基于Zig Bee的可信监控系统设计*

阮逸润， 谭 真， 胡艳丽， 唐九阳， 葛 斌

(国防科学技术大学 信息系统工程重点实验室，湖南 长沙 410073)

基于Zig Bee的可信监控系统设计*

阮逸润， 谭 真， 胡艳丽， 唐九阳， 葛 斌

(国防科学技术大学 信息系统工程重点实验室，湖南 长沙 410073)

设计并实现了一种基于Zig Bee技术的可信商城监控系统，将Zig Bee监控网络提供的目标位置信息与可360°水平旋转摄像机结合，帮助监护人到商城购物时对身边的孩子进行安全管理。监控系统利用Zig Bee网络对移动节点对进行定位，当节点对间距离超过安全值，摄像头自动对携带移动节点的孩子进行跟踪，同时系统自动发送报警邮件至监护人手机，邮件内容包括孩子的位置信息和一张现场监控画面的照片。实验表明:系统定位精度较高，实时性好，可起到良好的预警效果。

Zig Bee技术； 360°水平旋转摄像机； 商城视频监控

0 引 言

近年来，媒体报导多起儿童随家长在商城购物时意外走失的案例，因此,如何加强商城安全监控、实现商城管理智能化，有效转移家长在孩子身上的注意力，使其从压力中解放出来促进消费成为企业主十分关心的问题。目前用于商城监控的摄像机大都只能对固定区域内的场景进行监控，若要扩大监控范围或者对某一具体目标进行针对性监控，则需要通过人工操作，智能化程度低。而采用基于图像处理原理的摄像头跟踪识别技术[1～4]，虽然不需依赖其他硬件识别目标，成本较低，但目标识别过程涉及大量的数据处理，自动定位过程延迟明显，无法满足实际应用的需求。

Zig Bee网络具有实时性好与监测精度高的特点，因此，本文提出一种将Zig Bee监控网络与可360°水平旋转的摄像机相结合的监控方案，有效地解决了定位系统对实时性的要求，十分符合商城监测的需求，在商业应用上有很大的扩展空间。

1 系统总体设计

监控系统主要包括Zig Bee监测网络、监控服务中心和摄像机群，Zig Bee监测网络由终端节点、路由器节点和协调器节点组成，系统总体结构如图1所示。系统运行过程如下：

2)协调器节点将数据打包封装后上传给PC监控中心，并等待上位机命令；

3)中心处理程序计算节点对间距离，当其超过约定值，系统自动记录该时刻系统时间与节点对位置信息，并将信息保存到后台数据库中；

4)服务中心发送控制命令，驱动离孩子位置最近的摄像机对其进行跟踪取景，系统将截取到的快照进行保存；

5)当节点对失去联系超过安全时间，系统自动发送包含其位置信息和现场截图的邮件至监护人手机进行报警，同时监控中心管理员可根据摄像头传来的视频画面判断孩子是否存在走失风险而采取相应处置措施。

商城经营面积广，所需布控节点数量较大，因此,系统采用功耗低且网络管理简单的树形结构组织网络。

图1 系统总体结构图Fig 1 Overall structure diagram of system

2 系统硬件设计

2.1 参考节点、路由器节点与协调器节点

2.1.1 硬件选型与设计

参考节点、路由器节点和协调器节点三者的硬件设计相同，区别在于软件设计不同，都是由传感器模块、信号调理模块、CC2430芯片、数据采集模块、功率放大模块及天线模块组成，硬件结构如图2。参考节点与协调器位置固定且长时间处于工作状态，所以，考虑采用可充电锂电池与普通碱性电池可动态切换的供电方式替代单一的干电池供电。动态电源切换电路即时判断锂电池供电情况，从而决定是否切换到碱性电池供电模式并给锂电池充电。协调器电源模块设计图如图3。

图2 CC2430节点硬件结构Fig 2 Hardware architecture of CC2430 node

图3 协调器电源模块设计Fig 3 Design of coordinator power module

2.1.2 节点软件流程

参考节点包括节点接入网络、将获取的RSSI值和位置坐标无线传输给协调器。节点上电后，先进行初始化，然后寻找是否有可加入的网络。成功加入网络以后，节点对无线信号进行侦听，进入事件循环，一旦监测到盲节点的无线信号则对其进行相应处理，其他情况下则进入休眠模式。参考节点软件流程如图4所示。

图4 参考节点软件流程图Fig 4 Software flow chart of reference node

协调器节点主要负责建立、管理、维护网络，在网络中起到承上启下的作用。上位机监控软件通过协调器将相应的配置数据分别发送给移动节点和参考节点，同时移动节点和参考节点也通过协调器节点将获取的相关信息反馈给上位机。协调器软件流程如图5所示。

图5 协调器节点软件流程图Fig 5 Software flow chart of coordinator node

2.2 移动节点

移动节点选用CC2431芯片，CC2431与CC2430的最大区别在于，CC2431具有定位引擎硬件核心，除此之外，CC2431和CC2430的外观和功能完全一样。CC2431/CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，使其适合应用于要求电池寿命非常长的场景。

2.3 摄像头模块

为实现对移动目标进行跟踪监控，系统采用海康威视公司生产的DS—2CD753F—E摄像机，DS—2CD753F—E采用1/3 in逐行扫描CMOS传感器和先进的H.264处理技术，像素为200万，在低带宽网络环境下可流畅传输高质量的高清H.264视频图像，图像最高分辨率可达1 600×1 200。

摄像机跟踪监控目标的过程如下：设备初始化后，数据转换程序从数据库中实时获取传感器最新的二维平面坐标，并将数据进行转换得到摄像头可识别的三维坐标后将其发送给离移动目标最近的摄像头，摄像头获取坐标后，调节焦距和角度对目标进行监控。

3 系统部署与邮件报警设计

3.1 监控系统部署

定位系统采用RSSI定位算法，参考节点和移动节点的相互通信确定RSSI值的大小，单位面积内通过一定方式部署的参考节点越多，定位误差越小。系统采用的摄像机具有360°水平旋转监控能力。实际应用中节点和摄像头的部署既要使得系统定位达到一定精度，实现零死角监控，也需要考虑成本的节约。经过实验，最终确定了在4种常见的商城局部结构中节点与摄像机的部署方案，示意图如图6所示。部署方案总体原则如下：

1)每个路口优先安装一个摄像头；

2)在视野相对开阔区域，尽量将摄像头布控于区域中心；

3)在条件允许的情况下，参考节点尽量成对部署，4个节点构成一个矩形，节点间距离在6～8 m时定位效果最佳；

4)如果商区中货柜、商品等陈列物密度较大，应适当增加参考节点数量。

图6 参考节点与摄像机群部署方案示意图Fig 6 Diagram of deployment scheme of reference nodes and camera group

3.2 邮件报警模块设计

监控系统遇到警情时可以向预先设定的邮箱发送报警邮件，邮件内容包括被监护人的位置信息，同时附带一张现场拍摄的画面。由于很多电子邮箱提供商提供了邮件推送功能(传统的手机短消息提醒或者智能手机的直接推送和接收)，如腾讯QQ、微信的邮箱提醒插件等，这些应用极大地提高了邮件报警的便捷性和实时性，使其在监控报警领域得到极大推广。

本文利用C#中System.Web.Mail命名空间中的类库实现邮件发送功能。C#发送邮件需要SMTP(simple mail transfer protocol),即简单邮件传输协议服务的支持，因此,需要先设置SMTP服务。发件人邮箱地址与密码验证后，程序选择对应的收件人邮箱，通过Attachment类添加现场截图到邮件中，最后将邮件发送到家长手机上，程序流程如图7。

图7 邮件报警模块流程图Fig 7 Flow chart of mail alarm module

4 系统软件设计

上位机监控系统采用C#语言编程和SQL Server 数据库存储数据，中心监控系统主要任务有系统参数配置、设备调试、数据接收、数据解析处理、数据存储和超限报警等。设备上电初始化后，监控系统通过时间校正程序消除系统时间与当地时间偏差后开始工作，系统可实现节点自动监测和商城内部经营情况常规监测两种模式的动态切换。远程监控软件结构如图8所示。

图8 远程监控软件结构图Fig 8 Structure diagram of remote monitoring software

5 实验测试与分析

为真实模拟商城内部环境，系统测试场所选择环境最为接近商城内部结构的校园内超市。超市长26 m，宽16 m，Zig Bee监控网络、摄像机群部署方案以及平面坐标系建立如图9。实验测试时，超市正常营业，其内除携带CC2431

图9 实验场景示意图Fig 9 Diagram of experimental scene

定位节点的两人外，内部还有其他顾客正常走动。移动节点每2 s进行一次定位计算，节点对间安全距离设为8 m，超过此距离时，系统记录孩子节点的位置信息并发送报警邮件。定位误差表示实际位置和测量位置的平面距离，实验部分结果如表1所示。

表1 部分实验结果图Tab 1 Partial experimental results

实验结果表明：当移动节点在参考节点群的内部时，定位精度较好；反之，则可能产生一定的偏差(如序号7#)，当定位误差在3 m以内时，被保护人将出现在摄像机监控画面内，可清晰识别。

6 结束语

本文将无线传感网络技术应用在商城智能监控系统中,可以有效实现防止孩童在商城内走丢、脱离父母视线的功能，可对目标实时定位做出判断，防止事故发生，在商业化智能商区监控应用中具有一定的实际意义。与同类产品相比，这种将无线传感网络与360°水平旋转摄像机相结合的新型监控系统合理利用了商城现有的监控资源，其结构简单，对定位精度要求相对较低，具有实时事件监控报警和处置功能，系统运行和维护费用较低，社会应用前景良好。

[1] 林洪文，涂 丹，李国辉.基于统计背景模型的运动目标检测方法[J].计算机工程，2003，29(16)：97-99.

[2] 郭永涛，宋焕生，贺昱曜.视频交通监控系统中背景提取算法[J].电视技术，2006(5)：91-93.

[3] 印 勇，王亚飞.基于空间领域相关性的运动目标检测方法[J].光电工程，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

�点与周围的参考节点进行通信，将接收到的接收信号强度指示(

signal strength indication，RSSI)值换算成对应的距离后确定自身位置信息，并将其通过射频模块经路由器发送至协调器节点；

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0113—03

2014—01—09

国家自然科学基金资助项目(61302144)； 湖南国土科技项目(2013—20)

TP 212

A

1000—9787(2014)08—0113—03

阮逸润(1989-)，男，福建莆田人，硕士研究生，主要研究领域为传感技术、信息路径传播。