基于Zig Bee的可信監控系統設計*

阮逸潤， 譚 真， 胡艷麗， 唐九陽， 葛 斌

(國防科學技術大學 信息系統工程重點實驗室，湖南 長沙 410073)

基于Zig Bee的可信監控系統設計*

阮逸潤， 譚 真， 胡艷麗， 唐九陽， 葛 斌

(國防科學技術大學 信息系統工程重點實驗室，湖南 長沙 410073)

設計并實現了一種基于Zig Bee技術的可信商城監控系統，將Zig Bee監控網絡提供的目標位置信息與可360°水平旋轉攝像機結合，幫助監護人到商城購物時對身邊的孩子進行安全管理。監控系統利用Zig Bee網絡對移動節點對進行定位，當節點對間距離超過安全值，攝像頭自動對攜帶移動節點的孩子進行跟蹤，同時系統自動發送報警郵件至監護人手機，郵件內容包括孩子的位置信息和一張現場監控畫面的照片。實驗表明:系統定位精度較高，實時性好，可起到良好的預警效果。

Zig Bee技術； 360°水平旋轉攝像機； 商城視頻監控

0 引 言

近年來，媒體報導多起兒童隨家長在商城購物時意外走失的案例，因此,如何加強商城安全監控、實現商城管理智能化，有效轉移家長在孩子身上的注意力，使其從壓力中解放出來促進消費成為企業主十分關心的問題。目前用于商城監控的攝像機大都只能對固定區域內的場景進行監控，若要擴大監控范圍或者對某一具體目標進行針對性監控，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[1～4]，雖然不需依賴其他硬件識別目標，成本較低，但目標識別過程涉及大量的數據處理，自動定位過程延遲明顯，無法滿足實際應用的需求。

Zig Bee網絡具有實時性好與監測精度高的特點，因此，本文提出一種將Zig Bee監控網絡與可360°水平旋轉的攝像機相結合的監控方案，有效地解決了定位系統對實時性的要求，十分符合商城監測的需求，在商業應用上有很大的擴展空間。

1 系統總體設計

監控系統主要包括Zig Bee監測網絡、監控服務中心和攝像機群，Zig Bee監測網絡由終端節點、路由器節點和協調器節點組成，系統總體結構如圖1所示。系統運行過程如下：

2)協調器節點將數據打包封裝后上傳給PC監控中心，并等待上位機命令；

3)中心處理程序計算節點對間距離，當其超過約定值，系統自動記錄該時刻系統時間與節點對位置信息，并將信息保存到后臺數據庫中；

4)服務中心發送控制命令，驅動離孩子位置最近的攝像機對其進行跟蹤取景，系統將截取到的快照進行保存；

5)當節點對失去聯系超過安全時間，系統自動發送包含其位置信息和現場截圖的郵件至監護人手機進行報警，同時監控中心管理員可根據攝像頭傳來的視頻畫面判斷孩子是否存在走失風險而采取相應處置措施。

商城經營面積廣，所需布控節點數量較大，因此,系統采用功耗低且網絡管理簡單的樹形結構組織網絡。

圖1 系統總體結構圖Fig 1 Overall structure diagram of system

2 系統硬件設計

2.1 參考節點、路由器節點與協調器節點

2.1.1 硬件選型與設計

參考節點、路由器節點和協調器節點三者的硬件設計相同，區別在于軟件設計不同，都是由傳感器模塊、信號調理模塊、CC2430芯片、數據采集模塊、功率放大模塊及天線模塊組成，硬件結構如圖2。參考節點與協調器位置固定且長時間處于工作狀態，所以，考慮采用可充電鋰電池與普通堿性電池可動態切換的供電方式替代單一的干電池供電。動態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。協調器電源模塊設計圖如圖3。

圖2 CC2430節點硬件結構Fig 2 Hardware architecture of CC2430 node

圖3 協調器電源模塊設計Fig 3 Design of coordinator power module

2.1.2 節點軟件流程

參考節點包括節點接入網絡、將獲取的RSSI值和位置坐標無線傳輸給協調器。節點上電后，先進行初始化，然后尋找是否有可加入的網絡。成功加入網絡以后，節點對無線信號進行偵聽，進入事件循環，一旦監測到盲節點的無線信號則對其進行相應處理，其他情況下則進入休眠模式。參考節點軟件流程如圖4所示。

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

協調器節點主要負責建立、管理、維護網絡，在網絡中起到承上啟下的作用。上位機監控軟件通過協調器將相應的配置數據分別發送給移動節點和參考節點，同時移動節點和參考節點也通過協調器節點將獲取的相關信息反饋給上位機。協調器軟件流程如圖5所示。

圖5 協調器節點軟件流程圖Fig 5 Software flow chart of coordinator node

2.2 移動節點

移動節點選用CC2431芯片，CC2431與CC2430的最大區別在于，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的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，使其適合應用于要求電池壽命非常長的場景。

2.3 攝像頭模塊

為實現對移動目標進行跟蹤監控，系統采用海康威視公司生產的DS—2CD753F—E攝像機，DS—2CD753F—E采用1/3 in逐行掃描CMOS傳感器和先進的H.264處理技術，像素為200萬，在低帶寬網絡環境下可流暢傳輸高質量的高清H.264視頻圖像，圖像最高分辨率可達1 600×1 200。

攝像機跟蹤監控目標的過程如下：設備初始化后，數據轉換程序從數據庫中實時獲取傳感器最新的二維平面坐標，并將數據進行轉換得到攝像頭可識別的三維坐標后將其發送給離移動目標最近的攝像頭，攝像頭獲取坐標后，調節焦距和角度對目標進行監控。

3 系統部署與郵件報警設計

3.1 監控系統部署

定位系統采用RSSI定位算法，參考節點和移動節點的相互通信確定RSSI值的大小，單位面積內通過一定方式部署的參考節點越多，定位誤差越小。系統采用的攝像機具有360°水平旋轉監控能力。實際應用中節點和攝像頭的部署既要使得系統定位達到一定精度，實現零死角監控，也需要考慮成本的節約。經過實驗，最終確定了在4種常見的商城局部結構中節點與攝像機的部署方案，示意圖如圖6所示。部署方案總體原則如下：

1)每個路口優先安裝一個攝像頭；

2)在視野相對開闊區域，盡量將攝像頭布控于區域中心；

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

4)如果商區中貨柜、商品等陳列物密度較大，應適當增加參考節點數量。

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

3.2 郵件報警模塊設計

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

本文利用C#中System.Web.Mail命名空間中的類庫實現郵件發送功能。C#發送郵件需要SMTP(simple mail transfer protocol),即簡單郵件傳輸協議服務的支持，因此,需要先設置SMTP服務。發件人郵箱地址與密碼驗證后，程序選擇對應的收件人郵箱，通過Attachment類添加現場截圖到郵件中，最后將郵件發送到家長手機上，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 系統軟件設計

上位機監控系統采用C#語言編程和SQL Server 數據庫存儲數據，中心監控系統主要任務有系統參數配置、設備調試、數據接收、數據解析處理、數據存儲和超限報警等。設備上電初始化后，監控系統通過時間校正程序消除系統時間與當地時間偏差后開始工作，系統可實現節點自動監測和商城內部經營情況常規監測兩種模式的動態切換。遠程監控軟件結構如圖8所示。

圖8 遠程監控軟件結構圖Fig 8 Structure diagram of remote monitoring software

5 實驗測試與分析

為真實模擬商城內部環境，系統測試場所選擇環境最為接近商城內部結構的校園內超市。超市長26 m，寬16 m，Zig Bee監控網絡、攝像機群部署方案以及平面坐標系建立如圖9。實驗測試時，超市正常營業，其內除攜帶CC2431

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

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

表1 部分實驗結果圖Tab 1 Partial experimental results

實驗結果表明：當移動節點在參考節點群的內部時，定位精度較好；反之，則可能產生一定的偏差(如序號7#)，當定位誤差在3 m以內時，被保護人將出現在攝像機監控畫面內，可清晰識別。

6 結束語

本文將無線傳感網絡技術應用在商城智能監控系統中,可以有效實現防止孩童在商城內走丟、脫離父母視線的功能，可對目標實時定位做出判斷，防止事故發生，在商業化智能商區監控應用中具有一定的實際意義。與同類產品相比，這種將無線傳感網絡與360°水平旋轉攝像機相結合的新型監控系統合理利用了商城現有的監控資源，其結構簡單，對定位精度要求相對較低，具有實時事件監控報警和處置功能，系統運行和維護費用較低，社會應用前景良好。

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

[2] 郭永濤，宋煥生，賀昱曜.視頻交通監控系統中背景提取算法[J].電視技術，2006(5)：91-93.

[3] 印 勇，王亞飛.基于空間領域相關性的運動目標檢測方法[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

?點與周圍的參考節點進行通信，將接收到的接收信號強度指示(

signal strength indication，RSSI)值換算成對應的距離后確定自身位置信息，并將其通過射頻模塊經路由器發送至協調器節點；

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0113—03

2014—01—09

國家自然科學基金資助項目(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，主要研究領域為傳感技術、信息路徑傳播。