基于ZigBee的校園安全監控系統設計

摘要：本文設計了一種基于ZigBee技術(shù)的校園監控系統，將ZigBee監控網(wǎng)絡(luò )提供的目標位置信息與監控攝像機群結合，實(shí)時(shí)監控校園的安全。監控系統利用ZigBee節點(diǎn)進(jìn)行定位與信息通信，當圖像識別超出安全閾值，全部可拍攝范圍內的節點(diǎn)攝像頭自動(dòng)對鎖定目標跟蹤監控，同時(shí)，系統自動(dòng)發(fā)送報警電話(huà)及郵件至學(xué)校保衛處和范圍內的人群，郵件內容含有危險人群及物品的位置信息和現場(chǎng)監控的實(shí)時(shí)畫(huà)面。仿真實(shí)驗表明，監控目標跟蹤定位誤差在3m之內時(shí)，跟蹤目標可出現在攝像機監控顯示內，且清晰可識別。

引言

　　近年來(lái)，全國多地發(fā)生了校園安全事故。如何加強校園安全監控，使師生在校園內安全教學(xué)與學(xué)習，是人們十分關(guān)心的問(wèn)題[1]。目前，校園內攝像機只能對固定區域進(jìn)行監控以及無(wú)法物象識別，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(shí)時(shí)性和監控精度高的特點(diǎn)，因而本文設計了將ZigBee監控網(wǎng)絡(luò )與物象識別模塊以及紅外傳感相結合，實(shí)時(shí)地識別目標人物、追蹤位置及行動(dòng)路線(xiàn)，滿(mǎn)足了校園內人物識別與定位的要求，在商業(yè)應用上也有很大的擴展空間。

　　ZigBee監控網(wǎng)絡(luò )可建設成以打擊、預防違法犯罪為目的的系統，在學(xué)院和宿舍等出入口、重要教學(xué)等地點(diǎn)設立視頻監控點(diǎn)，將監控圖像實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)通信到校保衛處監控中心和其它相關(guān)部門(mén)，通過(guò)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(mén)直觀(guān)地了解和掌握監控區域的治安動(dòng)態(tài)。

1 系統總體設計

　　ZigBee監控網(wǎng)絡(luò )系統由紅外線(xiàn)傳感器、攝像機群(包括重點(diǎn)CCD)、GPRS無(wú)線(xiàn)路由器節點(diǎn)、信號調理器節點(diǎn)和保衛處監控中心組成，系統總體層次如圖1所示。

　　系統工作過(guò)程如下：

　　1)紅外線(xiàn)傳感器和攝像機接聯(lián)的訪(fǎng)問(wèn)節點(diǎn)與GPRS無(wú)線(xiàn)路由器進(jìn)行通信，將接收到的信息經(jīng)過(guò)信號放大模塊(Signal amplifying module，SAM)通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)路由器傳輸給信號調理器。若攝像機內的物象識別模塊識別出危險物象則直接與上位機無(wú)線(xiàn)通信;

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

　　3)中央處理系統對各個(gè)傳輸信號數據進(jìn)行對比，當分析比對拍攝到的人物畫(huà)面超出安全閾值，中央處理系統將對相應的顯示屏幕進(jìn)行報警，并將報警信號發(fā)送給保衛人員以及事故周?chē)巳?，同時(shí)，中央處理系統將自動(dòng)記錄此時(shí)間與攝像位置信息，然后經(jīng)此信息保存到后臺數據庫;

　　4)監控系統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控，系統將通信視頻截取畫(huà)面保存;

　　5)當校園內全部攝像機拍攝不到系統鎖定的目標時(shí)，系統自動(dòng)發(fā)送最后時(shí)間目標監控的地點(diǎn)和當時(shí)視頻截圖的信息到保衛人員和校園全部人群，同時(shí)，監控中心的工作人員可以根據各攝像視頻判斷鎖定的目標可能出現的地點(diǎn)而采取相應的處理辦法。

　　實(shí)驗的校園占地面積大、建筑物較多且又處于山坡，所需視頻監控點(diǎn)數量多，因而，系統采用功耗低且網(wǎng)絡(luò )信號傳輸快捷方便的樹(shù)形結構網(wǎng)絡(luò )組織。

2 系統硬件及通信設計

2.1 系統硬件框圖如圖2所示

　　(1)子終端無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)

　　無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)功能是將攝像機群和紅外線(xiàn)傳感器傳輸的數據信息打包壓縮傳送給無(wú)線(xiàn)路由器和接收上位機指令，其內部核心器件是CC2530-F64。CC2530是專(zhuān)門(mén)針對IEEE 802.15.4和ZigBee應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(cháng)的電池使用時(shí)間。

　　可移動(dòng)節點(diǎn)用的是CC2431芯片，CC2431具有定位引擎硬件核心。其外觀(guān)和功能與CC2530一樣。

　　(2)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )路由器

　　本設計采用東方訊 GPRS/CDMA 無(wú)線(xiàn)路由器，具有地址轉換(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信號轉換成GPRS并傳遞給信號調理器。

　　GPRS/CDMA有數據通信穩定、傳輸速度快和數據量大的優(yōu)點(diǎn)。萬(wàn)州區測試 CDMA下行速度為 100kbit/s 左右, 上行速度為80kbit/s 左右。

　　(3)信號調理器

　　信號調理器由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)送的通信數據和地址信息;串口1與GSM模塊相連，用于發(fā)送地址信息到對應的子終端訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)上。NAND FLASH用于信號源和讀出設備之間的信號調理。DS12887高精度時(shí)鐘芯片用于顯示時(shí)間和日期，同時(shí)對各個(gè)子終端節點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行校準。當時(shí)間為00時(shí)00分00秒時(shí)，C8051F040會(huì )發(fā)送校準命令給CC2530，由CC2530通過(guò)ZigBee發(fā)送給各個(gè)子終端節點(diǎn)，從而實(shí)現校準各個(gè)子終端節點(diǎn)的時(shí)間為00時(shí)00分00秒。C8051F040采用Keil C51編程，可接收上位機向子終端訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)發(fā)出跟蹤定位指令^[3]。

　　(4)紅外線(xiàn)傳感器

　　紅外線(xiàn)傳感器配置給校園圍墻和重點(diǎn)建筑物的攝像機，一旦探測到生命體活動(dòng)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(xiàn)傳感器包括光學(xué)系統、檢測元件和轉換電路。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，放電后續電路經(jīng)檢驗處理后即可產(chǎn)生報警信號。

　　(5)攝像機

　　本設計采用TBF寬動(dòng)態(tài)圖像可識別攝像機，對強光進(jìn)行擬制，背光進(jìn)行補償，彩色480線(xiàn)/黑白570線(xiàn)，日夜自動(dòng)轉換。

3 人物圖像識別技術(shù)

3.1 物象識別硬件選型

　　攝像機內嵌入東芝Visconti圖像識別芯片，Visconti 3處理器采用兩個(gè)Cortex-A9核心，總共6個(gè)浮點(diǎn)運算單元。Visconti 3芯片內包含64GB屏蔽式堆讀內存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行車(chē)道、車(chē)輛以及通過(guò)面部、動(dòng)作識別檢測行人。

3.2 物象識別理論實(shí)現

　　內嵌入東芝Visconti圖像識別芯片的攝像機融合了非參數方法、立方體分析方法以及參數化時(shí)間序列分析方法。非參數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先存儲的模板(template)進(jìn)行匹配;立方體分析方法不是基于幀的處理，而是將整段視頻數據看作是一個(gè)三維的時(shí)空立方體進(jìn)行分析;而參數化時(shí)間序列分析方法對運動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程給出一個(gè)特定的模型，并通過(guò)對訓練樣本數據的學(xué)習獲得每一類(lèi)動(dòng)作特定的模型參數^[4]。

4 系統軟件構成

　　(1)ZigBee監控網(wǎng)絡(luò )軟件工作流程

　　訪(fǎng)問(wèn)節點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò )后，學(xué)校圍墻訪(fǎng)問(wèn)節點(diǎn)通過(guò)RSSI測距、校園內的訪(fǎng)問(wèn)節點(diǎn)通過(guò)質(zhì)心定位算法(CLA)將位置坐標無(wú)線(xiàn)傳輸給信號調理器。訪(fǎng)問(wèn)節點(diǎn)工作后進(jìn)行初始化，然后搜尋可加入的ZigBee網(wǎng)絡(luò )。節點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò )后將進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信循環(huán)巡查，若出現監控盲區，可將移動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)處理。重復區域監控等訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)將進(jìn)入休眠待命狀態(tài)。無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)節點(diǎn)軟件運作流程如圖3所示。

　　信號調理器負責建立、管理和傳輸網(wǎng)絡(luò )，在組建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中起到關(guān)鍵作用。監控系統命令中心通過(guò)信號調理器將對應的配置數據分別發(fā)送給可移動(dòng)節點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)，且可移動(dòng)節點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)也可以通過(guò)信號調理器將獲取到的信息反饋給監控系統命令中心。

　　(2)上位機監控系統

　　監控中心上位機監控系統采用c++軟件語(yǔ)言匯編和oracle數據庫儲存數據，以及運行工作平臺：中文Windows7及更高版本;網(wǎng)絡(luò )系統軟件包：中文JC2000?網(wǎng)絡(luò )版本。中心監控系統能夠實(shí)現前端節點(diǎn)攝像機和視頻編碼器(DVS)的統一接入和管理，提供豐富的管理和業(yè)務(wù)功能，無(wú)線(xiàn)監控軟件結構如圖4所示^[5]。

　　(3)郵件報警裝置設計

　　上位機運行工作平臺上安裝SMTP郵件群發(fā)v4.0軟件，當上位機指令發(fā)送報警郵件時(shí)，SMTP郵件群發(fā)v4.0軟件會(huì )通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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(shí)驗驗證

　　實(shí)驗數據在重慶三峽學(xué)院校園實(shí)地測量，校園內部人員正?；顒?dòng)。由于校園占地面積較大，ZigBee監控網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)布置方案采用動(dòng)態(tài)局部集中式。移動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)每2秒進(jìn)行定位計算，節點(diǎn)對安全人物及動(dòng)作進(jìn)行圖像識別以及目標跟蹤監控，超過(guò)安全物象識別閾值時(shí)系統記錄危險區域節點(diǎn)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(dòng)動(dòng)作安全范圍，物象識別仿真結果如圖5所示。

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

　　仿真實(shí)驗結果表明：當移動(dòng)攝像機在參考節點(diǎn)群的內部時(shí)，定位精度較好且監控識別準確。反之，則可能出現一定的偏差，當監控跟蹤定位誤差在3米之內時(shí)，跟蹤目標將出現在攝像機監控顯示內，且清晰可識別。

6 結束語(yǔ)

　　本文將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用于校園監控系統中，可以有效監控以及報警校園內人員活動(dòng)，可對跟蹤目標實(shí)時(shí)監控與定位，防患于未然，在商業(yè)上智能區域監控應用中也有實(shí)際意義。與其他設計產(chǎn)品對比，這種將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與攝像機監控物象識別及紅外傳感相結合的新型監控系統合理地利用了學(xué)?，F有的監控資源，其結構簡(jiǎn)單，定位準確及時(shí)，具有實(shí)時(shí)監控報警的功能，且運行和維護費用低，社會(huì )應用前景廣闊，具有很大的市場(chǎng)優(yōu)勢。

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