基于ZigBee的校園安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文設(shè)計(jì)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(biāo)位置信息與監(jiān)控?cái)z像機(jī)群結(jié)合，實(shí)時(shí)監(jiān)控校園的安全。監(jiān)控系統(tǒng)利用ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位與信息通信，當(dāng)圖像識(shí)別超出安全閾值，全部可拍攝范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)攝像頭自動(dòng)對(duì)鎖定目標(biāo)跟蹤監(jiān)控，同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送報(bào)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(xiǎn)人群及物品的位置信息和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的實(shí)時(shí)畫面。仿真實(shí)驗(yàn)表明，監(jiān)控目標(biāo)跟蹤定位誤差在3m之內(nèi)時(shí)，跟蹤目標(biāo)可出現(xiàn)在攝像機(jī)監(jiān)控顯示內(nèi)，且清晰可識(shí)別。

引言

　　近年來，全國多地發(fā)生了校園安全事故。如何加強(qiáng)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(jī)只能對(duì)固定區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控以及無法物象識(shí)別，還要人工實(shí)時(shí)跟蹤，智能化程度低^[2]。而將采用嵌入物象識(shí)別模塊的攝像頭鎖定目標(biāo)技術(shù)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)相融合具有實(shí)時(shí)性和監(jiān)控精度高的特點(diǎn)，因而本文設(shè)計(jì)了將ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與物象識(shí)別模塊以及紅外傳感相結(jié)合，實(shí)時(shí)地識(shí)別目標(biāo)人物、追蹤位置及行動(dòng)路線，滿足了校園內(nèi)人物識(shí)別與定位的要求，在商業(yè)應(yīng)用上也有很大的擴(kuò)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(diǎn)設(shè)立視頻監(jiān)控點(diǎn)，將監(jiān)控圖像實(shí)時(shí)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(duì)圖像的識(shí)別、記錄等方式，使各級(jí)機(jī)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(dòng)態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由紅外線傳感器、攝像機(jī)群(包括重點(diǎn)CCD)、GPRS無線路由器節(jié)點(diǎn)、信號(hào)調(diào)理器節(jié)點(diǎn)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(jī)接聯(lián)的訪問節(jié)點(diǎn)與GPRS無線路由器進(jìn)行通信，將接收到的信息經(jīng)過信號(hào)放大模塊(Signal amplifying module，SAM)通過GPRS無線路由器傳輸給信號(hào)調(diào)理器。若攝像機(jī)內(nèi)的物象識(shí)別模塊識(shí)別出危險(xiǎn)物象則直接與上位機(jī)無線通信;

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

　　3)中央處理系統(tǒng)對(duì)各個(gè)傳輸信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)分析比對(duì)拍攝到的人物畫面超出安全閾值，中央處理系統(tǒng)將對(duì)相應(yīng)的顯示屏幕進(jìn)行報(bào)警，并將報(bào)警信號(hào)發(fā)送給保衛(wèi)人員以及事故周圍人群，同時(shí)，中央處理系統(tǒng)將自動(dòng)記錄此時(shí)間與攝像位置信息，然后經(jīng)此信息保存到后臺(tái)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(jī)群對(duì)鎖定目標(biāo)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(jī)拍攝不到系統(tǒng)鎖定的目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送最后時(shí)間目標(biāo)監(jiān)控的地點(diǎn)和當(dāng)時(shí)視頻截圖的信息到保衛(wèi)人員和校園全部人群，同時(shí)，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(biāo)可能出現(xiàn)的地點(diǎn)而采取相應(yīng)的處理辦法。

　　實(shí)驗(yàn)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(diǎn)數(shù)量多，因而，系統(tǒng)采用功耗低且網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示

　　(1)子終端無線訪問點(diǎn)

　　無線訪問點(diǎn)功能是將攝像機(jī)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(jī)指令，其內(nèi)部核心器件是CC2530-F64。CC2530是專門針對(duì)IEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用的單芯片解決方案，經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)的電池使用時(shí)間。

　　可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換成GPRS并傳遞給信號(hào)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(diǎn)。萬州區(qū)測(cè)試 CDMA下行速度為 100kbit/s 左右, 上行速度為80kbit/s 左右。

　　(3)信號(hào)調(diào)理器

　　信號(hào)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(duì)應(yīng)的子終端訪問點(diǎn)上。NAND FLASH用于信號(hào)源和讀出設(shè)備之間的信號(hào)調(diào)理。DS12887高精度時(shí)鐘芯片用于顯示時(shí)間和日期，同時(shí)對(duì)各個(gè)子終端節(jié)點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)時(shí)間為00時(shí)00分00秒時(shí)，C8051F040會(huì)發(fā)送校準(zhǔn)命令給CC2530，由CC2530通過ZigBee發(fā)送給各個(gè)子終端節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)各個(gè)子終端節(jié)點(diǎn)的時(shí)間為00時(shí)00分00秒。C8051F040采用Keil C51編程，可接收上位機(jī)向子終端訪問點(diǎn)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(diǎn)建筑物的攝像機(jī)，一旦探測(cè)到生命體活動(dòng)信號(hào)，將信號(hào)反饋給攝像機(jī)，促使攝像機(jī)物象識(shí)別和跟蹤拍攝。

　　紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)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(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，放電后續(xù)電路經(jīng)檢驗(yàn)處理后即可產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

　　(5)攝像機(jī)

　　本設(shè)計(jì)采用TBF寬動(dòng)態(tài)圖像可識(shí)別攝像機(jī)，對(duì)強(qiáng)光進(jìn)行擬制，背光進(jìn)行補(bǔ)償，彩色480線/黑白570線，日夜自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

3 人物圖像識(shí)別技術(shù)

3.1 物象識(shí)別硬件選型

　　攝像機(jī)內(nèi)嵌入東芝Visconti圖像識(shí)別芯片，Visconti 3處理器采用兩個(gè)Cortex-A9核心，總共6個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)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(gè)單通道PCI Express接口。Visconti芯片的主要功能包括檢測(cè)行車道、車輛以及通過面部、動(dòng)作識(shí)別檢測(cè)行人。

3.2 物象識(shí)別理論實(shí)現(xiàn)

　　內(nèi)嵌入東芝Visconti圖像識(shí)別芯片的攝像機(jī)融合了非參數(shù)方法、立方體分析方法以及參數(shù)化時(shí)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(chǔ)的模板(template)進(jìn)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(gè)三維的時(shí)空立方體進(jìn)行分析;而參數(shù)化時(shí)間序列分析方法對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程給出一個(gè)特定的模型，并通過對(duì)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)獲得每一類動(dòng)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(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，學(xué)校圍墻訪問節(jié)點(diǎn)通過RSSI測(cè)距、校園內(nèi)的訪問節(jié)點(diǎn)通過質(zhì)心定位算法(CLA)將位置坐標(biāo)無線傳輸給信號(hào)調(diào)理器。訪問節(jié)點(diǎn)工作后進(jìn)行初始化，然后搜尋可加入的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)后將進(jìn)行無線通信循環(huán)巡查，若出現(xiàn)監(jiān)控盲區(qū)，可將移動(dòng)訪問點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)處理。重復(fù)區(qū)域監(jiān)控等訪問點(diǎn)將進(jìn)入休眠待命狀態(tài)。無線訪問節(jié)點(diǎn)軟件運(yùn)作流程如圖3所示。

　　信號(hào)調(diào)理器負(fù)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(hào)調(diào)理器將對(duì)應(yīng)的配置數(shù)據(jù)分別發(fā)送給可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和無線訪問點(diǎn)，且可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和無線訪問點(diǎn)也可以通過信號(hào)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

　　監(jiān)控中心上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用c++軟件語言匯編和oracle數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，以及運(yùn)行工作平臺(tái)：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(diǎn)攝像機(jī)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(bào)警裝置設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)運(yùn)行工作平臺(tái)上安裝SMTP郵件群發(fā)v4.0軟件，當(dāng)上位機(jī)指令發(fā)送報(bào)警郵件時(shí)，SMTP郵件群發(fā)v4.0軟件會(huì)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將報(bào)警郵件發(fā)送到關(guān)聯(lián)人群手機(jī)的QQ、微信等社交APP上。

5 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在重慶三峽學(xué)院校園實(shí)地測(cè)量，校園內(nèi)部人員正常活動(dòng)。由于校園占地面積較大，ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置方案采用動(dòng)態(tài)局部集中式。移動(dòng)訪問點(diǎn)每2秒進(jìn)行定位計(jì)算，節(jié)點(diǎn)對(duì)安全人物及動(dòng)作進(jìn)行圖像識(shí)別以及目標(biāo)跟蹤監(jiān)控，超過安全物象識(shí)別閾值時(shí)系統(tǒng)記錄危險(xiǎn)區(qū)域節(jié)點(diǎn)的位置信息并發(fā)送報(bào)警信息。物象識(shí)別閾值是人員的活動(dòng)動(dòng)作安全范圍，物象識(shí)別仿真結(jié)果如圖5所示。

　　定位誤差表示實(shí)際目標(biāo)運(yùn)動(dòng)路徑與監(jiān)控測(cè)量位置的坐標(biāo)距離，目標(biāo)跟蹤實(shí)際位置與測(cè)量位置的行動(dòng)路徑。

　　仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)移動(dòng)攝像機(jī)在參考節(jié)點(diǎn)群的內(nèi)部時(shí)，定位精度較好且監(jiān)控識(shí)別準(zhǔn)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(shí)，跟蹤目標(biāo)將出現(xiàn)在攝像機(jī)監(jiān)控顯示內(nèi)，且清晰可識(shí)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(bào)警校園內(nèi)人員活動(dòng)，可對(duì)跟蹤目標(biāo)實(shí)時(shí)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(shí)際意義。與其他設(shè)計(jì)產(chǎn)品對(duì)比，這種將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與攝像機(jī)監(jiān)控物象識(shí)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)?，F(xiàn)有的監(jiān)控資源，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位準(zhǔn)確及時(shí)，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警的功能，且運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低，社會(huì)應(yīng)用前景廣闊，具有很大的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

　　[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(shí)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(cè)在機(jī)器視覺圖像系統(tǒng)仿真研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真. 2011(6)：280-284

　　[5]阮逸潤(rùn),譚真.基于Zig Bee的可信監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(shí)引用，并注明出處。