智能小區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計研究

蔣潤青 丁富強 李戰(zhàn)克 周敏杰

摘 要：目前小區(qū)存在著安全問題，加之小區(qū)需要對用戶進行科學(xué)化管理，及時了解小區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的安全問題，以便快速做出反應(yīng)，制定相關(guān)處理策略，這就需要在整個小區(qū)內(nèi)建立智能安防系統(tǒng)。文章從智能化入手，基于當(dāng)今科技發(fā)展水品，探究了智能小區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：智能小區(qū)；安防監(jiān)控；設(shè)計實現(xiàn)；科學(xué)管理

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-00-03

0 引 言

隨著社會的發(fā)展，人們生活水平隨之提高的同時，居住環(huán)境的安全性逐漸成為大眾關(guān)注的焦點。依據(jù)中國現(xiàn)狀，大多數(shù)城市居民都以小區(qū)為單位進行娛樂活動或身體鍛煉，小區(qū)不僅為廣大居民提供了開闊舒適的休閑場所，其安防系統(tǒng)也擔(dān)負著保護小區(qū)居民人身安全與財產(chǎn)安全的重任，因此文章研究設(shè)計了智能小區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)。

1 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 紅外檢測模塊

紅外檢測模塊是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分，它布置在潛在的入侵入口處，采用光束紅外對射器檢測非法入侵。其可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集錄入，并將這些數(shù)據(jù)通過有線或無線的連接方式傳輸?shù)綀缶鳈C。報警主機是檢測部分的關(guān)鍵控制部分，用來與傳感器通信，以獲取相關(guān)信號，并根據(jù)內(nèi)置檢測算法進行相應(yīng)的入侵判斷從而發(fā)出相應(yīng)警報。

紅外對射器的工作原理是基于監(jiān)測射光線的變化情況，從而識別判斷不同的入侵狀況。非法入侵的物體通過對射器時，會遮擋對射光線，導(dǎo)致對射器感應(yīng)的信號出現(xiàn)波動變化，這樣的波動信號由相應(yīng)的信號處理模塊處理，然后將綜合信號傳輸給主機，主機根據(jù)自身算法，通過相應(yīng)處理之后，將信號傳給數(shù)據(jù)處理中心。

系統(tǒng)采用紅外傳感器對外界入侵進行檢測，以充分適應(yīng)夜晚光照弱的環(huán)境。獲取紅外信號后，系統(tǒng)通過總線傳輸?shù)郊t外報警主機。

必須保證紅外傳感設(shè)備的持續(xù)通聯(lián)。讓主機周期性地向紅外設(shè)備發(fā)送keep-alive信息，紅外進行相關(guān)應(yīng)答。當(dāng)報警主機發(fā)生配置變化或設(shè)備出現(xiàn)意外狀況時，主機可以利用繼電器聯(lián)動控制視頻監(jiān)測系統(tǒng)，對相關(guān)區(qū)域進行視頻監(jiān)控。主機發(fā)送keep-alive的心跳信號后，如果在1秒內(nèi)沒有收到響應(yīng)，則會重新發(fā)包，直到得到響應(yīng)為止。如果在一定的時間內(nèi)沒有收到反饋（系統(tǒng)設(shè)為5秒），超時后則認(rèn)為傳感器掉線。在實際情況中，我們在紅外傳感器和主機之間采用UDP的方式通信，紅外設(shè)備偵聽具體的UDP端口，針對主機傳來的數(shù)據(jù)進行不同的應(yīng)答。

1.2 視頻檢測模塊

視頻檢測模塊布置在小區(qū)的各出入口、停車場出入口、小區(qū)的主要通道以及小區(qū)的其他重要公共場所。視頻檢測模塊主要由終端的一組或多組監(jiān)視器構(gòu)成。通過這些分布在各個點的攝像機網(wǎng)絡(luò)，組成了極其復(fù)雜的“智能虛擬墻”。當(dāng)有非法物體入侵虛擬墻時，攝像機會采集相關(guān)數(shù)據(jù)，觸發(fā)警報。把警報傳達給更高級的視頻設(shè)備和視頻系統(tǒng)，如PTZ攝像機和高速球機，這些系統(tǒng)更加復(fù)雜和智能，可以對入侵物體進行實時追蹤，有利于罪證采集和對犯罪分子的控制。

攝像機實時采集各個點的數(shù)據(jù)信息，所采取的視頻檢測的關(guān)鍵技術(shù)就是圖像分析技術(shù)。對于一個動態(tài)圖像處理模塊的輸入而言，即一組時間上離散的圖像序列。由于運動的圖像原本在時間上是連續(xù)的，故可利用移動連貫性的特征來做一些預(yù)判和假設(shè)。先驗的預(yù)判和假設(shè)有助于降低模塊計算的復(fù)雜度，進而達到降低成本和實現(xiàn)復(fù)雜度的目的。

攝像機攝錄到的視頻信號是時間和空間二維維度上的復(fù)雜信號。在各種各樣的傳感信號中，圖像信號是最復(fù)雜的，數(shù)據(jù)量也是最大的。對于采集到的圖像數(shù)據(jù)，高效的圖像分析技術(shù)是實現(xiàn)解析和識別的必要手段。在攝像機不停采集信號的過程中，相關(guān)的信號也隨時間的推移快速增長。基于圖像信號在時間維度上的相關(guān)特性，其可以實現(xiàn)壓縮處置功能。對于運動物體的圖像信號，幀數(shù)的選取也非常重要，需要權(quán)衡儲存復(fù)雜度和效率，而這也是系統(tǒng)中的難點。

在處理運動圖像信息時，一般涉及到4個步驟的處理，分別為預(yù)處理、目標(biāo)檢測、目標(biāo)識別和目標(biāo)追蹤。

當(dāng)通過基本的分析模塊分析完成后，把分析結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊。整個通信過程建立在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之上，而通過采用TCP/IP技術(shù)，通訊互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信號傳輸范圍更加具有魯棒性。

通過Socket將圖像攝錄器材和視頻處理單元連接上。為了增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采集設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)給視頻處理單元時，需要進行簡單的差錯控制，將錯誤的數(shù)據(jù)忽略。

1.3 無線射頻模塊

除了靜態(tài)的紅外對射器和攝像頭外，我們還布置了動態(tài)的巡更系統(tǒng)。建議巡更系統(tǒng)在小區(qū)保安管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上對保安配置無線射頻模塊。具體來說，每個保安都會攜帶無線手持巡查器。在保安的巡邏過程中，保安會到各處的刷卡點進行巡視，然后及時把相關(guān)的巡視信息通過無線系統(tǒng)發(fā)送給控制中心進行處理。

在車輛管理單元中，無線射頻模塊不可或缺。讀寫器通過讀取電子標(biāo)簽，將數(shù)據(jù)傳給相關(guān)處理單元，經(jīng)過進一步分析，如果出現(xiàn)非法狀況，將發(fā)出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的報警信號。

射頻模塊在該系統(tǒng)的構(gòu)成中扮演著重要的角色，具體分為設(shè)備管理模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、通信保障模塊、過濾模塊、設(shè)備管理模塊5個子單元。設(shè)備管理單元：該單元管理讀寫器的部分。設(shè)備管理模塊的主要作用在于完成讀寫器的設(shè)置，讀取、寫出讀寫器的狀態(tài)；處理數(shù)據(jù)單元：該單元用以整合讀寫器的數(shù)據(jù)；過濾數(shù)據(jù)單元：該單元對數(shù)據(jù)處理單元獲取的基本數(shù)據(jù)進行屬性、冗余、行為和規(guī)則濾除。它將增強數(shù)據(jù)的可用性；通信服務(wù)單元：該單元的基本功能為在網(wǎng)絡(luò)層之間進行數(shù)據(jù)傳遞。該安防監(jiān)控系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的要求高，使用環(huán)境復(fù)雜。通信保障單元需要保證連接在不同類型、對象、時間和方式下，都能順利地進行數(shù)據(jù)傳輸。為了簡化系統(tǒng)的設(shè)計，我們實現(xiàn)了統(tǒng)一的通信接口，方便上層調(diào)用。

系統(tǒng)內(nèi)之所以設(shè)置數(shù)據(jù)庫管理單元，其目的在于更大程度的體現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的使用效果。擬達到期望數(shù)據(jù)調(diào)取的速度和效率盡可能地高?；谠搯卧脩艨梢赃M行數(shù)據(jù)庫訪問以及數(shù)據(jù)的緩存操作。其中，數(shù)據(jù)緩存是把常用的數(shù)據(jù)緩存起來，后面的請求直接返回緩存的數(shù)據(jù)。通過這樣的設(shè)計使查詢數(shù)據(jù)庫的效率得到了很大的提升。

2 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

依據(jù)前文所述，系統(tǒng)設(shè)計過程包含大規(guī)模的數(shù)據(jù)儲存過程。所以應(yīng)當(dāng)從數(shù)據(jù)庫整體的層面實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫設(shè)計。

2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

在SQLServer2005平臺中，數(shù)據(jù)庫引擎保障了結(jié)構(gòu)化與關(guān)系型數(shù)據(jù)的有效儲存，不管是安全性，還是可靠性都相對較高，很少出現(xiàn)錯誤。其用戶管理接口簡潔方便，上手容易。除此之外，它還具有較好的并行處理性能，貼切地滿足了本系統(tǒng)的各項需求。數(shù)據(jù)儲存流程需要良好的控制。首先初始化系統(tǒng)，然后根據(jù)需求判斷是否需要額外建立新的表格，其次判斷系統(tǒng)是否有數(shù)據(jù)需要更新，如果需要更新，則將數(shù)據(jù)解包，然后寫入相關(guān)的數(shù)據(jù)表中。最終完成數(shù)據(jù)庫的有關(guān)操作。

本系統(tǒng)共計包含3個數(shù)據(jù)庫需求，分別為管理員需求、報警圖片與數(shù)據(jù)的儲存要求、歷史文件查詢需求。

（1）管理員需求

①管理員先輸入密碼，認(rèn)證成功后進入系統(tǒng)，觀察監(jiān)測視頻信息，也可以根據(jù)需求將歷史報警圖像打印出來，或者進行相關(guān)圖像內(nèi)容的下載。

②VIP管理員的系統(tǒng)使用權(quán)限是最大的，可以進行很多系統(tǒng)操作。

（2）報警圖片與數(shù)據(jù)的儲存要求

①在拍攝到視頻檢測圖像之后，系統(tǒng)會將這些文件進行儲存，數(shù)據(jù)庫內(nèi)儲存的信息主要有視頻的路徑、起始時間、文件信息、拍攝裝置信息參數(shù)等。

②如果視頻中發(fā)生了違規(guī)事件，那么智能分析系統(tǒng)會將該部分圖片儲存起來，并且詳細記錄違規(guī)事件的儲存路徑、事件類型、拍攝時間以及拍攝設(shè)備信息參數(shù)等。

（3）歷史文件查詢需求

①管理員能夠根據(jù)需求對報警信息及圖片進行查詢或打印，查詢打印方法主要有報警事件類型及事件發(fā)生區(qū)域等。

②管理員在系統(tǒng)中輸入視頻的位置信息、事件信息以及拍攝設(shè)備參數(shù)信息等。

2.2 報警事件信息過濾

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接處理后產(chǎn)生的報警信息不準(zhǔn)確，里面含有大量重復(fù)、無效和誤報的信息，因此本系統(tǒng)中設(shè)計了過濾模塊，用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的解析與排隊過程。然后通過規(guī)則匹配器對報警信息進行篩選，最終得到合適的報警信息，傳給接下來的模塊作進一步的處理。如何合理有效地設(shè)定報警信息的過濾原則非常重要，在系統(tǒng)里，我們只接受順利排隊的信息。報警信息的解析步驟進行時要注意應(yīng)先從接受隊列中提取信息，然后通過IP地址和通信號來判斷報警是否合法。若合法，信息才會順利排隊。

2.3 報警事件類別判定與處理

對于報警事件類別的判定過程是，首先收集經(jīng)濾除虛假和干擾信息后的報警資料消息，在綜合其余各采集數(shù)據(jù)單元的即時狀態(tài)，與前期設(shè)計好的警情判斷標(biāo)準(zhǔn)來比較辨別和認(rèn)定，其流程為：首先從隊列中讀取相關(guān)的報警信息，然后通過數(shù)據(jù)庫檢索，判斷是否是重復(fù)的冗余報警信號。當(dāng)報警信號第一次出現(xiàn)，應(yīng)該結(jié)合報警準(zhǔn)則完成匹配，之后才可以聯(lián)合控制管理報警。最后系統(tǒng)將相關(guān)的報警信息儲存在歷史信息中，供之后查看與分析。

3 監(jiān)控管理子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

監(jiān)控管理子系統(tǒng)需要實現(xiàn)良好的用戶接口，本文采用C#語言來設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控管理界面的要求。在所有的計算機語言中，C#為代表性較高的語言，其具有簡單、面向?qū)ο蟮奶攸c。

3.1 管理主界面設(shè)計

管理端可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的配置，同時把完成配置的數(shù)據(jù)進行儲存，系統(tǒng)模塊就可以從數(shù)據(jù)庫內(nèi)調(diào)用這些信息。設(shè)置信息也有很多，比如用戶管理、報警設(shè)置以及服務(wù)器設(shè)置等，用戶在這個過程中僅僅完成管理端的管理工作。

主控界面主要包含登錄注冊，信息設(shè)置，系統(tǒng)幫助等功能界面。

新用戶需要在管理員的授權(quán)之下注冊，然后才可以登錄系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)設(shè)置了一些出錯處理機制與容錯處理機制，具體功能可以查看測試部分。如果用戶可以登錄本系統(tǒng)，系統(tǒng)將呈現(xiàn)給用戶一個監(jiān)控管理界面。

當(dāng)發(fā)生危險報警或預(yù)警時，采集并保存在數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些將會顯示在監(jiān)控管理模塊中，包括報警事件顯示單元和報警位置顯示單元。

當(dāng)收到報警信息后，首先系統(tǒng)會解析報警設(shè)備的id號，并關(guān)聯(lián)查詢到相關(guān)防區(qū)的信息和報警用戶的信息。接著，系統(tǒng)將報警事件資料記錄在數(shù)據(jù)庫中，同時在用戶界面（UI）中顯示現(xiàn)場的相關(guān)情況。根據(jù)我們查詢的報警相關(guān)信息，顯示相關(guān)報警位置，并且播放聲音提示。之后激活系統(tǒng)的聯(lián)動設(shè)備，完成詳細地檢測與處理過程。本文所設(shè)計的監(jiān)控管理系統(tǒng)包含操作員管理、用戶管理、系統(tǒng)管理3個部分。管理員的權(quán)限有很多，比如實時監(jiān)控視頻、查詢與打印歷史視頻信息、下載所需視頻圖像信息等。除此之外，管理員還可進行數(shù)據(jù)信息的多種操作，比如刪除、管理監(jiān)控裝置的區(qū)域信息與名稱等。

3.2 Web服務(wù)器端軟件實現(xiàn)

服務(wù)器端的作用在于得到完成配置的設(shè)備數(shù)據(jù)，將圖像信息傳遞給客戶端，并且進行事件報警，服務(wù)器端還可以對客戶端的運行狀態(tài)進行監(jiān)視，比如用戶權(quán)限、連接通道及IP等。

服務(wù)器端采用TCP偵聽。首先初始化視頻監(jiān)控設(shè)備（各種類型的攝像頭）以及網(wǎng)絡(luò)端口號，開啟視頻監(jiān)控服務(wù)。之后視頻設(shè)備采集視頻信息，并且捕捉所需信息，接收來自客戶機的用戶請求。如果服務(wù)器端與客戶端形成了連接，那么服務(wù)器端能夠進行TCP數(shù)據(jù)傳輸，將視頻數(shù)據(jù)傳遞給客戶端。若一直有監(jiān)控任務(wù)，就一直傳輸數(shù)據(jù)。如果終止了監(jiān)控任務(wù)，服務(wù)器則徹底關(guān)閉Socket，結(jié)束視頻采集線程，關(guān)閉相關(guān)采集硬件。

3.3 客戶端軟件實現(xiàn)

客戶端結(jié)合用戶輸入的用戶名與密碼，確定用戶的權(quán)限信息，然后將配置數(shù)據(jù)裝載到客戶端。服務(wù)器與客戶端的TCP連接的主要過程：用戶首先創(chuàng)建Socket通信，確定合適的服務(wù)器端口號與主機地址。接著兩者進行三次握手通信連接，數(shù)據(jù)傳輸在此后開始。最后完成數(shù)據(jù)傳輸，客戶端將TCP連接關(guān)閉。不管是用普通PC還是手機終端作為客戶端，當(dāng)已注冊用戶成功登錄客戶端之后，程序開啟視頻處理線程，在網(wǎng)絡(luò)連接良好的情況下，建立遠程請求；在成功建立TCP連接之后，就可以接收圖像并顯示于終端。當(dāng)監(jiān)控終止時，視頻線程也將被終止，客戶端訪問結(jié)束。

系統(tǒng)以一定的時間間隔查詢報警消息隊列，如果發(fā)現(xiàn)警情消息，則開始解析。首先判斷消息是否合法有效。然后從數(shù)據(jù)庫內(nèi)調(diào)用數(shù)據(jù)信息，也可以調(diào)用報警事件的時間信息。如果有相關(guān)的報警圖像信息，則根據(jù)報警類型，將相關(guān)的圖像信息顯示在控制的軟件（客戶端監(jiān)控界面）中。

4 結(jié) 語

文章對系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)進行了具體介紹，包括綜合系統(tǒng)設(shè)計，具體的軟件實現(xiàn)和部署方案。文中設(shè)計了3個子系統(tǒng)，首先是采集子系統(tǒng)，其次是數(shù)據(jù)處理模塊，最后是監(jiān)控管理子模塊，并逐一介紹了其設(shè)計過程。

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