基于Zig Bee的可信監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計*

阮逸潤， 譚 真， 胡艷麗， 唐九陽， 葛 斌

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息系統(tǒng)工程重點實驗室，湖南 長沙 410073)

基于Zig Bee的可信監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計*

阮逸潤， 譚 真， 胡艷麗， 唐九陽， 葛 斌

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息系統(tǒng)工程重點實驗室，湖南 長沙 410073)

設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于Zig Bee技術(shù)的可信商城監(jiān)控系統(tǒng)，將Zig Bee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)提供的目標(biāo)位置信息與可360°水平旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)結(jié)合，幫助監(jiān)護(hù)人到商城購物時對身邊的孩子進(jìn)行安全管理。監(jiān)控系統(tǒng)利用Zig Bee網(wǎng)絡(luò)對移動節(jié)點對進(jìn)行定位，當(dāng)節(jié)點對間距離超過安全值，攝像頭自動對攜帶移動節(jié)點的孩子進(jìn)行跟蹤，同時系統(tǒng)自動發(fā)送報警郵件至監(jiān)護(hù)人手機(jī)，郵件內(nèi)容包括孩子的位置信息和一張現(xiàn)場監(jiān)控畫面的照片。實驗表明:系統(tǒng)定位精度較高，實時性好，可起到良好的預(yù)警效果。

Zig Bee技術(shù)； 360°水平旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)； 商城視頻監(jiān)控

0 引 言

近年來，媒體報導(dǎo)多起兒童隨家長在商城購物時意外走失的案例，因此,如何加強(qiáng)商城安全監(jiān)控、實現(xiàn)商城管理智能化，有效轉(zhuǎn)移家長在孩子身上的注意力，使其從壓力中解放出來促進(jìn)消費成為企業(yè)主十分關(guān)心的問題。目前用于商城監(jiān)控的攝像機(jī)大都只能對固定區(qū)域內(nèi)的場景進(jìn)行監(jiān)控，若要擴(kuò)大監(jiān)控范圍或者對某一具體目標(biāo)進(jìn)行針對性監(jiān)控，則需要通過人工操作，智能化程度低。而采用基于圖像處理原理的攝像頭跟蹤識別技術(shù)[1～4]，雖然不需依賴其他硬件識別目標(biāo)，成本較低，但目標(biāo)識別過程涉及大量的數(shù)據(jù)處理，自動定位過程延遲明顯，無法滿足實際應(yīng)用的需求。

Zig Bee網(wǎng)絡(luò)具有實時性好與監(jiān)測精度高的特點，因此，本文提出一種將Zig Bee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與可360°水平旋轉(zhuǎn)的攝像機(jī)相結(jié)合的監(jiān)控方案，有效地解決了定位系統(tǒng)對實時性的要求，十分符合商城監(jiān)測的需求，在商業(yè)應(yīng)用上有很大的擴(kuò)展空間。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)主要包括Zig Bee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控服務(wù)中心和攝像機(jī)群，Zig Bee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)運行過程如下：

2)協(xié)調(diào)器節(jié)點將數(shù)據(jù)打包封裝后上傳給PC監(jiān)控中心，并等待上位機(jī)命令；

3)中心處理程序計算節(jié)點對間距離，當(dāng)其超過約定值，系統(tǒng)自動記錄該時刻系統(tǒng)時間與節(jié)點對位置信息，并將信息保存到后臺數(shù)據(jù)庫中；

4)服務(wù)中心發(fā)送控制命令，驅(qū)動離孩子位置最近的攝像機(jī)對其進(jìn)行跟蹤取景，系統(tǒng)將截取到的快照進(jìn)行保存；

5)當(dāng)節(jié)點對失去聯(lián)系超過安全時間，系統(tǒng)自動發(fā)送包含其位置信息和現(xiàn)場截圖的郵件至監(jiān)護(hù)人手機(jī)進(jìn)行報警，同時監(jiān)控中心管理員可根據(jù)攝像頭傳來的視頻畫面判斷孩子是否存在走失風(fēng)險而采取相應(yīng)處置措施。

商城經(jīng)營面積廣，所需布控節(jié)點數(shù)量較大，因此,系統(tǒng)采用功耗低且網(wǎng)絡(luò)管理簡單的樹形結(jié)構(gòu)組織網(wǎng)絡(luò)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Overall structure diagram of system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 參考節(jié)點、路由器節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點

2.1.1 硬件選型與設(shè)計

參考節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點三者的硬件設(shè)計相同，區(qū)別在于軟件設(shè)計不同，都是由傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、CC2430芯片、數(shù)據(jù)采集模塊、功率放大模塊及天線模塊組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖2。參考節(jié)點與協(xié)調(diào)器位置固定且長時間處于工作狀態(tài)，所以，考慮采用可充電鋰電池與普通堿性電池可動態(tài)切換的供電方式替代單一的干電池供電。動態(tài)電源切換電路即時判斷鋰電池供電情況，從而決定是否切換到堿性電池供電模式并給鋰電池充電。協(xié)調(diào)器電源模塊設(shè)計圖如圖3。

圖2 CC2430節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)Fig 2 Hardware architecture of CC2430 node

圖3 協(xié)調(diào)器電源模塊設(shè)計Fig 3 Design of coordinator power module

2.1.2 節(jié)點軟件流程

參考節(jié)點包括節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)、將獲取的RSSI值和位置坐標(biāo)無線傳輸給協(xié)調(diào)器。節(jié)點上電后，先進(jìn)行初始化，然后尋找是否有可加入的網(wǎng)絡(luò)。成功加入網(wǎng)絡(luò)以后，節(jié)點對無線信號進(jìn)行偵聽，進(jìn)入事件循環(huán)，一旦監(jiān)測到盲節(jié)點的無線信號則對其進(jìn)行相應(yīng)處理，其他情況下則進(jìn)入休眠模式。參考節(jié)點軟件流程如圖4所示。

圖4 參考節(jié)點軟件流程圖Fig 4 Software flow chart of reference node

協(xié)調(diào)器節(jié)點主要負(fù)責(zé)建立、管理、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中起到承上啟下的作用。上位機(jī)監(jiān)控軟件通過協(xié)調(diào)器將相應(yīng)的配置數(shù)據(jù)分別發(fā)送給移動節(jié)點和參考節(jié)點，同時移動節(jié)點和參考節(jié)點也通過協(xié)調(diào)器節(jié)點將獲取的相關(guān)信息反饋給上位機(jī)。協(xié)調(diào)器軟件流程如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程圖Fig 5 Software flow chart of coordinator node

2.2 移動節(jié)點

移動節(jié)點選用CC2431芯片，CC2431與CC2430的最大區(qū)別在于，CC2431具有定位引擎硬件核心，除此之外，CC2431和CC2430的外觀和功能完全一樣。CC2431/CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，使其適合應(yīng)用于要求電池壽命非常長的場景。

2.3 攝像頭模塊

為實現(xiàn)對移動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，系統(tǒng)采用海康威視公司生產(chǎn)的DS—2CD753F—E攝像機(jī)，DS—2CD753F—E采用1/3 in逐行掃描CMOS傳感器和先進(jìn)的H.264處理技術(shù)，像素為200萬，在低帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可流暢傳輸高質(zhì)量的高清H.264視頻圖像，圖像最高分辨率可達(dá)1 600×1 200。

攝像機(jī)跟蹤監(jiān)控目標(biāo)的過程如下：設(shè)備初始化后，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序從數(shù)據(jù)庫中實時獲取傳感器最新的二維平面坐標(biāo)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到攝像頭可識別的三維坐標(biāo)后將其發(fā)送給離移動目標(biāo)最近的攝像頭，攝像頭獲取坐標(biāo)后，調(diào)節(jié)焦距和角度對目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控。

3 系統(tǒng)部署與郵件報警設(shè)計

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)部署

定位系統(tǒng)采用RSSI定位算法，參考節(jié)點和移動節(jié)點的相互通信確定RSSI值的大小，單位面積內(nèi)通過一定方式部署的參考節(jié)點越多，定位誤差越小。系統(tǒng)采用的攝像機(jī)具有360°水平旋轉(zhuǎn)監(jiān)控能力。實際應(yīng)用中節(jié)點和攝像頭的部署既要使得系統(tǒng)定位達(dá)到一定精度，實現(xiàn)零死角監(jiān)控，也需要考慮成本的節(jié)約。經(jīng)過實驗，最終確定了在4種常見的商城局部結(jié)構(gòu)中節(jié)點與攝像機(jī)的部署方案，示意圖如圖6所示。部署方案總體原則如下：

1)每個路口優(yōu)先安裝一個攝像頭；

2)在視野相對開闊區(qū)域，盡量將攝像頭布控于區(qū)域中心；

3)在條件允許的情況下，參考節(jié)點盡量成對部署，4個節(jié)點構(gòu)成一個矩形，節(jié)點間距離在6～8 m時定位效果最佳；

4)如果商區(qū)中貨柜、商品等陳列物密度較大，應(yīng)適當(dāng)增加參考節(jié)點數(shù)量。

圖6 參考節(jié)點與攝像機(jī)群部署方案示意圖Fig 6 Diagram of deployment scheme of reference nodes and camera group

3.2 郵件報警模塊設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)遇到警情時可以向預(yù)先設(shè)定的郵箱發(fā)送報警郵件，郵件內(nèi)容包括被監(jiān)護(hù)人的位置信息，同時附帶一張現(xiàn)場拍攝的畫面。由于很多電子郵箱提供商提供了郵件推送功能(傳統(tǒng)的手機(jī)短消息提醒或者智能手機(jī)的直接推送和接收)，如騰訊QQ、微信的郵箱提醒插件等，這些應(yīng)用極大地提高了郵件報警的便捷性和實時性，使其在監(jiān)控報警領(lǐng)域得到極大推廣。

本文利用C#中System.Web.Mail命名空間中的類庫實現(xiàn)郵件發(fā)送功能。C#發(fā)送郵件需要SMTP(simple mail transfer protocol),即簡單郵件傳輸協(xié)議服務(wù)的支持，因此,需要先設(shè)置SMTP服務(wù)。發(fā)件人郵箱地址與密碼驗證后，程序選擇對應(yīng)的收件人郵箱，通過Attachment類添加現(xiàn)場截圖到郵件中，最后將郵件發(fā)送到家長手機(jī)上，程序流程如圖7。

圖7 郵件報警模塊流程圖Fig 7 Flow chart of mail alarm module

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用C#語言編程和SQL Server 數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，中心監(jiān)控系統(tǒng)主要任務(wù)有系統(tǒng)參數(shù)配置、設(shè)備調(diào)試、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析處理、數(shù)據(jù)存儲和超限報警等。設(shè)備上電初始化后，監(jiān)控系統(tǒng)通過時間校正程序消除系統(tǒng)時間與當(dāng)?shù)貢r間偏差后開始工作，系統(tǒng)可實現(xiàn)節(jié)點自動監(jiān)測和商城內(nèi)部經(jīng)營情況常規(guī)監(jiān)測兩種模式的動態(tài)切換。遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)圖Fig 8 Structure diagram of remote monitoring software

5 實驗測試與分析

為真實模擬商城內(nèi)部環(huán)境，系統(tǒng)測試場所選擇環(huán)境最為接近商城內(nèi)部結(jié)構(gòu)的校園內(nèi)超市。超市長26 m，寬16 m，Zig Bee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、攝像機(jī)群部署方案以及平面坐標(biāo)系建立如圖9。實驗測試時，超市正常營業(yè)，其內(nèi)除攜帶CC2431

圖9 實驗場景示意圖Fig 9 Diagram of experimental scene

定位節(jié)點的兩人外，內(nèi)部還有其他顧客正常走動。移動節(jié)點每2 s進(jìn)行一次定位計算，節(jié)點對間安全距離設(shè)為8 m，超過此距離時，系統(tǒng)記錄孩子節(jié)點的位置信息并發(fā)送報警郵件。定位誤差表示實際位置和測量位置的平面距離，實驗部分結(jié)果如表1所示。

表1 部分實驗結(jié)果圖Tab 1 Partial experimental results

實驗結(jié)果表明：當(dāng)移動節(jié)點在參考節(jié)點群的內(nèi)部時，定位精度較好；反之，則可能產(chǎn)生一定的偏差(如序號7#)，當(dāng)定位誤差在3 m以內(nèi)時，被保護(hù)人將出現(xiàn)在攝像機(jī)監(jiān)控畫面內(nèi)，可清晰識別。

6 結(jié)束語

本文將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在商城智能監(jiān)控系統(tǒng)中,可以有效實現(xiàn)防止孩童在商城內(nèi)走丟、脫離父母視線的功能，可對目標(biāo)實時定位做出判斷，防止事故發(fā)生，在商業(yè)化智能商區(qū)監(jiān)控應(yīng)用中具有一定的實際意義。與同類產(chǎn)品相比，這種將無線傳感網(wǎng)絡(luò)與360°水平旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)相結(jié)合的新型監(jiān)控系統(tǒng)合理利用了商城現(xiàn)有的監(jiān)控資源，其結(jié)構(gòu)簡單，對定位精度要求相對較低，具有實時事件監(jiān)控報警和處置功能，系統(tǒng)運行和維護(hù)費用較低，社會應(yīng)用前景良好。

[1] 林洪文，涂 丹，李國輝.基于統(tǒng)計背景模型的運動目標(biāo)檢測方法[J].計算機(jī)工程，2003，29(16)：97-99.

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[3] 印 勇，王亞飛.基于空間領(lǐng)域相關(guān)性的運動目標(biāo)檢測方法[J].光電工程，2009，36(2)：1-5.

[4] Yang Shengyan，Hsu Chiou-Ting.Background modeling from GMM likelihood combined with spatial and color coherency[C]∥IEEE International Conference on Image Processing，Atlanta：IEEE，2006：2801-2804.

Design of credible surveillance system based on Zig Bee*

RUAN Yi-run， TAN Zhen， HU Yan-li， TANG Jiu-yang， GE Bin

(Key Laboratory of Information Systems Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

A credible mall surveillance system based on Zig Bee technique is designed and realized，target position provided by Zig Bee monitoring network combines with 360° horizontal rotation camera are used to protect kids when they are following parents to shopping mall.The surveillance system utilizes Zig Bee network to locate mobile nodes pair,when the distance between nodes pair exceeds safe value,the camera automatically tracks the children who is carrying mobile node while the system sends an alarm message to the guardian’s phone,which includes child's location information and an on-site monitoring screen photo.Experimental results show that the surveillance system has high positioning precision,good real-time effect,and can play a good warning effect.

Zig Bee technique； 360° horizontal rotation camera； mall video surveillance

?點與周圍的參考節(jié)點進(jìn)行通信，將接收到的接收信號強(qiáng)度指示(

signal strength indication，RSSI)值換算成對應(yīng)的距離后確定自身位置信息，并將其通過射頻模塊經(jīng)路由器發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點；

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0113—03

2014—01—09

國家自然科學(xué)基金資助項目(61302144)； 湖南國土科技項目(2013—20)

TP 212

A

1000—9787(2014)08—0113—03

阮逸潤(1989-)，男，福建莆田人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為傳感技術(shù)、信息路徑傳播。