基于ODMA網(wǎng)絡(luò)的樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田曉燕，陳 雷，劉志強(qiáng)

(1.河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河北保定071002;2.中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司(第一分公司)，河北保定071000)

樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)是樓宇自動(dòng)化的重要組成部分，主要對(duì)樓宇溫度、濕度、煙感等環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)針對(duì)樓宇出入口、內(nèi)部過道以及一些重要場(chǎng)所人員出入情況進(jìn)行采集，必要情況下進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。目前，在市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)絕大多數(shù)還是采用傳統(tǒng)的有線方式，存在布線復(fù)雜、監(jiān)控范圍受環(huán)境制約大、可擴(kuò)展性小等缺點(diǎn)。無線通信技術(shù)在樓宇監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用以WiFi為主，然而每一個(gè)WiFi熱點(diǎn)都需要通過有線方式接入Internet，使其應(yīng)用受到一定的限制，如室外等特殊場(chǎng)所很難部署、可移動(dòng)性差、覆蓋范圍小等。

ODMA是一種無線自組網(wǎng)技術(shù)，第三代合作伙伴項(xiàng)目(3rd Generation Partnership Project，3GPP)把其定義為一種Ad-hoc多跳中繼協(xié)議。ODMA物理層采用802.11g協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率為0～54 Mbit/s［1-3］。ODMA網(wǎng)絡(luò)是由一組帶有無線收發(fā)裝置的節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)臨時(shí)性多跳自治系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建不需要基站，其組網(wǎng)靈活、多跳通信、智慧選徑、易于擴(kuò)展等特性完全具備在樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了基于ODMA網(wǎng)絡(luò)的樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過搭建合理的ODMA通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，結(jié)合樓內(nèi)現(xiàn)有的Internet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)視頻與溫度、濕度、煙霧、火焰環(huán)境信息的采集與傳輸;利用LabView軟件完成上位機(jī)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、信息的存儲(chǔ)與顯示、本地及遠(yuǎn)程報(bào)警功能;通過利用圖像處理算法，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)入侵智能檢測(cè)，完成重要場(chǎng)所人員出入情況的采集、統(tǒng)計(jì)。

1 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

本系統(tǒng)由上位機(jī)服務(wù)器、本地資源管理系統(tǒng)(Local Resource Management System，LRMS)、ODMA設(shè)備及采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成?？紤]到ODMA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線多跳通信時(shí)，跳數(shù)越多，信號(hào)衰減越大、延時(shí)越大，同時(shí)多樓層通信時(shí)由于樓板的阻礙會(huì)使信號(hào)有較大的衰減，所以不同樓層之間的通信利用現(xiàn)有的Internet完成。系統(tǒng)組網(wǎng)方案如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)方案

ODMA設(shè)備包括A、B和CD三種，硬體均采用華碩RTN56U，區(qū)別在于內(nèi)置軟件算法不同。A代表Access，為接入設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)攝像頭、PC機(jī)、信息采集點(diǎn)或其他終端設(shè)備的接入。該設(shè)備為一種ODMA-WiFi設(shè)備，提供有線接入和WiFi接入兩種方式，終端設(shè)備可以以有線方式和A相連接入ODMA網(wǎng)絡(luò)，也可以利用WiFi以無線方式通過A接入ODMA網(wǎng)絡(luò)。B代表Seed，為中繼設(shè)備，實(shí)現(xiàn)ODMA網(wǎng)絡(luò)接力通信的功能，B同A及其他B之間實(shí)現(xiàn)MAC層的無線通信。CD代表Concentrator和Gateway，為協(xié)議轉(zhuǎn)換和網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，它以有線方式上行至以太網(wǎng)，并下掛多個(gè)B設(shè)備，將B傳輸?shù)腗AC層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議包。B與CD之間的有線帶寬最高可達(dá)千兆，ODMA網(wǎng)絡(luò)容量的擴(kuò)充可通過增加CD下掛的B來實(shí)現(xiàn)。

上位機(jī)服務(wù)器完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析等功能，必要時(shí)進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程報(bào)警。

LRMS為ODMA網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)不同CD之間信息的互通，并對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2．1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于ODMA的樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成:多傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、視頻采集模塊、上位機(jī)和GSM模塊。系統(tǒng)通過多傳感器采集模塊采集室內(nèi)環(huán)境信息(溫度、濕度、火焰和煙霧)，通過攝像頭采集視頻信息，再將采集到的信息通過ODMA網(wǎng)絡(luò)送至上位機(jī)，由LabView監(jiān)控終端接收、存儲(chǔ)和分析，實(shí)現(xiàn)環(huán)境和視頻信息實(shí)時(shí)監(jiān)控。平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)各環(huán)境參數(shù)的臨界點(diǎn)設(shè)置，必要情況下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警，同時(shí)通過GSM模塊向客戶端發(fā)送報(bào)警短信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。

2．2 環(huán)境數(shù)據(jù)采集單元

環(huán)境數(shù)據(jù)采集單元屬于樓宇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端末梢設(shè)備，負(fù)責(zé)完成各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度、濕度、火焰和煙霧的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸［4］。

系統(tǒng)采用W7100A作為控制器，嵌入硬件TCP/IP協(xié)議棧，可以實(shí)現(xiàn)基于 TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP和 IGMP等協(xié)議的以太網(wǎng)通信功能。同時(shí)，W7100A芯片包含一個(gè)單片機(jī)MCU內(nèi)核，該內(nèi)核與8051單片機(jī)兼容。W7100A可以保證遠(yuǎn)程通信的可靠性和穩(wěn)定性，傳輸速率為30 Mbit/s，可廣泛用于各種信息采集，環(huán)境監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域。在本系統(tǒng)中，MCU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的功能，即控制溫度傳感器、濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱蜔熿F傳感器采集數(shù)據(jù)并與TCP/IP內(nèi)核進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;TCP/IP內(nèi)核完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以及與MCU交換數(shù)據(jù)。

溫度傳感器選用DS18B20探頭，單總線連接方式，測(cè)量分辨率可達(dá)2-4℃;濕度傳感器選用DHT11，測(cè)量分辨率為1%RH;煙霧傳感器采用MQ-2，使用數(shù)字開關(guān)量輸出接口DO，煙霧濃度未達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)輸出為高電平，超過閾值時(shí)輸出為低電平;火焰?zhèn)鞲衅鞑捎眠h(yuǎn)紅外火焰探頭，靈敏度可調(diào)，也采用數(shù)字開關(guān)量DO輸出。

環(huán)境信息采集主要分為兩個(gè)等級(jí):溫濕度信息采集時(shí)間間隔5 min;火焰、煙霧監(jiān)測(cè)采集時(shí)間間隔5 s。如果當(dāng)前監(jiān)測(cè)到異常數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)會(huì)將該事件的數(shù)據(jù)、類別、時(shí)間等相關(guān)信息及時(shí)上傳至監(jiān)控中心進(jìn)行報(bào)警。定時(shí)采集的數(shù)據(jù)由當(dāng)前節(jié)點(diǎn)CPU直接保存至EEPROM，監(jiān)控中心可隨時(shí)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)讀取。

環(huán)境信息采集流程如圖3所示。

圖3 環(huán)境信息采集流程圖

2．3 視頻采集單元

鑒于ODMA網(wǎng)絡(luò)有足夠帶寬，因此在視頻方面優(yōu)先采用高清監(jiān)控方案。采用了?？低暪镜腄S-2CD2312(D)-I型高清網(wǎng)絡(luò)半球形攝像機(jī)，該攝像機(jī)為130萬像素日夜型高清網(wǎng)絡(luò)相機(jī)，最高可輸出720p實(shí)時(shí)視頻，同時(shí)配有點(diǎn)陣式紅外燈方便夜間照明。該相機(jī)支持二次開發(fā)，可通過相機(jī)提供的SDK接口函數(shù)，將攝像機(jī)接入本系統(tǒng)。

本系統(tǒng)除了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控功能外，還增加了目標(biāo)入侵智能識(shí)別告警功能，即在樓道、室內(nèi)等重要區(qū)域布防，通過圖像識(shí)別技術(shù)，發(fā)現(xiàn)入侵目標(biāo)后進(jìn)行抓圖，同時(shí)生成圖像索引，放入數(shù)據(jù)庫中存檔，方便事后查閱，同時(shí)完成人員出入情況的統(tǒng)計(jì)。本系統(tǒng)視頻部分流程如圖4所示。

圖4 視頻采集流程圖

其中，高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)輸出的經(jīng)H.264編碼的視頻流通過網(wǎng)絡(luò)送到本地終端，本地終端通過網(wǎng)絡(luò)處理模塊進(jìn)行視頻流接收，同時(shí)調(diào)用SDK接口函數(shù)中的解碼函數(shù)，對(duì)視頻流進(jìn)行解碼，得到Y(jié)V12格式的原始圖像。對(duì)于原始圖像，系統(tǒng)調(diào)用智能圖像分析算法模塊，對(duì)圖像進(jìn)行目標(biāo)入侵分析。本系統(tǒng)采用了混合高斯背景建模(GMM)對(duì)原始圖像進(jìn)行背景建模和前景目標(biāo)檢測(cè)［5-7］;對(duì)檢測(cè)到的目標(biāo)采用了Mean-Shift方法進(jìn)行跟蹤［8-10］，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)侵入布防區(qū)域，即調(diào)用SDK中的抓圖函數(shù)，抓取當(dāng)前幀圖像，存成JPG格式文件，并生成圖像索引，放入數(shù)據(jù)庫中存檔。最后，對(duì)解碼后的YV12格式的原始圖像，轉(zhuǎn)換成RGB格式圖像，并在終端進(jìn)行顯示。系統(tǒng)配置模塊一方面可配置智能圖像分析算法模塊的參數(shù)，另一方面可調(diào)用相關(guān)SDK函數(shù)，來配置前端高清攝像機(jī)的采集參數(shù)。

2．4 基于LabView的環(huán)境監(jiān)測(cè)與智能視頻綜合平臺(tái)

系統(tǒng)上位機(jī)的設(shè)計(jì)基于LabView軟件完成，主要包含8項(xiàng)功能［11］:

1)通信測(cè)試，測(cè)試上位機(jī)及上位機(jī)與下位機(jī)間的通信是否正常;

2)參數(shù)設(shè)置，對(duì)環(huán)境變量的閾值、數(shù)據(jù)庫文件存儲(chǔ)路徑、攝像機(jī)采集參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置;

3)ODMA網(wǎng)絡(luò)配置，完成ODMA網(wǎng)絡(luò)的連接配置，搭建合理的ODMA網(wǎng)絡(luò);

4)環(huán)境監(jiān)測(cè)，對(duì)溫度、濕度、煙霧和火焰信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示;

5)視頻監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)的視頻;

6)入侵檢測(cè)，對(duì)入侵監(jiān)測(cè)圖像文件進(jìn)行查詢、顯示;

7)報(bào)警管理，通過蜂鳴器進(jìn)行本地報(bào)警，并通過GSM模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警，同時(shí)對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行顯示，并對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行反饋;

8)數(shù)據(jù)庫管理，對(duì)采集到的環(huán)境信息、入侵檢測(cè)信息及報(bào)警信息進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢，必要時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、生成報(bào)表等。

3 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)在河北大學(xué)新校區(qū)C2樓一樓過道、一樓ODMA實(shí)驗(yàn)室、一樓現(xiàn)代通信網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)室、二樓資料室、二樓實(shí)驗(yàn)室A、二樓實(shí)驗(yàn)室B進(jìn)行實(shí)際組網(wǎng)測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)性能、可靠性、穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。

通過LRMS內(nèi)嵌的Web服務(wù)器可完成ODMA網(wǎng)絡(luò)配置，并能實(shí)時(shí)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的在線情況，如圖5a、5b所示。多路視頻實(shí)時(shí)預(yù)覽，不丟幀、不跳幀、播放流暢，如圖5c所示。通過環(huán)境監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度、濕度、火災(zāi)、煙霧的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)與視頻的聯(lián)動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)異常報(bào)警時(shí)，彈出視頻監(jiān)控畫面，如圖5d、5e所示。通過越線監(jiān)測(cè)完成人員出入情況的統(tǒng)計(jì)，如圖5f所示。

圖5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果(截圖)

4 總結(jié)

本文將ODMA網(wǎng)絡(luò)與樓宇內(nèi)現(xiàn)有Internet相結(jié)合，搭建了樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，既充分利用了ODMA網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)，又避免了多樓層通信信號(hào)衰減大的問題，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)視頻與溫度、濕度、煙霧、火焰環(huán)境信息的采集與傳輸。利用LabView軟件完成上位機(jī)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、信息的存儲(chǔ)與顯示、本地及遠(yuǎn)程報(bào)警功能。通過利用圖像處理算法，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)入侵智能檢測(cè)，完成重要場(chǎng)所人員出入情況的采集、統(tǒng)計(jì)。

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