物聯(lián)網(wǎng)背景下校園智能安防平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張恒維　于合龍　連文聰　高延輝

摘 ?要： 針對(duì)校園目前存在的安全隱患問(wèn)題，以吉林某大學(xué)為研究對(duì)象，根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況和存在的問(wèn)題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、目標(biāo)跟蹤技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的校園智能安防平臺(tái)。平臺(tái)利用客戶(hù)端/服務(wù)器（Client/Server）模式對(duì)學(xué)校教學(xué)辦公單位、實(shí)驗(yàn)室、人員密集地點(diǎn)、主要街道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄，并將各個(gè)部位監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息通過(guò)校園網(wǎng)絡(luò)、安防專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸至系統(tǒng)服務(wù)器。當(dāng)有可疑人員、車(chē)輛出現(xiàn)或險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，利用MeanShift算法進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)目標(biāo)、動(dòng)態(tài)目標(biāo)的快速跟蹤定位，并會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警裝置，形成聯(lián)動(dòng)報(bào)警機(jī)制，使學(xué)校保衛(wèi)部門(mén)第一時(shí)間得到報(bào)警信息，真正實(shí)現(xiàn)校園安全監(jiān)控、管理、調(diào)度的一體化和智能化。

關(guān)鍵詞： 安防平臺(tái); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 物聯(lián)網(wǎng); 數(shù)據(jù)傳輸; 實(shí)時(shí)監(jiān)控; 跟蹤定位

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915.08?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）24?0174?04

Design and implementation of campus intelligent security platform under

background of Internet of Things

ZHANG Hengwei， YU Helong， LIAN Wencong， GAO Yanhui

（Jilin Agricultural University， Changchun 130118， China）

Abstract： In allusion to the current security risks in the campus， with a university in Jilin province as the research object， a campus intelligent security platform based on the Internet of Things is designed and implemented according to the actual situation and existing problems of the school and by combining with the Internet of Things technology， RFID technology， video surveillance technology， image recognition technology and target tracking technology. The platform is used to monitor and record the teaching offices， laboratories， densely populated locations and main streets in the school in real time by means of the Client/Server mode， and the data information monitored by each part is transmitted to the system server through the campus network and special security network. When suspicious people and vehicles appear or dangerous situations occur， the MeanShift algorithm is used for the target tracking， which can achieve fast tracking and positioning of static targets and dynamic targets， and the system alarm device is triggered to form a linkage alarm mechanism， which can make the school security department get the alarm information in the first time. It can realize the integration and intelligence of campus security monitoring， management and scheduling.

Keywords： security platform; system design; Internet of Things; data transmission; real?time monitoring; tracking and positioning

安防系統(tǒng)是平安校園建設(shè)的重要技術(shù)保障和支撐，對(duì)維護(hù)校園安全穩(wěn)定、預(yù)防安全事故、提升安保效率等具有重要意義[1]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，高校不斷加大對(duì)信息化布局、視頻監(jiān)控部署、云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等一系列安防設(shè)施的投入，使智慧校園建設(shè)初見(jiàn)成效，但仍存在不能對(duì)校園內(nèi)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行量體裁衣，以及目標(biāo)追蹤有安全漏洞等問(wèn)題。本文以解決高?，F(xiàn)有的實(shí)際問(wèn)題為目標(biāo)，利用MeanShift目標(biāo)跟蹤、視頻識(shí)別等先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的校園智能安防平臺(tái)。該系統(tǒng)全方位展現(xiàn)出高校內(nèi)智能安防情況，同時(shí)利用MeanShift算法進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，解決門(mén)禁管理中存在的安全漏洞問(wèn)題，很大程度上提高了校園安防系統(tǒng)的管理效率。

1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

1.1 ?系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

智能安防平臺(tái)的主要目標(biāo)是完成大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理、反饋，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)校園存在安全風(fēng)險(xiǎn)隱患的重點(diǎn)部位，采用聯(lián)動(dòng)觸發(fā)機(jī)制完成對(duì)發(fā)生的險(xiǎn)情進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警功能。校園智能安防平臺(tái)采用客戶(hù)端/服務(wù)器（Client/Server）模式，利用校園安防專(zhuān)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，確保了校園安防平臺(tái)數(shù)據(jù)的安全性與實(shí)時(shí)性。本文按照物聯(lián)網(wǎng)層級(jí)結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)整體構(gòu)架[2?3]分為采集層、傳輸層、處理層、應(yīng)用層等4層，整體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 ?數(shù)據(jù)采集層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集層的主要功能是為數(shù)據(jù)庫(kù)提供外部數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)校園智能安防平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與聯(lián)動(dòng)報(bào)警功能，在數(shù)據(jù)采集層中需要通過(guò)外部感知設(shè)備對(duì)環(huán)境及觸發(fā)報(bào)警信息進(jìn)行采集，其中，包括視頻監(jiān)控探頭、室內(nèi)紅外報(bào)警傳感器、交通測(cè)速傳感器、火災(zāi)煙霧傳感器等，通過(guò)聯(lián)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)的可視化聯(lián)動(dòng)報(bào)警功能。采集層[4]主要分為傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、聯(lián)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和主控模塊設(shè)計(jì)。中控模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.3 ?數(shù)據(jù)傳輸層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)傳輸層的主要功能是為用戶(hù)和系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)及接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)任意傳感設(shè)備通過(guò)聯(lián)動(dòng)控制裝置與監(jiān)控設(shè)備連接[5]。當(dāng)外部傳感設(shè)備接收到火災(zāi)、超速、非法入侵等信息后，控制器將立即啟動(dòng)與其聯(lián)動(dòng)綁定的監(jiān)控設(shè)備，將信息反饋到數(shù)據(jù)中心報(bào)告管理員，同時(shí)發(fā)出對(duì)監(jiān)控設(shè)備強(qiáng)制拍攝的命令，確保事故現(xiàn)場(chǎng)的信息及時(shí)傳回指揮中心。

1.4 ?數(shù)據(jù)處理層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理層是系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)處理的重要部分，各級(jí)權(quán)限管理員的登錄信息、操作信息、感知設(shè)備數(shù)據(jù)信息，以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)維護(hù)都是在該層完成[6]。其主要任務(wù)是完成對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)回傳數(shù)據(jù)的分析與處理功能，如煙霧傳感器、車(chē)輛測(cè)速傳感器及紅外線(xiàn)報(bào)警等與視頻監(jiān)控聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各類(lèi)功能子系統(tǒng)，它們定時(shí)將設(shè)備狀態(tài)信息傳送至服務(wù)器進(jìn)行處理，將超出閾值的數(shù)據(jù)反饋給終端，形成預(yù)警。

1.5 ?數(shù)據(jù)應(yīng)用層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)應(yīng)用層的主要功能是為用戶(hù)提供便捷友好的交互界面，其包括后臺(tái)客戶(hù)端和前臺(tái)客戶(hù)端。后臺(tái)客戶(hù)端功能是根據(jù)職能設(shè)定角色權(quán)限，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的分級(jí)操作。前臺(tái)客戶(hù)端以PC端的方式進(jìn)行系統(tǒng)展示，用戶(hù)可根據(jù)自身需求調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)信息，同時(shí)對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行巡查，對(duì)出現(xiàn)異常的設(shè)備形成巡查報(bào)告發(fā)送至客戶(hù)端。

2 ?關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ?目標(biāo)選取與檢測(cè)

在校園內(nèi)主要場(chǎng)所安裝監(jiān)控設(shè)備，對(duì)校園內(nèi)各重要地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并選取特定目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，利用MeanShift跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤，及時(shí)消除各類(lèi)不安全因素。若發(fā)生事故，可以第一時(shí)間將現(xiàn)場(chǎng)信息反饋到110指揮中心，確保校園保衛(wèi)部門(mén)及時(shí)處理。

2.2 ?目標(biāo)跟蹤技術(shù)

2.2.1 ?基于MeanShift目標(biāo)跟蹤算法的基本原理

MeanShift算法[7?8]是一種迭代的算法，其跟蹤原理如圖3所示。圖中，空心圓點(diǎn)為中心點(diǎn);遍布的黑色實(shí)心圓點(diǎn)代表在移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的窗口樣本點(diǎn);虛線(xiàn)圓圈代表密度估計(jì)窗口的大體范圍;有向箭頭表示樣本點(diǎn)相對(duì)于核函數(shù)中心點(diǎn)的漂移向量。其基本原理為先算出當(dāng)前點(diǎn)的偏移均值，移動(dòng)該點(diǎn)到其相應(yīng)的偏移均值，然后再以此為新的起始點(diǎn)，繼續(xù)移動(dòng)，直到得到滿(mǎn)足需要的條件后方可結(jié)束。

2.2.2 ?MeanShift算法的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

在校園智能安防平臺(tái)中，需要對(duì)進(jìn)入校園的車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤及檢測(cè)，車(chē)輛在經(jīng)過(guò)門(mén)禁檢測(cè)系統(tǒng)之后，車(chē)輛照片及車(chē)牌號(hào)就會(huì)錄入系統(tǒng)，然后利用MeanShift算法進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)輛在校園內(nèi)的位置，同時(shí)根據(jù)道路檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)錄入系統(tǒng)中的車(chē)輛進(jìn)行道路檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)異常，會(huì)迅速定位可疑車(chē)輛，及時(shí)傳送到110報(bào)警中心。利用MeanShift算法進(jìn)行目標(biāo)跟蹤的基本流程[9]如圖4所示。

為驗(yàn)證MeanShift算法在校園智能安防平臺(tái)系統(tǒng)中的目標(biāo)跟蹤情況，本文采取校園內(nèi)的車(chē)輛場(chǎng)景作為實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，采用開(kāi)發(fā)平臺(tái)Visio C++ 2010實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)和圖像處理在Matlab中完成，實(shí)現(xiàn)過(guò)程是將視頻改為圖片序列，當(dāng)視頻在第1幀時(shí)停止，手工標(biāo)定目標(biāo)，雙擊目標(biāo)區(qū)域，然后進(jìn)行單目標(biāo)跟蹤。如圖5所示，即為實(shí)驗(yàn)中的MeanShift目標(biāo)跟蹤結(jié)果圖。圖底標(biāo)注的數(shù)字為每幅圖像所對(duì)應(yīng)的幀數(shù)，算法從第1幀開(kāi)始手動(dòng)選取目標(biāo)，然后選擇第50幀、100幀、150幀、200幀的實(shí)驗(yàn)圖進(jìn)行分析[10]。圖片截取來(lái)源于校園監(jiān)控視頻，當(dāng)目標(biāo)車(chē)輛進(jìn)入校園內(nèi)部時(shí)，就會(huì)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。從圖中可以清晰地看到目標(biāo)移動(dòng)的范圍及軌跡，從而達(dá)到對(duì)目標(biāo)進(jìn)行順利跟蹤。

2.3 ?數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)

由于校園視頻監(jiān)控和技防傳感設(shè)備的廠(chǎng)商、批次型號(hào)存在不同，且要實(shí)現(xiàn)對(duì)不同設(shè)備的兼容，系統(tǒng)采用分布式管理方式，將傳感器數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳入數(shù)據(jù)庫(kù)，其包括信息存儲(chǔ)模塊、消防聯(lián)動(dòng)報(bào)警模塊、道路交通測(cè)速報(bào)警模塊、門(mén)禁聯(lián)動(dòng)報(bào)警模塊以及110指揮中心模塊。在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)會(huì)根據(jù)事件類(lèi)型判斷參數(shù)是否超出閾值范圍，若超出，數(shù)據(jù)將變?yōu)榧t色記錄下來(lái)并發(fā)出報(bào)警信息。數(shù)據(jù)庫(kù)E?R圖如圖6所示。

3 ?系統(tǒng)展示

3.1 ?PC端的實(shí)現(xiàn)

本文系統(tǒng)包括綜合管理平臺(tái)、消防聯(lián)動(dòng)管理模塊、門(mén)禁監(jiān)控管理模塊及道路檢測(cè)管理模塊四部分。其中，綜合管理平臺(tái)完成系統(tǒng)整體設(shè)置、監(jiān)控及調(diào)度;消防聯(lián)動(dòng)管理模塊完成火災(zāi)信息實(shí)時(shí)跟蹤及對(duì)消防設(shè)備的管理;門(mén)禁監(jiān)控管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)校園內(nèi)重點(diǎn)部位及場(chǎng)所可疑人員的預(yù)警;道路檢測(cè)管理模塊完成校園車(chē)輛信息錄入及違章報(bào)警功能。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果如圖7所示。

3.2 ?系統(tǒng)應(yīng)用成果展示

本文系統(tǒng)在吉林某高校于2017年5月主體工程均完成。在試用過(guò)程中，系統(tǒng)在打擊破案、秩序整治、交通管理及各類(lèi)沖突預(yù)警處理等方面都起到重要作用。通過(guò)2014年—2019年8月的校園安全類(lèi)事件及破案率的統(tǒng)計(jì)對(duì)比，充分證實(shí)該文系統(tǒng)對(duì)校園安全事件具備預(yù)警功能，為案件的偵破提供證據(jù)保障。其具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

針對(duì)校園內(nèi)治安類(lèi)案件及交通類(lèi)案件，在系統(tǒng)上線(xiàn)運(yùn)行階段，根據(jù)數(shù)據(jù)形成發(fā)案數(shù)與破案率統(tǒng)計(jì)圖見(jiàn)圖8。

4 ?結(jié) ?論

本文系統(tǒng)以吉林某校園存在的實(shí)際安全隱患問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，利用MeanShift算法進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)校園內(nèi)可疑人員及車(chē)輛，解決了目前高校門(mén)禁管理系統(tǒng)中普遍存在的目標(biāo)丟失的安全漏洞。在系統(tǒng)試運(yùn)行階段，通過(guò)測(cè)試可知系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)事故聯(lián)動(dòng)報(bào)警功能，確定事故發(fā)生地點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)信息狀態(tài)，進(jìn)一步提高了學(xué)校安保工作的工作效率，同時(shí)也對(duì)校園違法行為起到了極大的威懾作用，大幅度提升了校園師生的安全感。

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作者簡(jiǎn)介：張恒維（1990—），男，遼寧沈陽(yáng)人，碩士，初級(jí)研究員，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)與云計(jì)算、校園安全管理。

于合龍（1975—），男，吉林德惠人，博士后，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算。