基于ZigBee的校园安全监控系统设计

摘要：本文设计了一种基于ZigBee技术的校园监控系统，将ZigBee监控网络提供的目标位置信息与监控摄像机群结合，实时监控校园的安全。监控系统利用ZigBee节点进行定位与信息通信，当图像识别超出安全阈值，全部可拍摄范围内的节点摄像头自动对锁定目标跟踪监控，同时，系统自动发送报警电话及邮件至学校保卫处和范围内的人群，邮件内容含有危险人群及物品的位置信息和现场监控的实时画面。仿真实验表明，监控目标跟踪定位误差在3m之内时，跟踪目标可出现在摄像机监控显示内，且清晰可识别。

引言

　　近年来，全国多地发生了校园安全事故。如何加强校园安全监控，使师生在校园内安全教学与学习，是人们十分关心的问题[1]。目前，校园内摄像机只能对固定区域进行监控以及无法物象识别，还要人工实时跟踪，智能化程度低^[2]。而将采用嵌入物象识别模块的摄像头锁定目标技术与ZigBee网络相融合具有实时性和监控精度高的特点，因而本文设计了将ZigBee监控网络与物象识别模块以及红外传感相结合，实时地识别目标人物、追踪位置及行动路线，满足了校园内人物识别与定位的要求，在商业应用上也有很大的扩展空间。

　　ZigBee监控网络可建设成以打击、预防违法犯罪为目的的系统，在学院和宿舍等出入口、重要教学等地点设立视频监控点，将监控图像实时无线通信到校保卫处监控中心和其它相关部门，通过对图像的识别、记录等方式，使各级机关及相关职能部门直观地了解和掌握监控区域的治安动态。

1 系统总体设计

　　ZigBee监控网络系统由红外线传感器、摄像机群(包括重点CCD)、GPRS无线路由器节点、信号调理器节点和保卫处监控中心组成，系统总体层次如图1所示。

　　系统工作过程如下：

　　1)红外线传感器和摄像机接联的访问节点与GPRS无线路由器进行通信，将接收到的信息经过信号放大模块(Signal amplifying module，SAM)通过GPRS无线路由器传输给信号调理器。若摄像机内的物象识别模块识别出危险物象则直接与上位机无线通信;

　　2)信号调理器接收到通信信号，将视频、音频等信号进行排序、封装、压缩后，传给监控中心，并等待上位机命令;

　　3)中央处理系统对各个传输信号数据进行对比，当分析比对拍摄到的人物画面超出安全阈值，中央处理系统将对相应的显示屏幕进行报警，并将报警信号发送给保卫人员以及事故周围人群，同时，中央处理系统将自动记录此时间与摄像位置信息，然后经此信息保存到后台数据库;

　　4)监控系统命令中心通信控制命令，使距离事发地最短的摄像机群对锁定目标跟踪监控，系统将通信视频截取画面保存;

　　5)当校园内全部摄像机拍摄不到系统锁定的目标时，系统自动发送最后时间目标监控的地点和当时视频截图的信息到保卫人员和校园全部人群，同时，监控中心的工作人员可以根据各摄像视频判断锁定的目标可能出现的地点而采取相应的处理办法。

　　实验的校园占地面积大、建筑物较多且又处于山坡，所需视频监控点数量多，因而，系统采用功耗低且网络信号传输快捷方便的树形结构网络组织。

2 系统硬件及通信设计

2.1 系统硬件框图如图2所示

　　(1)子终端无线访问点

　　无线访问点功能是将摄像机群和红外线传感器传输的数据信息打包压缩传送给无线路由器和接收上位机指令，其内部核心器件是CC2530-F64。CC2530是专门针对IEEE 802.15.4和ZigBee应用的单芯片解决方案，经济且低功耗。在接收、发射和多种低功耗的模式下具有极低的电流消耗，能保证较长的电池使用时间。

　　可移动节点用的是CC2431芯片，CC2431具有定位引擎硬件核心。其外观和功能与CC2530一样。

　　(2)GPRS无线网络路由器

　　本设计采用东方讯 GPRS/CDMA 无线路由器，具有地址转换(NAT)以及其它的网络服务功能。可以将子终端发送的ZigBee信号转换成GPRS并传递给信号调理器。

　　GPRS/CDMA有数据通信稳定、传输速度快和数据量大的优点。万州区测试 CDMA下行速度为 100kbit/s 左右, 上行速度为80kbit/s 左右。

　　(3)信号调理器

　　信号调理器由CC2530、C8051F040、NANDFLASH、DS12887、1602和GSM模块组成。C8051F040的串口0与CC2530相连，用于接收CC2530发送的通信数据和地址信息;串口1与GSM模块相连，用于发送地址信息到对应的子终端访问点上。NAND FLASH用于信号源和读出设备之间的信号调理。DS12887高精度时钟芯片用于显示时间和日期，同时对各个子终端节点的时间进行校准。当时间为00时00分00秒时，C8051F040会发送校准命令给CC2530，由CC2530通过ZigBee发送给各个子终端节点，从而实现校准各个子终端节点的时间为00时00分00秒。C8051F040采用Keil C51编程，可接收上位机向子终端访问点发出跟踪定位指令^[3]。

　　(4)红外线传感器

　　红外线传感器配置给校园围墙和重点建筑物的摄像机，一旦探测到生命体活动信号，将信号反馈给摄像机，促使摄像机物象识别和跟踪拍摄。

　　红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，放电后续电路经检验处理后即可产生报警信号。

　　(5)摄像机

　　本设计采用TBF宽动态图像可识别摄像机，对强光进行拟制，背光进行补偿，彩色480线/黑白570线，日夜自动转换。

3 人物图像识别技术

3.1 物象识别硬件选型

　　摄像机内嵌入东芝Visconti图像识别芯片，Visconti 3处理器采用两个Cortex-A9核心，总共6个浮点运算单元。Visconti 3芯片内包含64GB屏蔽式堆读内存Mask ROM，2MB SRAM，芯片支持一个单通道PCI Express接口。Visconti芯片的主要功能包括检测行车道、车辆以及通过面部、动作识别检测行人。

3.2 物象识别理论实现

　　内嵌入东芝Visconti图像识别芯片的摄像机融合了非参数方法、立方体分析方法以及参数化时间序列分析方法。非参数方法通常从视频的每一帧中提取某些特征，然后用这些特征与预先存储的模板(template)进行匹配;立方体分析方法不是基于帧的处理，而是将整段视频数据看作是一个三维的时空立方体进行分析;而参数化时间序列分析方法对运动的动态过程给出一个特定的模型，并通过对训练样本数据的学习获得每一类动作特定的模型参数^[4]。

4 系统软件构成

　　(1)ZigBee监控网络软件工作流程

　　访问节点加入ZigBee网络后，学校围墙访问节点通过RSSI测距、校园内的访问节点通过质心定位算法(CLA)将位置坐标无线传输给信号调理器。访问节点工作后进行初始化，然后搜寻可加入的ZigBee网络。节点成功加入网络后将进行无线通信循环巡查，若出现监控盲区，可将移动访问点进行相关处理。重复区域监控等访问点将进入休眠待命状态。无线访问节点软件运作流程如图3所示。

　　信号调理器负责建立、管理和传输网络，在组建无线网络中起到关键作用。监控系统命令中心通过信号调理器将对应的配置数据分别发送给可移动节点和无线访问点，且可移动节点和无线访问点也可以通过信号调理器将获取到的信息反馈给监控系统命令中心。

　　(2)上位机监控系统

　　监控中心上位机监控系统采用c++软件语言汇编和oracle数据库储存数据，以及运行工作平台：中文Windows7及更高版本;网络系统软件包：中文JC2000™网络版本。中心监控系统能够实现前端节点摄像机和视频编码器(DVS)的统一接入和管理，提供丰富的管理和业务功能，无线监控软件结构如图4所示^[5]。

　　(3)邮件报警装置设计

　　上位机运行工作平台上安装SMTP邮件群发v4.0软件，当上位机指令发送报警邮件时，SMTP邮件群发v4.0软件会通过ZigBee网络节点将报警邮件发送到关联人群手机的QQ、微信等社交APP上。

5 仿真与实验验证

　　实验数据在重庆三峡学院校园实地测量，校园内部人员正常活动。由于校园占地面积较大，ZigBee监控网络节点布置方案采用动态局部集中式。移动访问点每2秒进行定位计算，节点对安全人物及动作进行图像识别以及目标跟踪监控，超过安全物象识别阈值时系统记录危险区域节点的位置信息并发送报警信息。物象识别阈值是人员的活动动作安全范围，物象识别仿真结果如图5所示。

　　定位误差表示实际目标运动路径与监控测量位置的坐标距离，目标跟踪实际位置与测量位置的行动路径。

　　仿真实验结果表明：当移动摄像机在参考节点群的内部时，定位精度较好且监控识别准确。反之，则可能出现一定的偏差，当监控跟踪定位误差在3米之内时，跟踪目标将出现在摄像机监控显示内，且清晰可识别。

6 结束语

　　本文将无线传感器网络技术应用于校园监控系统中，可以有效监控以及报警校园内人员活动，可对跟踪目标实时监控与定位，防患于未然，在商业上智能区域监控应用中也有实际意义。与其他设计产品对比，这种将无线传感器网络与摄像机监控物象识别及红外传感相结合的新型监控系统合理地利用了学校现有的监控资源，其结构简单，定位准确及时，具有实时监控报警的功能，且运行和维护费用低，社会应用前景广阔，具有很大的市场优势。

参考文献：

　　[1]董博.试论校园安全文化建设[J].学苑教育. 2013(10)：11-12

　　[2]姜然.学校监控体系的实现[J].才智.2011(20)：240-241

　　[3]Fateh B,Govindarasu M,Ajjarapu V.Wireless network design for transmission line monitoring in snart gird[J]. IEEE Transactions on Smart Grid,2013,4(2):1076-1086

　　[4]任思璟,董金波.模糊边缘检测在机器视觉图像系统仿真研究[J]. 计算机仿真. 2011(6)：280-284

　　[5]阮逸润,谭真.基于Zig Bee的可信监控系统设计[J]. 传感器与微系统.2014(8)：113-115

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第7期第58页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。