基于物联网与三维可视化的弹药库实时监测系统*

邹向阳，邹和辉，刘戎

（1.空军空降兵学院，广西桂林541003；2.桂林电子科技大学，广西桂林541004）

基于物联网与三维可视化的弹药库实时监测系统*

邹向阳1，邹和辉2，刘戎1

（1.空军空降兵学院，广西桂林541003；2.桂林电子科技大学，广西桂林541004）

为满足部队弹药库监测的信息化、智能化、实时化、可视化应用需求，提出一种基于物联网与三维可视化技术的弹药库实时监测方案。通过综合分析弹药库实际监测需求以及应用特点，充分利用ZigBee无线传感器网络，依托云架构下的数据采集、传输、存储、分析、展示技术，构建多平台可视化弹药库实时监测系统。详细阐述了弹药库监测系统的架构、功能和设计方案，为建设新型弹药库实时监测提供了新的思路与方向。

弹药库，物联网，三维可视化，ZigBee，Node.js

0 引言

弹药库是用于储存弹药类特殊危险品的特种仓库。弹药品具有易燃、易爆等特性，在其受到高温、摩擦、振动、碰撞、曝晒等因素的作用下时，极易引发不安全事故。对弹药库的实时安全监控、环境监测是保证弹药库安全、弹药性能良好的重要策略之一。目前，部队弹药库数量多、分布广、建设标准低、监管力量薄弱、信息化水平落后，迫切需要提高弹药库的监测管理工作。

在弹药库监测中，主要的监控要素有视频图像监控、温湿度监测、红外探测、离子烟雾监测、雷击监测等［1］。传统的监测方式一般采用传感器-单片机-PC架构的单机模式，这种方式架构简单、性能稳定，但也存在一系列的弊端：其一，监测要素单一无法满足部队信息化发展的需求；其二，数据传输采用有线方式，增加了弹药库布线难度、维护成本以及传感地的放置地点；其三，基于PC端的本地查看，这种方式无法远程实时查看，并且局限于PC客户端。

近年来，物联网技术发展迅速并广泛用于公共安全、智能交通、工农业和军事等领域。随着物联网的不断发展，三维可视化与物联网技术的融合受到普遍重视，且必将成为发展趋势。物联网与三维可视化技术的融合在国内智能场馆、智能变电站、智能矿井等方面已经取得初步的应用成果［2］。

1 系统整体方案

1.1 弹药库实时监测系统架构

根据弹药库的安全监测要素，可以进行实时监测管理系统的架构搭建。该系统主要是依托ZigBee无线传感网、云计算架构下的数据传输、存储、分析、展示等技术，以及三维可视与虚拟仿真技术的综合应用，实现对弹药库安全监控、环境监测、各系统报警联动，做到弹药库实时监测的信息化、智能化、可视化、实时化为一体的综合安全管理系统。系统整体方案如图1所示。

图1 系统整体架构

从数据信息的流向划分，该系统可以划分为四部分：弹药库房数据采集、网络传输、数据分析处理平台以及终端展现。数据采集主要通过安全稳定的传感器网络、先进可靠的测量手段，以及精确的误差消除办法来获取弹药库房内所监测的数据信息；网络传输采用有线与无线相结合的方式将数据信息传输到服务器云端。例如对于大数据的传输如视频数据采用有线传输的方式，对于小数据的传输如温度、湿度、入侵检测数据采用ZigBee无线传输方式，这既能保证通讯网络的高效灵敏、反应快捷，又能保证网络运行稳定、可靠；数据处理平台引入Node.js技术，主要完成用户请求、数据接入以及数据的分析融合，为各子系统的联动提供数据支持，并为三维可视化提供数据接口。数据展示终端构建可跨平台（智能手机、平板电脑、电视、电脑等）多信息介质的监测数据显示终端，为安全管理以及应急指挥提供方便而强有力的决策支持。

1.2 系统技术架构

系统技术架构分为采集层、处理层、应用层和对外接口，如图2所示。

图2 系统技术架构

2 系统关键技术

物联网（The Internet of Things）是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络［3］。“物联网”被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。目前，关于物联网还没有一个广泛认同的体系结构，具有代表性的物联网架构一般认为物联网可以分为三层：感知层、网络层、应用层［4-5］。ITU在2005年的互联网报告《ITU互联网报告2005：物联网》中描述了物联网发展的4个关键性技术——RFID技术、传感器网络技术、智能技术、微缩事物的纳米技术［6］。在我国物联网现阶段关注的技术主要有传感器、云计算、RFID等领域。物联网一般系统架构以及在信息处理与传递过程用到的关键技术如下页图3所示。

感知层作为物联网的核心，可进一步分为数据感知子层和通信延伸子层。数据感知子层主要是通过各种传感器获取物理世界的数据，并通过通信延伸子层的蓝牙、红外、ZigBee等近距离传输技术实现数据的传递。网络层主要依托因特网、电信网、各种专用局域网等来实现感知层数据的传递、存储、共享等。应用层包括应用基础设施/中间件和各种物联网应用。应用基础设施/中间件为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在众多领域的各种应用。

图3 物联网架构与关键信息技术

2.1 三维可视化技术

三维可视化技术是利用计算机技术还原现实世界中的物体，并能够表示三维物体的复杂信息，使其具有实时交互能力的一种可视化技术［7］。三维可视化技术中的关键核心技术是三维建模技术。目前三维建模方法很多，但归纳起来主要有：基于几何建模与绘制（Geometry-Based Modeling and Rendering，GBMR）、三维扫描仪、基于图像建模与绘制（Image-based Modeling and Rendering，IBMR）［8］。其中基于图像建模与绘制相对于基于几何建模与绘制来说，是一个比较新的领域，由于其建模容易、绘制速度快、真实感强、交互性好，IMBR已成为三维建模领域的热点。IMBR的建模过程主要可分为相机标定（Camera Calibration，CC）、图像建模（Image-Based Modeling，IBM）、图像绘制（Image-Based Rendering，IBR）3个阶段。相机标定主要是对数字图像序列进行特征提取与匹配，进而确定相机的投影矩阵。图像建模通过投影重构、可见外光、空间雕刻等方法来生成模型的表面。图像绘制通过视点插播、视图变换、全光函数等方法来实时生成逼真的场景与动画。IBMR的技术流程如图4所示。

2.2 ZigBee WSN技术

无线传感器网络（Wireless Sensor Network）由部署在监测区域内的大量传感器节点组成，通过无线通信技术形成一个多跳自组织的网络系统，它融合传感器技术、无线通信技术、计算机技术，具备数据采集、传输、处理功能，广泛应用于军事、环境监测、医疗、交通运输等领域［9］。ZigBee/IEEE802.15.4作为新的近距离无线通信协议，由于其具备低功耗、高可靠性、自动组网、安全等特点，为WSN的发展提供新的契机。

图4 基于图像建模与绘制（IBMR）技术流程

根据802.15.4标准，其工作频段为868 MHz～868.6 MHz（868 MHz频段），902 MHz～928 MHz（915MHz频段），2400MHz～2483.5MHz（2.4 GHz频段），其数据传输率分别为20 kb/s，40 kb/s，250 kb/s，传输距离为10 m～75 m［10］。868 MHz频段在欧洲使用，915 MHz频段与2.4 GHz频段作为ISM频段，其中915 MHz频段在北美使用，2.4 GHz频段全球使用。与其他现有近距离通信技术相比，ZigBee具有最低成本与功耗，特别是其自组织网和动态路由通信方式，能够充分保证数据的可靠传输以及网络自愈和扩展。ZigBee主要采用了三种组网方式：星型网（Star）、网状型网（Mesh）和簇型（Cluster tree），其中星型和簇型都可以看作是网状型的特例，ZigBee网型网络拓扑结构如图5所示。

图5 ZigBee网型网络拓扑结构

2.3 Node.js技术

Node.js是一个为实时Web（Real-time Web）应用开发而诞生的平台，它从诞生之初就充分考虑了在实时响应、超大规模数据要求下的架构的可扩展性。这使得它摒弃了传统平台依靠多线程来实现高并发的设计思路，而采用了单线程、异步I/O、事件驱动式的程序设计模型［11］。Node.js的异步机制是基于事件的，所有的磁盘I/O、网络通信、数据库查询都以非阻塞的方式请求，返回的结果由事件循环来处理。其机制如图6所示。

图6 Node.js机制示意图

该机制的优点是CPU和内存在同一时间集中处理一件事，同时尽可能让耗时的I/O操作并行执行。对于低速连接攻击，Node.js只是在事件列队中增加请求，等待操作系统的回应，因而不会有多线程开销，很大程度上可以提高服务器应用的健壮性，防止恶意攻击。

随着雅虎、微软、LinkedIn以及国内的淘宝、阿里巴巴开始大量采用该技术开发项目，已经证明了该技术在处理高并发，实时性和开发速度上的卓越优势，同时由于云服务平台的前端同样大量使用JavaScript，所以在调试时服务器系统和前端可以用同一种语言调试，大大提高了解决问题的速度。

3 系统功能设计与实现

3.1 视频监控系统

数字网络视频监控系统的关键设备是视频服务器和网络摄像机，采用嵌入式实时多任务操作系统，前端摄像机采集的影像讯号，经过高效压缩芯片压缩编码，透过内部总线传送到网络上，用户可以直接在PC计算机上通过浏览器观看视频、图片，授权用户还可以透过计算机网络控制摄像机镜头和云台，或对系统进行配置操作。

3.2 环境调节系统

通过在弹药库布置若干个温度传感器，数据信息通过ZigBee无线传感器网络以及网关上传到云端服务器，服务器保存数据信息以便分析并且为三维可视化提供数据接口。通常规定弹药库最高温度不超过30℃，最大湿度不超过70%，设定弹药库的正常温度在15℃～26℃，正常湿度45%～65%。

3.3 联动报警系统

联动报警系统以三维可视化平台与视频监控系统为基础。当弹药库房内的等离子烟雾传感器、温度传感器检测、湿度传感器、有毒气体传感器检测监测到异常，环境调节系统可以自动调节湿度、温度，同时触发环境信息异常警报，视频摄像头根据传感器的IP追踪相关区域状况，三维可视化平台将相关信息及时通知管理人员，从而实现环境调节系统、视频监控以及三维可视化平台的联动。

4 结束语

弹药库监测系统是弹药库的重要组成部分。基于物联网与三维可视化技术的弹药库实时监测系统以三维场景为主要展示形式，利用物联网技术与三维可视化技术实现报警以及三维可视化，完成弹药库安全监测系统的集成，提升了弹药库信息化水平，为弹药库安全、自动化管理系统提供了案例与实践经验。当然，弹药库安全实时监测系统不断完善与改进将是一个长期的过程，还需要不断地探索和研究，从数据采集、传输、存储、远程控制、三维可视化等方面开展研究，发挥物联网、三维可视化等新兴技术与系统的高效无缝结合，引领弹药库不断加快实时监测系统信息化、实时化、智能化、可视化建设步伐。

［1］张伯虎，杨金柱，李旭霞.基于多传感器的弹药库安全监测系统集成设计［J］.安防科技，2007（1）：52-53.

［2］方景辉，徐伟明，朱晓峰.基于物联网与三维可视化技术的变电站智能辅助控制系统的研究与应用［J］.电气自动化，2012，34（3）:67-70.

［3］张为，李亮.多传感器数据采集技术在物联网的应用研究［J］.广州大学学报（自然版），2012，11（3）:75-80.

［4］孙其博，刘杰.物联网：概念、架构与关键技术研究综述［J］.北京邮电大学学报，2010，33（3）:1-9.

［5］Ovidiu V，Harrison M，Vogt H，et al.Internet of Things Strategic Research Roadmap［R］.European Commission-Information Society and Media DG，2009.

［6］International Telecommunication Union UIT.ITU Internet Reports 2005［R］.The Internet of Things，2005.

［7］栾悉道，应龙，谢毓湘.三维建模技术研究进展［J］.计算机科学，2008，5（2）:208-210.

［8］杨建思，杜志强，彭正洪.数字城市三维景观模型的建模技术［J］.武汉大学学报（工学版），2003，36（3）:37-40.

［9］Ni L M，Liu Y，Zhu Y.China's National Research Project on Wireless Sensor Networks［J］.Wireless Communications，IEEE，2007，14（6）:78-83.

［10］Farahani S.ZigBee Wireless Networks and Transceivers［M］.America：Newnes，2011:10-12.

［11］BYVoid.Node.js开发指南［M］.北京：人民邮电出版社，2012:4-7.

Research of Ammunition Depot Real-time Monitoring System Based on IoT and 3D Visualization Technology

ZOU Xiang-yang1，ZOU He-hui2，LIU Rong1
（1.Air Force Airborne Academy，Guilin 541003，China；2.Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

In order to meet the application demand for informatization，intellectualization，real-time and visualization of the ammunition depot in troops，the paper proposes a real-time monitoring project based on the Internet of Things and visualization technology.In the project，with the backing of data acquisition，transmission，storage，analysis and display in cloud architecture and full use of ZigBee，a new wireless sensor network，a real-time visual monitoring system，which can be run on multiple platforms，is constructed through synthetic analysis of the actual monitoring requirements and the application characteristics.The paper elaborates the architecture，the function-constructing project and 3D visual platform of the monitoring system and makes an exploratory study of the real-time monitoring.

ammunition depot，internet of things，3D，ZigBee，Node.js

TP393

A

1002-0640（2015）01-0030-04

2013-11-18

2014-02-07

军队重点基金资助项目

邹向阳（1964-），男，湖南新化人，博士，教授。研究方向：电子对抗、物联网技术。