基于ZigBee的校園安全監控系統設計

摘要：本文設計了一種基于ZigBee技術的校園監控系統，將ZigBee監控網絡提供的目標位置信息與監控攝像機群結合，實時監控校園的安全。監控系統利用ZigBee節點進行定位與信息通信，當圖像識別超出安全閾值，全部可拍攝范圍內的節點攝像頭自動對鎖定目標跟蹤監控，同時，系統自動發送報警電話及郵件至學校保衛處和范圍內的人群，郵件內容含有危險人群及物品的位置信息和現場監控的實時畫面。仿真實驗表明，監控目標跟蹤定位誤差在3m之內時，跟蹤目標可出現在攝像機監控顯示內，且清晰可識別。

引言

　　近年來，全國多地發生了校園安全事故。如何加強校園安全監控，使師生在校園內安全教學與學習，是人們十分關心的問題[1]。目前，校園內攝像機只能對固定區域進行監控以及無法物象識別，還要人工實時跟蹤，智能化程度低^[2]。而將采用嵌入物象識別模塊的攝像頭鎖定目標技術與ZigBee網絡相融合具有實時性和監控精度高的特點，因而本文設計了將ZigBee監控網絡與物象識別模塊以及紅外傳感相結合，實時地識別目標人物、追蹤位置及行動路線，滿足了校園內人物識別與定位的要求，在商業應用上也有很大的擴展空間。

　　ZigBee監控網絡可建設成以打擊、預防違法犯罪為目的的系統，在學院和宿舍等出入口、重要教學等地點設立視頻監控點，將監控圖像實時無線通信到校保衛處監控中心和其它相關部門，通過對圖像的識別、記錄等方式，使各級機關及相關職能部門直觀地了解和掌握監控區域的治安動態。

1 系統總體設計

　　ZigBee監控網絡系統由紅外線傳感器、攝像機群(包括重點CCD)、GPRS無線路由器節點、信號調理器節點和保衛處監控中心組成，系統總體層次如圖1所示。

　　系統工作過程如下：

　　1)紅外線傳感器和攝像機接聯的訪問節點與GPRS無線路由器進行通信，將接收到的信息經過信號放大模塊(Signal amplifying module，SAM)通過GPRS無線路由器傳輸給信號調理器。若攝像機內的物象識別模塊識別出危險物象則直接與上位機無線通信;

　　2)信號調理器接收到通信信號，將視頻、音頻等信號進行排序、封裝、壓縮后，傳給監控中心，并等待上位機命令;

　　3)中央處理系統對各個傳輸信號數據進行對比，當分析比對拍攝到的人物畫面超出安全閾值，中央處理系統將對相應的顯示屏幕進行報警，并將報警信號發送給保衛人員以及事故周圍人群，同時，中央處理系統將自動記錄此時間與攝像位置信息，然后經此信息保存到后臺數據庫;

　　4)監控系統命令中心通信控制命令，使距離事發地最短的攝像機群對鎖定目標跟蹤監控，系統將通信視頻截取畫面保存;

　　5)當校園內全部攝像機拍攝不到系統鎖定的目標時，系統自動發送最后時間目標監控的地點和當時視頻截圖的信息到保衛人員和校園全部人群，同時，監控中心的工作人員可以根據各攝像視頻判斷鎖定的目標可能出現的地點而采取相應的處理辦法。

　　實驗的校園占地面積大、建筑物較多且又處于山坡，所需視頻監控點數量多，因而，系統采用功耗低且網絡信號傳輸快捷方便的樹形結構網絡組織。

2 系統硬件及通信設計

2.1 系統硬件框圖如圖2所示

　　(1)子終端無線訪問點

　　無線訪問點功能是將攝像機群和紅外線傳感器傳輸的數據信息打包壓縮傳送給無線路由器和接收上位機指令，其內部核心器件是CC2530-F64。CC2530是專門針對IEEE 802.15.4和ZigBee應用的單芯片解決方案，經濟且低功耗。在接收、發射和多種低功耗的模式下具有極低的電流消耗，能保證較長的電池使用時間。

　　可移動節點用的是CC2431芯片，CC2431具有定位引擎硬件核心。其外觀和功能與CC2530一樣。

　　(2)GPRS無線網絡路由器

　　本設計采用東方訊 GPRS/CDMA 無線路由器，具有地址轉換(NAT)以及其它的網絡服務功能?？梢詫⒆咏K端發送的ZigBee信號轉換成GPRS并傳遞給信號調理器。

　　GPRS/CDMA有數據通信穩定、傳輸速度快和數據量大的優點。萬州區測試 CDMA下行速度為 100kbit/s 左右, 上行速度為80kbit/s 左右。

　　(3)信號調理器

　　信號調理器由CC2530、C8051F040、NANDFLASH、DS12887、1602和GSM模塊組成。C8051F040的串口0與CC2530相連，用于接收CC2530發送的通信數據和地址信息;串口1與GSM模塊相連，用于發送地址信息到對應的子終端訪問點上。NAND FLASH用于信號源和讀出設備之間的信號調理。DS12887高精度時鐘芯片用于顯示時間和日期，同時對各個子終端節點的時間進行校準。當時間為00時00分00秒時，C8051F040會發送校準命令給CC2530，由CC2530通過ZigBee發送給各個子終端節點，從而實現校準各個子終端節點的時間為00時00分00秒。C8051F040采用Keil C51編程，可接收上位機向子終端訪問點發出跟蹤定位指令^[3]。

　　(4)紅外線傳感器

　　紅外線傳感器配置給校園圍墻和重點建筑物的攝像機，一旦探測到生命體活動信號，將信號反饋給攝像機，促使攝像機物象識別和跟蹤拍攝。

　　紅外線傳感器包括光學系統、檢測元件和轉換電路。在接收到人體紅外輻射溫度發生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，放電后續電路經檢驗處理后即可產生報警信號。

　　(5)攝像機

　　本設計采用TBF寬動態圖像可識別攝像機，對強光進行擬制，背光進行補償，彩色480線/黑白570線，日夜自動轉換。

3 人物圖像識別技術

3.1 物象識別硬件選型

　　攝像機內嵌入東芝Visconti圖像識別芯片，Visconti 3處理器采用兩個Cortex-A9核心，總共6個浮點運算單元。Visconti 3芯片內包含64GB屏蔽式堆讀內存Mask ROM，2MB SRAM，芯片支持一個單通道PCI Express接口。Visconti芯片的主要功能包括檢測行車道、車輛以及通過面部、動作識別檢測行人。

3.2 物象識別理論實現

　　內嵌入東芝Visconti圖像識別芯片的攝像機融合了非參數方法、立方體分析方法以及參數化時間序列分析方法。非參數方法通常從視頻的每一幀中提取某些特征，然后用這些特征與預先存儲的模板(template)進行匹配;立方體分析方法不是基于幀的處理，而是將整段視頻數據看作是一個三維的時空立方體進行分析;而參數化時間序列分析方法對運動的動態過程給出一個特定的模型，并通過對訓練樣本數據的學習獲得每一類動作特定的模型參數^[4]。

4 系統軟件構成

　　(1)ZigBee監控網絡軟件工作流程

　　訪問節點加入ZigBee網絡后，學校圍墻訪問節點通過RSSI測距、校園內的訪問節點通過質心定位算法(CLA)將位置坐標無線傳輸給信號調理器。訪問節點工作后進行初始化，然后搜尋可加入的ZigBee網絡。節點成功加入網絡后將進行無線通信循環巡查，若出現監控盲區，可將移動訪問點進行相關處理。重復區域監控等訪問點將進入休眠待命狀態。無線訪問節點軟件運作流程如圖3所示。

　　信號調理器負責建立、管理和傳輸網絡，在組建無線網絡中起到關鍵作用。監控系統命令中心通過信號調理器將對應的配置數據分別發送給可移動節點和無線訪問點，且可移動節點和無線訪問點也可以通過信號調理器將獲取到的信息反饋給監控系統命令中心。

　　(2)上位機監控系統

　　監控中心上位機監控系統采用c++軟件語言匯編和oracle數據庫儲存數據，以及運行工作平臺：中文Windows7及更高版本;網絡系統軟件包：中文JC2000?網絡版本。中心監控系統能夠實現前端節點攝像機和視頻編碼器(DVS)的統一接入和管理，提供豐富的管理和業務功能，無線監控軟件結構如圖4所示^[5]。

　　(3)郵件報警裝置設計

　　上位機運行工作平臺上安裝SMTP郵件群發v4.0軟件，當上位機指令發送報警郵件時，SMTP郵件群發v4.0軟件會通過ZigBee網絡節點將報警郵件發送到關聯人群手機的QQ、微信等社交APP上。

5 仿真與實驗驗證

　　實驗數據在重慶三峽學院校園實地測量，校園內部人員正?；顒?。由于校園占地面積較大，ZigBee監控網絡節點布置方案采用動態局部集中式。移動訪問點每2秒進行定位計算，節點對安全人物及動作進行圖像識別以及目標跟蹤監控，超過安全物象識別閾值時系統記錄危險區域節點的位置信息并發送報警信息。物象識別閾值是人員的活動動作安全范圍，物象識別仿真結果如圖5所示。

　　定位誤差表示實際目標運動路徑與監控測量位置的坐標距離，目標跟蹤實際位置與測量位置的行動路徑。

　　仿真實驗結果表明：當移動攝像機在參考節點群的內部時，定位精度較好且監控識別準確。反之，則可能出現一定的偏差，當監控跟蹤定位誤差在3米之內時，跟蹤目標將出現在攝像機監控顯示內，且清晰可識別。

6 結束語

　　本文將無線傳感器網絡技術應用于校園監控系統中，可以有效監控以及報警校園內人員活動，可對跟蹤目標實時監控與定位，防患于未然，在商業上智能區域監控應用中也有實際意義。與其他設計產品對比，這種將無線傳感器網絡與攝像機監控物象識別及紅外傳感相結合的新型監控系統合理地利用了學?，F有的監控資源，其結構簡單，定位準確及時，具有實時監控報警的功能，且運行和維護費用低，社會應用前景廣闊，具有很大的市場優勢。

參考文獻：

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　　[4]任思璟,董金波.模糊邊緣檢測在機器視覺圖像系統仿真研究[J]. 計算機仿真. 2011(6)：280-284

　　[5]阮逸潤,譚真.基于Zig Bee的可信監控系統設計[J]. 傳感器與微系統.2014(8)：113-115

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第7期第58頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。