基于物聯(lián)網(wǎng)與三維可視化的彈藥庫實時監(jiān)測系統(tǒng)*

鄒向陽，鄒和輝，劉戎

（1.空軍空降兵學院，廣西桂林541003；2.桂林電子科技大學，廣西桂林541004）

基于物聯(lián)網(wǎng)與三維可視化的彈藥庫實時監(jiān)測系統(tǒng)*

鄒向陽1，鄒和輝2，劉戎1

（1.空軍空降兵學院，廣西桂林541003；2.桂林電子科技大學，廣西桂林541004）

為滿足部隊彈藥庫監(jiān)測的信息化、智能化、實時化、可視化應用需求，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)與三維可視化技術的彈藥庫實時監(jiān)測方案。通過綜合分析彈藥庫實際監(jiān)測需求以及應用特點，充分利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，依托云架構下的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、分析、展示技術，構建多平臺可視化彈藥庫實時監(jiān)測系統(tǒng)。詳細闡述了彈藥庫監(jiān)測系統(tǒng)的架構、功能和設計方案，為建設新型彈藥庫實時監(jiān)測提供了新的思路與方向。

彈藥庫，物聯(lián)網(wǎng)，三維可視化，ZigBee，Node.js

0 引言

彈藥庫是用于儲存彈藥類特殊危險品的特種倉庫。彈藥品具有易燃、易爆等特性，在其受到高溫、摩擦、振動、碰撞、曝曬等因素的作用下時，極易引發(fā)不安全事故。對彈藥庫的實時安全監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測是保證彈藥庫安全、彈藥性能良好的重要策略之一。目前，部隊彈藥庫數(shù)量多、分布廣、建設標準低、監(jiān)管力量薄弱、信息化水平落后，迫切需要提高彈藥庫的監(jiān)測管理工作。

在彈藥庫監(jiān)測中，主要的監(jiān)控要素有視頻圖像監(jiān)控、溫濕度監(jiān)測、紅外探測、離子煙霧監(jiān)測、雷擊監(jiān)測等［1］。傳統(tǒng)的監(jiān)測方式一般采用傳感器-單片機-PC架構的單機模式，這種方式架構簡單、性能穩(wěn)定，但也存在一系列的弊端：其一，監(jiān)測要素單一無法滿足部隊信息化發(fā)展的需求；其二，數(shù)據(jù)傳輸采用有線方式，增加了彈藥庫布線難度、維護成本以及傳感地的放置地點；其三，基于PC端的本地查看，這種方式無法遠程實時查看，并且局限于PC客戶端。

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展迅速并廣泛用于公共安全、智能交通、工農(nóng)業(yè)和軍事等領域。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，三維可視化與物聯(lián)網(wǎng)技術的融合受到普遍重視，且必將成為發(fā)展趨勢。物聯(lián)網(wǎng)與三維可視化技術的融合在國內(nèi)智能場館、智能變電站、智能礦井等方面已經(jīng)取得初步的應用成果［2］。

1 系統(tǒng)整體方案

1.1 彈藥庫實時監(jiān)測系統(tǒng)架構

根據(jù)彈藥庫的安全監(jiān)測要素，可以進行實時監(jiān)測管理系統(tǒng)的架構搭建。該系統(tǒng)主要是依托ZigBee無線傳感網(wǎng)、云計算架構下的數(shù)據(jù)傳輸、存儲、分析、展示等技術，以及三維可視與虛擬仿真技術的綜合應用，實現(xiàn)對彈藥庫安全監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、各系統(tǒng)報警聯(lián)動，做到彈藥庫實時監(jiān)測的信息化、智能化、可視化、實時化為一體的綜合安全管理系統(tǒng)。系統(tǒng)整體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構

從數(shù)據(jù)信息的流向劃分，該系統(tǒng)可以劃分為四部分：彈藥庫房數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡傳輸、數(shù)據(jù)分析處理平臺以及終端展現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集主要通過安全穩(wěn)定的傳感器網(wǎng)絡、先進可靠的測量手段，以及精確的誤差消除辦法來獲取彈藥庫房內(nèi)所監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息；網(wǎng)絡傳輸采用有線與無線相結合的方式將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒掌髟贫?。例如對于大?shù)據(jù)的傳輸如視頻數(shù)據(jù)采用有線傳輸?shù)姆绞?，對于小?shù)據(jù)的傳輸如溫度、濕度、入侵檢測數(shù)據(jù)采用ZigBee無線傳輸方式，這既能保證通訊網(wǎng)絡的高效靈敏、反應快捷，又能保證網(wǎng)絡運行穩(wěn)定、可靠；數(shù)據(jù)處理平臺引入Node.js技術，主要完成用戶請求、數(shù)據(jù)接入以及數(shù)據(jù)的分析融合，為各子系統(tǒng)的聯(lián)動提供數(shù)據(jù)支持，并為三維可視化提供數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)展示終端構建可跨平臺（智能手機、平板電腦、電視、電腦等）多信息介質(zhì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示終端，為安全管理以及應急指揮提供方便而強有力的決策支持。

1.2 系統(tǒng)技術架構

系統(tǒng)技術架構分為采集層、處理層、應用層和對外接口，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)技術架構

2 系統(tǒng)關鍵技術

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things）是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡［3］。“物聯(lián)網(wǎng)”被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。目前，關于物聯(lián)網(wǎng)還沒有一個廣泛認同的體系結構，具有代表性的物聯(lián)網(wǎng)架構一般認為物聯(lián)網(wǎng)可以分為三層：感知層、網(wǎng)絡層、應用層［4-5］。ITU在2005年的互聯(lián)網(wǎng)報告《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》中描述了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的4個關鍵性技術——RFID技術、傳感器網(wǎng)絡技術、智能技術、微縮事物的納米技術［6］。在我國物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)階段關注的技術主要有傳感器、云計算、RFID等領域。物聯(lián)網(wǎng)一般系統(tǒng)架構以及在信息處理與傳遞過程用到的關鍵技術如下頁圖3所示。

感知層作為物聯(lián)網(wǎng)的核心，可進一步分為數(shù)據(jù)感知子層和通信延伸子層。數(shù)據(jù)感知子層主要是通過各種傳感器獲取物理世界的數(shù)據(jù)，并通過通信延伸子層的藍牙、紅外、ZigBee等近距離傳輸技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。網(wǎng)絡層主要依托因特網(wǎng)、電信網(wǎng)、各種專用局域網(wǎng)等來實現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)的傳遞、存儲、共享等。應用層包括應用基礎設施/中間件和各種物聯(lián)網(wǎng)應用。應用基礎設施/中間件為物聯(lián)網(wǎng)應用提供信息處理、計算等通用基礎服務設施、能力及資源調(diào)用接口，以此為基礎實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在眾多領域的各種應用。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)架構與關鍵信息技術

2.1 三維可視化技術

三維可視化技術是利用計算機技術還原現(xiàn)實世界中的物體，并能夠表示三維物體的復雜信息，使其具有實時交互能力的一種可視化技術［7］。三維可視化技術中的關鍵核心技術是三維建模技術。目前三維建模方法很多，但歸納起來主要有：基于幾何建模與繪制（Geometry-Based Modeling and Rendering，GBMR）、三維掃描儀、基于圖像建模與繪制（Image-based Modeling and Rendering，IBMR）［8］。其中基于圖像建模與繪制相對于基于幾何建模與繪制來說，是一個比較新的領域，由于其建模容易、繪制速度快、真實感強、交互性好，IMBR已成為三維建模領域的熱點。IMBR的建模過程主要可分為相機標定（Camera Calibration，CC）、圖像建模（Image-Based Modeling，IBM）、圖像繪制（Image-Based Rendering，IBR）3個階段。相機標定主要是對數(shù)字圖像序列進行特征提取與匹配，進而確定相機的投影矩陣。圖像建模通過投影重構、可見外光、空間雕刻等方法來生成模型的表面。圖像繪制通過視點插播、視圖變換、全光函數(shù)等方法來實時生成逼真的場景與動畫。IBMR的技術流程如圖4所示。

2.2 ZigBee WSN技術

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network）由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點組成，通過無線通信技術形成一個多跳自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，它融合傳感器技術、無線通信技術、計算機技術，具備數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理功能，廣泛應用于軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療、交通運輸?shù)阮I域［9］。ZigBee/IEEE802.15.4作為新的近距離無線通信協(xié)議，由于其具備低功耗、高可靠性、自動組網(wǎng)、安全等特點，為WSN的發(fā)展提供新的契機。

圖4 基于圖像建模與繪制（IBMR）技術流程

根據(jù)802.15.4標準，其工作頻段為868 MHz～868.6 MHz（868 MHz頻段），902 MHz～928 MHz（915MHz頻段），2400MHz～2483.5MHz（2.4 GHz頻段），其數(shù)據(jù)傳輸率分別為20 kb/s，40 kb/s，250 kb/s，傳輸距離為10 m～75 m［10］。868 MHz頻段在歐洲使用，915 MHz頻段與2.4 GHz頻段作為ISM頻段，其中915 MHz頻段在北美使用，2.4 GHz頻段全球使用。與其他現(xiàn)有近距離通信技術相比，ZigBee具有最低成本與功耗，特別是其自組織網(wǎng)和動態(tài)路由通信方式，能夠充分保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸以及網(wǎng)絡自愈和擴展。ZigBee主要采用了三種組網(wǎng)方式：星型網(wǎng)（Star）、網(wǎng)狀型網(wǎng)（Mesh）和簇型（Cluster tree），其中星型和簇型都可以看作是網(wǎng)狀型的特例，ZigBee網(wǎng)型網(wǎng)絡拓撲結構如圖5所示。

圖5 ZigBee網(wǎng)型網(wǎng)絡拓撲結構

2.3 Node.js技術

Node.js是一個為實時Web（Real-time Web）應用開發(fā)而誕生的平臺，它從誕生之初就充分考慮了在實時響應、超大規(guī)模數(shù)據(jù)要求下的架構的可擴展性。這使得它摒棄了傳統(tǒng)平臺依靠多線程來實現(xiàn)高并發(fā)的設計思路，而采用了單線程、異步I/O、事件驅(qū)動式的程序設計模型［11］。Node.js的異步機制是基于事件的，所有的磁盤I/O、網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)庫查詢都以非阻塞的方式請求，返回的結果由事件循環(huán)來處理。其機制如圖6所示。

圖6 Node.js機制示意圖

該機制的優(yōu)點是CPU和內(nèi)存在同一時間集中處理一件事，同時盡可能讓耗時的I/O操作并行執(zhí)行。對于低速連接攻擊，Node.js只是在事件列隊中增加請求，等待操作系統(tǒng)的回應，因而不會有多線程開銷，很大程度上可以提高服務器應用的健壯性，防止惡意攻擊。

隨著雅虎、微軟、LinkedIn以及國內(nèi)的淘寶、阿里巴巴開始大量采用該技術開發(fā)項目，已經(jīng)證明了該技術在處理高并發(fā)，實時性和開發(fā)速度上的卓越優(yōu)勢，同時由于云服務平臺的前端同樣大量使用JavaScript，所以在調(diào)試時服務器系統(tǒng)和前端可以用同一種語言調(diào)試，大大提高了解決問題的速度。

3 系統(tǒng)功能設計與實現(xiàn)

3.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)字網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵設備是視頻服務器和網(wǎng)絡攝像機，采用嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)，前端攝像機采集的影像訊號，經(jīng)過高效壓縮芯片壓縮編碼，透過內(nèi)部總線傳送到網(wǎng)絡上，用戶可以直接在PC計算機上通過瀏覽器觀看視頻、圖片，授權用戶還可以透過計算機網(wǎng)絡控制攝像機鏡頭和云臺，或?qū)ο到y(tǒng)進行配置操作。

3.2 環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)

通過在彈藥庫布置若干個溫度傳感器，數(shù)據(jù)信息通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡以及網(wǎng)關上傳到云端服務器，服務器保存數(shù)據(jù)信息以便分析并且為三維可視化提供數(shù)據(jù)接口。通常規(guī)定彈藥庫最高溫度不超過30℃，最大濕度不超過70%，設定彈藥庫的正常溫度在15℃～26℃，正常濕度45%～65%。

3.3 聯(lián)動報警系統(tǒng)

聯(lián)動報警系統(tǒng)以三維可視化平臺與視頻監(jiān)控系統(tǒng)為基礎。當彈藥庫房內(nèi)的等離子煙霧傳感器、溫度傳感器檢測、濕度傳感器、有毒氣體傳感器檢測監(jiān)測到異常，環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)濕度、溫度，同時觸發(fā)環(huán)境信息異常警報，視頻攝像頭根據(jù)傳感器的IP追蹤相關區(qū)域狀況，三維可視化平臺將相關信息及時通知管理人員，從而實現(xiàn)環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控以及三維可視化平臺的聯(lián)動。

4 結束語

彈藥庫監(jiān)測系統(tǒng)是彈藥庫的重要組成部分。基于物聯(lián)網(wǎng)與三維可視化技術的彈藥庫實時監(jiān)測系統(tǒng)以三維場景為主要展示形式，利用物聯(lián)網(wǎng)技術與三維可視化技術實現(xiàn)報警以及三維可視化，完成彈藥庫安全監(jiān)測系統(tǒng)的集成，提升了彈藥庫信息化水平，為彈藥庫安全、自動化管理系統(tǒng)提供了案例與實踐經(jīng)驗。當然，彈藥庫安全實時監(jiān)測系統(tǒng)不斷完善與改進將是一個長期的過程，還需要不斷地探索和研究，從數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、遠程控制、三維可視化等方面開展研究，發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)、三維可視化等新興技術與系統(tǒng)的高效無縫結合，引領彈藥庫不斷加快實時監(jiān)測系統(tǒng)信息化、實時化、智能化、可視化建設步伐。

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［11］BYVoid.Node.js開發(fā)指南［M］.北京：人民郵電出版社，2012:4-7.

Research of Ammunition Depot Real-time Monitoring System Based on IoT and 3D Visualization Technology

ZOU Xiang-yang1，ZOU He-hui2，LIU Rong1
（1.Air Force Airborne Academy，Guilin 541003，China；2.Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

In order to meet the application demand for informatization，intellectualization，real-time and visualization of the ammunition depot in troops，the paper proposes a real-time monitoring project based on the Internet of Things and visualization technology.In the project，with the backing of data acquisition，transmission，storage，analysis and display in cloud architecture and full use of ZigBee，a new wireless sensor network，a real-time visual monitoring system，which can be run on multiple platforms，is constructed through synthetic analysis of the actual monitoring requirements and the application characteristics.The paper elaborates the architecture，the function-constructing project and 3D visual platform of the monitoring system and makes an exploratory study of the real-time monitoring.

ammunition depot，internet of things，3D，ZigBee，Node.js

TP393

A

1002-0640（2015）01-0030-04

2013-11-18

2014-02-07

軍隊重點基金資助項目

鄒向陽（1964-），男，湖南新化人，博士，教授。研究方向：電子對抗、物聯(lián)網(wǎng)技術。