基于RFID技術(shù)的智能監(jiān)控平臺的設(shè)計

張傳勝?

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所,吉林長春130033)

基于RFID技術(shù)的智能監(jiān)控平臺的設(shè)計

張傳勝?

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所,吉林長春130033)

針對傳統(tǒng)的大區(qū)域公共場所多采用定時輪流切換鏡頭的方式進行視頻監(jiān)控,存在監(jiān)控不及時和漏內(nèi)容的缺點,設(shè)計了一種以RFID技術(shù)為核心的智能監(jiān)控平臺。該平臺由S3C2440處理器、OV9650攝像頭和nRF24LE1無線芯片組成,其核心算法是依據(jù)場所的情景進行模式分類,接收并檢測監(jiān)控場所的無線信號能量波動,當出現(xiàn)異常時,就把該部分的攝像頭圖像顯示在監(jiān)控中心的顯示屏幕上。實驗表明,基于該平臺設(shè)計的智能監(jiān)控視頻系統(tǒng),避免了定時輪換鏡頭方法的缺點;在中等視頻監(jiān)控規(guī)模時,漏監(jiān)率就可以獲得很大改善。該智能監(jiān)控平臺較好地實現(xiàn)了對大區(qū)域公共場所人員和物品的無漏實時監(jiān)控,結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,可以滿足公共場所智能監(jiān)控的需要。

RFID;S3C2440;監(jiān)控

1 引 言

隨著我國公共安全意識的提高,在小區(qū)、校園、企業(yè)等多種公共場所中視頻監(jiān)控具有越來越重要的地位,因為能及時地將現(xiàn)場情況傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,可以有效地防止各種異常情況的發(fā)生。

目前公共場所等大區(qū)域視頻監(jiān)控系統(tǒng)由于攝像頭較多而監(jiān)控中心監(jiān)視屏幕較少,因此無法同時顯示所有攝像頭采集到的監(jiān)視畫面。為了應(yīng)對這種情況,一般的方法是增加監(jiān)控中心的監(jiān)視屏的數(shù)量,或者是定時輪流切換攝像頭的視頻畫面,前者增加了系統(tǒng)的整體成本,而且也不能做到監(jiān)視屏與攝像頭一一對應(yīng);后者則存在較大的幾率,漏掉可能存在的異常監(jiān)視畫面。

本文利用Samsung公司的S3C2440處理器、OmniVision公司的OV9650型COMS攝像頭(分辨率為1 300×1 028,像素數(shù)為130萬)和Nordic公司的n RF24LE1無線芯片組成智能攝像頭監(jiān)控平臺[1-3]。同時用nRF24LE1無線芯片做成電子標簽,分別佩戴在人員身上或粘貼在物品上,使用射頻信號通過空間耦合實現(xiàn)身份信息的傳遞,并通過該身份信息識別目標。本平臺中,當智能攝像頭監(jiān)控平臺依據(jù)智能處理策略檢測到場所中可能出現(xiàn)異常時,就啟動OV9650攝像頭實時攝像,并把圖像顯示在監(jiān)控中心顯示屏幕上,如果沒有檢測到異常,就只是采集視頻圖像并存儲到存儲卡中。

軟件開發(fā)使用通用性很強的C語言,并利用射頻能量波動檢測算法進行現(xiàn)場實時監(jiān)視,同時開啟Cache加速處理程序,以較低的成本實現(xiàn)了對公共場所的實時無漏監(jiān)控和顯示。

2 總體設(shè)計

攝像頭監(jiān)控端的硬件部分由S3C2440微處理器、n RF24LE1無線芯片、天線、SD卡接口、OV9650攝像頭和480×272分辨率的液晶顯示屏組成。終端電子標簽由n RF24LE1無線芯片、報警按鍵、蜂鳴器和PCB天線組成?？傮w硬件設(shè)計如圖1所示。

圖1 總體硬件設(shè)計Fig.1 Design of overall hardware

由于終端電子標簽需要粘貼或佩戴,對體積低和功耗要求比較高,所以使用了PCB天線;而攝像頭監(jiān)控端要求較大的接收靈敏度,為保證探測精度,設(shè)計了PA天線[4-5]。

圖2 總體軟件流程Fig.2 Process of overall software

總體軟件設(shè)計的框架主要包括終端電子標簽回執(zhí)算法和攝像頭智能監(jiān)控算法兩部分。其中終端電子標簽回執(zhí)算法比較簡單,主要是在收到同編號的搜索信號后,發(fā)送回執(zhí)信號,以表明本終端在該攝像頭監(jiān)視范圍內(nèi);或者是主動發(fā)送報警信號,表明本終端可能存在異常,需要該攝像頭傳輸視頻。攝像頭智能監(jiān)控算法主要是搜索和檢測終端電子標簽的異常,進而決定是否傳輸視頻,其流程如圖2所示。

為了更有效地檢測算法的有效性,簡化了實驗條件,攝像頭傳輸視頻采用了傳輸質(zhì)量較高的無線局域網(wǎng)(WIFI);傳輸終端的顯示屏采用了帶VGA接口的顯示屏。

3 VGA接口驅(qū)動設(shè)計

VGA(Video Graphics Array)接口是IBM公司提出的應(yīng)用于PC的顯示接口,由于該接口具有顯示速率快、分辨率高、顏色豐富等優(yōu)點,目前仍然廣泛應(yīng)用在彩色顯示器領(lǐng)域。VGA接口一般為DB15型的插座,其引腳定義如表1所示。

表1 VGA接口引腳說明Tab.1 Introducing of VGA interface

VGA接口使用的是模擬RGB信號通道,關(guān)鍵信號有5個,分別是紅色模擬信號、綠色模擬信號、藍色模擬信號、水平同步信號、垂直同步信號。圖像形成方式為逐點逐行掃描,從左至右,從上而下的進行掃描,每行結(jié)束時,用水平同步信號進行同步。掃描完所有的行后用垂直同步信號進行場同步。

由于S3C2440自帶液晶顯示屏驅(qū)動模塊,通過芯片手冊比較VGA接口時序和S3C2440自帶的液晶顯示屏驅(qū)動的掃描時序,可以發(fā)現(xiàn)兩者相似度很高。但是S3C2440自帶的液晶顯示屏驅(qū)動控制器輸出的是RGB數(shù)字信號,而VGA接口輸出的是紅綠藍模擬信號,因此需要通過D/A轉(zhuǎn)換來完成兩者的匹配,為滿足真彩色(3個色彩通道共24位)的要求,需要單個通道達到8位的轉(zhuǎn)換精度;為滿足幀頻的要求,單個像素點的掃描時鐘頻率必須大于27 MHz;而且必須保證至少有3個通道同時轉(zhuǎn)換,以滿足紅綠藍(RGB)3路信號的同時輸出。為滿足以上要求,本平臺采用ADI公司的視頻D/A芯片ADV7120。該芯片的像素掃描時鐘頻率有30、50、80 MHz 3種等級,并集成了3路獨立的8位高速D/A轉(zhuǎn)換器,可以同時處理紅、綠、藍3路視頻數(shù)據(jù),滿足了本平臺對高分辨率模擬接口時序的需要。具體的電路連接方式如圖3所示。

圖3 S3C2440與ADV7120的連接原理圖Fig.3 Uncorrected correspondence between the LCD screen and touch screen

平臺不需要額外編寫VGA接口驅(qū)動程序,只是利用S3C2440自帶的液晶顯示屏驅(qū)動模塊就可以實現(xiàn)VGA視頻的輸出。

4 平臺射頻通信識別設(shè)計

平臺的射頻識別與通信功能主要由n RF24LE1芯片完成。n RF24LE1無線芯片是Nordic公司推出的一款內(nèi)置高速8位微控制器的2.4 GHz射頻收發(fā)器無線芯片,具有優(yōu)異的加密能力和傳輸特性,同時其節(jié)電模式為超低功耗的無線應(yīng)用提供了可能。

攝像頭監(jiān)控端的射頻通信識別硬件部分由S3C2440通過UART接口與nRF24LE1連接組成;終端電子標簽的通信部分直接由n RF24LE1完成。由于一個攝像頭監(jiān)控端需要同時監(jiān)視多個終端電子標簽,而且終端電子標簽的數(shù)量還可能隨時發(fā)生變化,同時還需要較高的抗干擾能力,因此選擇多節(jié)點(終端電子標簽)對主節(jié)點(攝像頭監(jiān)控端)的載波監(jiān)聽方式作為通信手段。

載波監(jiān)聽(CSMA/CD)的工作原理是終端在發(fā)送數(shù)據(jù)到主節(jié)點前先偵聽該信道是否空閑,如果是空閑狀態(tài),則立即發(fā)送數(shù)據(jù);若信道已經(jīng)被其他終端占用,就延時一段時間,直到信道空閑再發(fā)送數(shù)據(jù)。如果同時有兩個或兩個以上的空閑都提出發(fā)送請求,就判定為沖突,就立即停止發(fā)送數(shù)據(jù),延時一段隨機時間,再重新嘗試發(fā)送。

為了實現(xiàn)射頻識別,需要對被監(jiān)視物品和人員進行編號設(shè)定,也就是給每一個終端電子標簽分配身份ID,編號從1開始,直到所有被監(jiān)視者都被分配為止。

考慮到被監(jiān)視者本身存在很多差異,如有人員和物品的區(qū)分,物品有固定和移動的區(qū)分,人員有戴簽和不戴簽的區(qū)分,因此把編號擴展成16位的2進制數(shù),其結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 身份編號組成Tab.2 ID number

編號中的屬性分配如表3所示。

表3 屬性定義Tab.3 Nature definition

編號中的級別為2位2進制數(shù),表示物品的重要程度或者人員的權(quán)限,其值從00到11級別依次遞增。序號為12位的2進制數(shù)。由于n RF24LE1芯片本身內(nèi)置的協(xié)議,能實現(xiàn)主節(jié)點在給定的頻率情況下與6個同頻率但不同通道的終端節(jié)點進行無干擾通信,因此根據(jù)本平臺的需求設(shè)計4個通道對應(yīng)4種不同屬性的被監(jiān)視對象。進行搜索時,一個通道最多可同時監(jiān)視4 095 (212－1)個同屬性的被監(jiān)視對象,4個通道對應(yīng)16 380(4×4 095)個被監(jiān)視對象,對于一般公共場合,如學(xué)校、公司或工廠已足夠用。如果系統(tǒng)需要監(jiān)視更多的對象,可以把序號擴展成更多位2進值數(shù),但隨著系統(tǒng)監(jiān)視數(shù)量的擴大,系統(tǒng)的實時性會降低,所以一般以實際需求為主。

平臺攝像頭監(jiān)控端的標簽記錄表由兩部分組成:一部分是身份編號,另一部分是能量記錄,如表4所示。

表4 監(jiān)控端的標簽記錄表Tab.4 Tag record table for surveillance end

每次收到終端電子標簽的回執(zhí)信號時就同步檢測該信號的能量值,然后記錄在對應(yīng)的表項里或進行其他處理。

5 監(jiān)視策略設(shè)計與實測

監(jiān)視策略主要是通過快速的射頻識別技術(shù)判斷出是否需要把現(xiàn)場圖像傳輸給監(jiān)控中心,但公共場所的現(xiàn)場情況通常比較復(fù)雜,這里把環(huán)境分為靜態(tài)環(huán)境和動態(tài)環(huán)境。靜態(tài)環(huán)境是指動態(tài)人員很少的環(huán)境,以中小學(xué)校園為例,放學(xué)后的校園、學(xué)校的某些不經(jīng)常有人員出現(xiàn)的地點或者重要部門等;動態(tài)環(huán)境是指平時具有動態(tài)人員的環(huán)境,比如課間操場、走廊等地點,需要根據(jù)不同的情況設(shè)計不同的監(jiān)視策略[6-7]。

5.1 監(jiān)視策略的設(shè)計

靜態(tài)環(huán)境的監(jiān)視需要事先在攝像頭監(jiān)控端的周邊一些固定位置粘貼終端電子標簽,這些標簽不需要主動報警,只是利用攝像頭監(jiān)控端的n RF24LE1芯片來檢測這些終端電子標簽發(fā)射的能量,如果其值出現(xiàn)波動,則表明靜態(tài)環(huán)境中出現(xiàn)了異常情況,需要把采集的視頻圖像傳遞給監(jiān)視中心的顯示屏上。

動態(tài)環(huán)境的監(jiān)視主要針對的目標是人員和重要物品。對于重要物品,如果經(jīng)檢測,其傳輸給攝像頭監(jiān)控端的能量值減少10 d B以上,就需要把采集的視頻圖像傳遞給監(jiān)視中心的顯示屏上;對于人員的監(jiān)視比較復(fù)雜,這是因為人員本身無論是位置還是行為都是動態(tài)的,難以通過檢測人體粘貼的終端電子標簽?zāi)芰坎▌舆M行判斷。

為了解決這個問題,在人員佩戴的終端電子標簽上加入了一個報警按鍵和蜂鳴器,在異常情況下,佩戴電子標簽的人員可以按報警鍵,則該終端電子標簽會向攝像頭監(jiān)控端發(fā)送報警信號,同時啟動蜂鳴器示警,攝像頭監(jiān)控端收到報警信號后會把采集的視頻圖像傳遞到監(jiān)視中心的顯示屏上,蜂鳴器聲音也可以讓保安人員趕到現(xiàn)場后第一時間確定報警人員的位置。

依據(jù)以上原則設(shè)計了攝像頭監(jiān)控端和終端電子標簽算法,流程如圖4所示。

圖4 算法流程Fig.4 Algorithm process

5.2 平臺實測

為了檢驗監(jiān)視策略是否有效,搭建了由2個帶PA天線的攝像頭監(jiān)控端和3個帶PCB天線的終端電子標簽組成的實驗系統(tǒng)。由于主要是為了檢驗監(jiān)視策略是否有效,因此對實驗過程做了簡化,攝像頭始終把采集端圖像顯示到各自的LCD顯示屏上,如果檢測到異常情況,就閃爍報警,表示此時攝像頭監(jiān)控端把采集的視頻圖像傳遞出去;如果檢測無異常,則不閃爍報警。在實驗時把2個攝像頭監(jiān)控端分別放置在兩個房間,按如下3種方式進行實驗:

(1)靜態(tài)測試,在房間內(nèi)放置2個終端電子標簽,人員在房間內(nèi)走動;

(2)動態(tài)物品檢測,在房間內(nèi)放置2個終端電子標簽,移動其中1個標簽;

(3)動態(tài)人員檢測,在房間內(nèi)放置2個終端電子標簽,按下其中1個標簽的報警按鍵。

實驗效果分別如圖5(a)、5(b)、5(c)所示。

圖5 實驗效果Fig.5 Experimental results

經(jīng)過多次實驗,在較小的室內(nèi)環(huán)境下,且模塊的位移較大時,實驗效果較好;但是在動態(tài)環(huán)境下,在模塊的位移不大的情況下,實驗效果不是很理想,證明監(jiān)視策略還有待改進。

在中等規(guī)模的實測中,包括20個攝像頭和一塊4分屏顯示器的情況下,多次實測結(jié)果表示,漏監(jiān)率可以獲得很大改善。

6 結(jié) 論

通過實驗驗證,本系統(tǒng)在顯示屏數(shù)量遠小于攝像頭數(shù)量的條件下實現(xiàn)了對公共場所固定區(qū)域人員和物品的無漏實時監(jiān)控。由于不需要增加額外的顯示屏,所以成本低廉;同時由于利用了RFID技術(shù),因此結(jié)構(gòu)比較簡單。系統(tǒng)采用S3C2440處理器驅(qū)動OV9650采集攝像,利用n RF24LE1芯片進行射頻識別,滿足了設(shè)計的基本要求。從理論上分析,公共場所的監(jiān)視規(guī)模越大,其優(yōu)越性會越高。如果能對采集的圖像輔以識別技術(shù)并使用專用的GPU加速運算則可以取得更好的效果。

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Design of intelligent monitoring platform based on RFID technology

ZHANG Chuan-sheng?

(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Science,Changchun 130033,China)

The fixed-time shot switching is usually used to monitor the public place,but this method has the untimely and some content-absence shortcomings.A new intelligent monitoring platform based on RFID technology is designed for overcoming these problems,which consists of S3C2440 processor,OV9650 camera and n RF24LE1 wireless chip components.The core algorithm is based on the pattern classification of the scenes,it can receive the wireless energy fluctuation,and the images will be monitored and shown on the screen where appears unusual situation.The experiments show that this new platform has overcome the shortcoming of fixed-time shot switching.In the medium scale video surveillance,the shot-losing ratio is improved greatly.This intelligent platform has realized non-leakage and real-time monitoring for the goods and personnel in the large area public places with the compact and low cost advantages.It can meet the needs of intelligent monitoring of public places.

RFID;S3C2440;monitoring

TP316.2;TP317.4

A

10.3788/YJYXS20153005.0825

1007-2780(2015)05-0825-07

張傳勝(1966－),男,黑龍江牡丹江人,副研究員,主要從事脈沖氣體激光器及其脈沖功率源技術(shù)等方面的研究。zhangcs＠ciomp.ac.cn

2014-11-07;

2015-03-24.

?通信聯(lián)系人,E-mail:zhangcs＠ciomp.ac.cn