(yīng)的顯示屏幕進行報警，并將報警信號發(fā)送給保衛(wèi)人員以及事故周圍人群，同時，中央處理系統(tǒng)將自動記錄此時間與攝像位置信息，然后經(jīng)此信息保存到后臺數(shù)據(jù)庫;

　　4)監(jiān)控系統(tǒng)命令中心通信控制命令，使距離事發(fā)地最短的攝像機群對鎖定目標跟蹤監(jiān)控，系統(tǒng)將通信視頻截取畫面保存;

　　5)當(dāng)校園內(nèi)全部攝像機拍攝不到系統(tǒng)鎖定的目標時，系統(tǒng)自動發(fā)送最后時間目標監(jiān)控的地點和當(dāng)時視頻截圖的信息到保衛(wèi)人員和校園全部人群，同時，監(jiān)控中心的工作人員可以根據(jù)各攝像視頻判斷鎖定的目標可能出現(xiàn)的地點而采取相應(yīng)的處理辦法。

　　實驗的校園占地面積大、建筑物較多且又處于山坡，所需視頻監(jiān)控點數(shù)量多，因而，系統(tǒng)采用功耗低且網(wǎng)絡(luò)信號傳輸快捷方便的樹形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組織。

2 系統(tǒng)硬件及通信設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示

　　(1)子終端無線訪問點

　　無線訪問點功能是將攝像機群和紅外線傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息打包壓縮傳送給無線路由器和接收上位機指令，其內(nèi)部核心器件是CC2530-F64。CC2530是專門針對IEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用的單芯片解決方案，經(jīng)濟且低功耗。在接收、發(fā)射和多種低功耗的模式下具有極低的電流消耗，能保證較長的電池使用時間。

　　可移動節(jié)點用的是CC2431芯片，CC2431具有定位引擎硬件核心。其外觀和功能與CC2530一樣。

　　(2)GPRS無線網(wǎng)絡(luò)路由器

　　本設(shè)計采用東方訊 GPRS/CDMA 無線路由器，具有地址轉(zhuǎn)換(NAT)以及其它的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能?？梢詫⒆咏K端發(fā)送的ZigBee信號轉(zhuǎn)換成GPRS并傳遞給信號調(diào)理器。

　　GPRS/CDMA有數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定、傳輸速度快和數(shù)據(jù)量大的優(yōu)點。萬州區(qū)測試 CDMA下行速度為 100kbit/s 左右, 上行速度為80kbit/s 左右。

　　(3)信號調(diào)理器

　　信號調(diào)理器由CC2530、C8051F040、NANDFLASH、DS12887、1602和GSM模塊組成。C8051F040的串口0與CC2530相連，用于接收CC2530發(fā)送的通信數(shù)據(jù)和地址信息;串口1與GSM模塊相連，用于發(fā)送地址信息到對應(yīng)的子終端訪問點上。NAND FLASH用于信號源和讀出設(shè)備之間的信號調(diào)理。DS12887高精度時鐘芯片用于顯示時間和日期，同時對各個子終端節(jié)點的時間進行校準。當(dāng)時間為00時00分00秒時，C8051F040會發(fā)送校準命令給CC2530，由CC2530通過ZigBee發(fā)送給各個子終端節(jié)點，從而實現(xiàn)校準各個子終端節(jié)點的時間為00時00分00秒。C8051F040采用Keil C51編程，可接收上位機向子終端訪問點發(fā)出跟蹤定位指令^[3]。

　　(4)紅外線傳感器

　　紅外線傳感器配置給校園圍墻和重點建筑物的攝像機，一旦探測到生命體活動信號，將信號反饋給攝像機，促使攝像機物象識別和跟蹤拍攝。

　　紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測元件和轉(zhuǎn)換電路。在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，放電后續(xù)電路經(jīng)檢驗處理后即可產(chǎn)生報警信號。

　　(5)攝像機

　　本設(shè)計采用TBF寬動態(tài)圖像可識別攝像機，對強光進行擬制，背光進行補償，彩色480線/黑白570線，日夜自動轉(zhuǎn)換。

3 人物圖像識別技術(shù)

3.1 物象識別硬件選型

　　攝像機內(nèi)嵌入東芝Visconti圖像識別芯片，Visconti 3處理器采用兩個Cortex-A9核心，總共6個浮點運算單元。Visconti 3芯片內(nèi)包含64GB屏蔽式堆讀內(nèi)存Mask ROM，2MB SRAM，芯片支持一個單通道PCI Express接口。Visconti芯片的主要功能包括檢測行車道、車輛以及通過面部、動作識別檢測行人。

3.2 物象識別理論實現(xiàn)

　　內(nèi)嵌入東芝Visconti圖像識別芯片的攝像機融合了非參數(shù)方法、立方體分析方法以及參數(shù)化時間序列分析方法。非參數(shù)方法通常從視頻的每一幀中提取某些特征，然后用這些特征與預(yù)先存儲的模板(template)進行匹配;立方體分析方法不是基于幀的處理，而是將整段視頻數(shù)據(jù)看作是一個三維的時空立方體進行分析;而參數(shù)化時間序列分析方法對運動的動態(tài)過程給出一個特定的模型，并通過對訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)獲得每一類動作特定的模型參數(shù)^[4]。

4 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

　　(1)ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)軟件工作流程

　　訪問節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，學(xué)校圍墻訪問節(jié)點通過RSSI測距、校園內(nèi)的訪問節(jié)點通過質(zhì)心定位算法(CLA)將位置坐標無線傳輸給信號調(diào)理器。訪問節(jié)點工作后進行初始化，然后搜尋可加入的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點成功加入網(wǎng)絡(luò)后將進行無線通信循環(huán)巡查，若出現(xiàn)監(jiān)控盲區(qū)，可將移動訪問點進行相關(guān)處理。重復(fù)區(qū)域監(jiān)控等訪問點將進入休眠待命狀態(tài)。無線訪問節(jié)點軟件運作流程如圖3所示。

　　信號調(diào)理器負責(zé)建立、管理和傳輸網(wǎng)絡(luò)，在組建無線網(wǎng)絡(luò)中起到關(guān)鍵作用。監(jiān)控系統(tǒng)命令中心通過信號調(diào)理器將對應(yīng)的配置數(shù)據(jù)分別發(fā)送給可移動節(jié)點和無線訪問點，且可移動節(jié)點和無線訪問點也可以通過信號調(diào)理器將獲取到的信息反饋給監(jiān)控系統(tǒng)命令中心。

　　(2)上位機監(jiān)控系統(tǒng)

　　監(jiān)控中心上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用c++軟件語言匯編和oracle數(shù)據(jù)庫儲存數(shù)據(jù)，以及運行工作平臺：中文Windows7及更高版本;網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件包：中文JC2000?網(wǎng)絡(luò)版本。中心監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)前端節(jié)點攝像機和視頻編碼器(DVS)的統(tǒng)一接入和管理，提供豐富的管理和業(yè)務(wù)功能，無線監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示^[5]。

　　(3)郵件報警裝置設(shè)計

　　上位機運行工作平臺上安裝SMTP郵件群發(fā)v4.0軟件，當(dāng)上位機指令發(fā)送報警郵件時，SMTP郵件群發(fā)v4.0軟件會通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將報警郵件發(fā)送到關(guān)聯(lián)人群手機的QQ、微信等社交APP上。

5 仿真與實驗驗證

　　實驗數(shù)據(jù)在重慶三峽學(xué)院校園實地測量，校園內(nèi)部人員正?；顒印Ｓ捎谛@占地面積較大，ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布置方案采用動態(tài)局部集中式。移動訪問點每2秒進行定位計算，節(jié)點對安全人物及動作進行圖像識別以及目標跟蹤監(jiān)控，超過安全物象識別閾值時系統(tǒng)記錄危險區(qū)域節(jié)點的位置信息并發(fā)送報警信息。物象識別閾值是人員的活動動作安全范圍，物象識別仿真結(jié)果如圖5所示。

　　定位誤差表示實際目標運動路徑與監(jiān)控測量位置的坐標距離，目標跟蹤實際位置與測量位置的行動路徑。

　　仿真實驗結(jié)果表明：當(dāng)移動攝像機在參考節(jié)點群的內(nèi)部時，定位精度較好且監(jiān)控識別準確。反之，則可能出現(xiàn)一定的偏差，當(dāng)監(jiān)控跟蹤定位誤差在3米之內(nèi)時，跟蹤目標將出現(xiàn)在攝像機監(jiān)控顯示內(nèi)，且清晰可識別。

6 結(jié)束語

　　本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于校園監(jiān)控系統(tǒng)中，可以有效監(jiān)控以及報警校園內(nèi)人員活動，可對跟蹤目標實時監(jiān)控與定位，防患于未然，在商業(yè)上智能區(qū)域監(jiān)控應(yīng)用中也有實際意義。與其他設(shè)計產(chǎn)品對比，這種將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與攝像機監(jiān)控物象識別及紅外傳感相結(jié)合的新型監(jiān)控系統(tǒng)合理地利用了學(xué)校現(xiàn)有的監(jiān)控資源，其結(jié)構(gòu)簡單，定位準確及時，具有實時監(jiān)控報警的功能，且運行和維護費用低，社會應(yīng)用前景廣闊，具有很大的市場優(yōu)勢。

參考文獻：

　　[1]董博.試論校園安全文化建設(shè)[J].學(xué)苑教育. 2013(10)：11-12

　　[2]姜然.學(xué)校監(jiān)控體系的實現(xiàn)[J].才智.2011(20)：240-241

　　[3]Fateh B,Govindarasu M,Ajjarapu V.Wireless network design for transmission line monitoring in snart gird[J]. IEEE Transactions on Smart Grid,2013,4(2):1076-1086

　　[4]任思璟,董金波.模糊邊緣檢測在機器視覺圖像系統(tǒng)仿真研究[J]. 計算機仿真. 2011(6)：280-284

　　[5]阮逸潤,譚真.基于Zig Bee的可信監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 傳感器與微系統(tǒng).2014(8)：113-115

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第7期第58頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。