劉寶禮,張文東,莊 威,桂小林
(1.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所 西安北方信息產(chǎn)業(yè)有限公司,陜西 西安 710065;2.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 陜西省計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049)
近年來,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技水平的不斷發(fā)展,社會(huì)公共安全受到人們的廣泛關(guān)注。作為一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè),安防監(jiān)控技術(shù)及其應(yīng)用的迅速發(fā)展,在維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定和家庭安全方面發(fā)揮了重要的作用[1]。然而,由于安防系統(tǒng)涉及范圍較廣,包含子系統(tǒng)種類繁多,且各子系統(tǒng)的部署和管理相對(duì)獨(dú)立,造成系統(tǒng)的日常使用和管理的不便;同時(shí),隨著安防監(jiān)控系統(tǒng)由模擬向網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化的轉(zhuǎn)變,特別是智能家居的應(yīng)用需求不斷擴(kuò)大,安防監(jiān)控從單一的視頻監(jiān)控、防盜監(jiān)控向多子系統(tǒng)集成的轉(zhuǎn)變是安防行業(yè)發(fā)展的主要趨勢。因此,如何實(shí)現(xiàn)智能化的集成管理成為安防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和部署亟待解決的關(guān)鍵問題。為此,本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能安防系統(tǒng)集成方案。
物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。其英文名稱是“the internet of things”。由此,顧名思義,“物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思:第一,物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng),是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò);第二,其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間,進(jìn)行信息交換和通信。因此,物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用框架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The iuternet of things application framework structure
物聯(lián)網(wǎng)將是下一個(gè)推動(dòng)世界高速發(fā)展的“重要生產(chǎn)力”!
物聯(lián)網(wǎng)擁有業(yè)界最完整的專業(yè)物聯(lián)產(chǎn)品系列,覆蓋從傳感器、控制器到云計(jì)算的各種應(yīng)用。產(chǎn)品服務(wù)智能家居、交通物流、環(huán)境保護(hù)、公共安全、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、個(gè)人健康等各種領(lǐng)域。構(gòu)建了“質(zhì)量好、技術(shù)優(yōu)、專業(yè)性強(qiáng),成本低,滿足客戶需求”的綜合優(yōu)勢,持續(xù)為客戶提供有競爭力的產(chǎn)品和服務(wù)。
同時(shí)也要認(rèn)識(shí)到,目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展仍然存在四大問題需要解決。首先,芯片和讀寫器核心模塊嚴(yán)重依賴進(jìn)口;其次,射頻標(biāo)簽自主技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺位;再次,市場因素制約射頻標(biāo)簽規(guī)?;茝V;第四,民營企業(yè)處于競爭劣勢,風(fēng)險(xiǎn)投資態(tài)度謹(jǐn)慎。
早期的物聯(lián)網(wǎng)是以無線傳感技術(shù)為基礎(chǔ)的物流網(wǎng)絡(luò),隨著技術(shù)與應(yīng)用的不斷發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵有了了較大變化。根據(jù)2005年,國際電信聯(lián)盟(ITU)在《The Internet of Things》報(bào)告中對(duì)物聯(lián)網(wǎng)概念進(jìn)行擴(kuò)展,在任何時(shí)間,任何地點(diǎn)、任何物體之間的互聯(lián),無所不在的網(wǎng)絡(luò)和無所不在計(jì)算的發(fā)展愿景,智能終端、傳感器技術(shù)等技術(shù)將被更加廣泛地應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)中的“物”均具有標(biāo)識(shí)、物理屬性以及實(shí)質(zhì)上的個(gè)性,使用智能接口,完成與信息網(wǎng)絡(luò)的無縫整合。
物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為“感知-傳輸-處理”。作為下一代互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分,物聯(lián)網(wǎng)增強(qiáng)了人與物、物與物的互聯(lián)和通信,實(shí)現(xiàn)了信息的無縫、自主和智能的交互。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ),將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能安防系統(tǒng)的完美組合,使得安全管理機(jī)構(gòu)可以全方位的監(jiān)控所有的安全測控點(diǎn),實(shí)現(xiàn)智能安防系統(tǒng)能力的大幅提升。這樣,安防系統(tǒng)將迎來一個(gè)革命性的新時(shí)代。
安防監(jiān)控系統(tǒng)是以保障安全為目的而架構(gòu)部署的一個(gè)綜合性技術(shù)防范系統(tǒng)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,安防監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展逐漸成熟且應(yīng)用較為廣泛?,F(xiàn)有安防系統(tǒng)主要包括:視頻監(jiān)控系統(tǒng)、防盜報(bào)警系統(tǒng)、巡更系統(tǒng)和門禁對(duì)講系統(tǒng)等[1]。在實(shí)際的安防應(yīng)用中,這些子系統(tǒng)的部署相對(duì)獨(dú)立,并且發(fā)揮著重要作用。
伴隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化需求的不斷增長,安防子系統(tǒng)的集成管理已引起業(yè)界廣泛關(guān)注。在一些較大規(guī)模的安防系統(tǒng)中,已經(jīng)集成了視頻監(jiān)控系統(tǒng)、防盜報(bào)警系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]給出防盜報(bào)警系統(tǒng)與門禁對(duì)講系統(tǒng)的集成方案,以生物識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ),將防盜報(bào)警和門禁對(duì)講有效地集成,并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)子系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。文獻(xiàn)[3]提出一個(gè)以HUS數(shù)字化安防集成平臺(tái)為核心的數(shù)字化安防解決方案,實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)控、防盜報(bào)警、門禁控制以及第三方系統(tǒng)的無縫集成。
在安防系統(tǒng)平臺(tái)當(dāng)中,對(duì)各類探測器所采集的信息進(jìn)行協(xié)同分析是實(shí)現(xiàn)異常事件智能處理的關(guān)鍵?,F(xiàn)有安防系統(tǒng)涉及的探測器種類較多,包括紅外探測器、煙感探測器、地波傳感器和攝像機(jī)等。這些探測器雖然種類各異,但根據(jù)其對(duì)異常事件的報(bào)警方式的不同,可分為兩類:一類是自動(dòng)監(jiān)管方式;另一類是人工監(jiān)管方式。自動(dòng)監(jiān)管方式是探測器對(duì)異常事件自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào),探測結(jié)果明確,例如紅外探測器、煙感探測器等;人工監(jiān)管方式則需要通過人工對(duì)探測信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,探測器無法對(duì)異常事件做出自動(dòng)判斷,例如攝像機(jī)。
上述集成方案實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)的物理集成,然而,這些方案只是將現(xiàn)存的子系統(tǒng)連接起來,并未對(duì)各子系統(tǒng)采集的信息進(jìn)行深入的分析。
系統(tǒng)集成的目標(biāo)是在統(tǒng)一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)各子系統(tǒng)的集中控制和監(jiān)控,通過對(duì)各子系統(tǒng)產(chǎn)生的信息綜合分析,做出相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)響應(yīng)。其中,信息的提取、共享和智能處理是系統(tǒng)集成的重點(diǎn)。在文獻(xiàn)[4]中,作者利用云計(jì)算技術(shù),對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的信息共享和智能處理進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)了視頻信息的集中存儲(chǔ)和訪問控制。其不足之處是未能利用云計(jì)算強(qiáng)大的計(jì)算功能對(duì)采集的信息進(jìn)行進(jìn)一步的深入分析,在多個(gè)子系統(tǒng)的集成方面也未作充分考慮。
將物聯(lián)網(wǎng)與智能安防系統(tǒng)整合研究,以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ),集中運(yùn)行和管理各個(gè)安防子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)互通,讓各個(gè)子系統(tǒng) “物物相連”,不僅能擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍,進(jìn)而可以促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)于改善制約物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸也可以起到促進(jìn)作用,同時(shí)也能提高智能安防系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用范圍[5]。
為了實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)有效的集成,本文采用分層設(shè)計(jì)的思想,將安防系統(tǒng)集成框架劃分為5個(gè)層次,自底向上依次為:感知執(zhí)行層、數(shù)據(jù)匯聚層、網(wǎng)絡(luò)連接層、智能處理層和應(yīng)用決策層,具體框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 安防監(jiān)控系統(tǒng)集成框架結(jié)構(gòu)圖Fig.2 security monitoring system integration framework structure diagram
感知執(zhí)行層:感知的功能是通過探測器采集監(jiān)控區(qū)域的特定信息。探測器的感知能力是影響安防系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素,設(shè)備主要包括:攝像機(jī)、煙感、紅外、震動(dòng)等各種報(bào)警探測器,各個(gè)探測器的感知方式和能力各不相同,在混合使用時(shí)需要考慮各自的產(chǎn)品特性,便于實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)相應(yīng);執(zhí)行的主要功能是對(duì)系統(tǒng)控制信息做出響應(yīng),常用的執(zhí)行設(shè)備包括:報(bào)警電話、手機(jī)短信、云臺(tái)、鏡頭和LED顯示屏等。執(zhí)行操作是各系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)而發(fā)作的指令,而不是單一的系統(tǒng)指令。
數(shù)據(jù)匯聚層:相比早期的數(shù)據(jù)匯聚[6],主要區(qū)別在于將異構(gòu)的各子系統(tǒng)的管理主機(jī)按照不同的接口標(biāo)準(zhǔn)連接起來,對(duì)上層而言,屏蔽了各子系統(tǒng)之間的差異,使上層對(duì)下層的管理透明。現(xiàn)有子系統(tǒng)控制主機(jī)均按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供統(tǒng)一的接口(RS232/RS485,usb等),部分子系統(tǒng)還提供IP、ZigBee和WiFi接口,可以通過不同的接入方式將控制主機(jī)接入局域網(wǎng)或Internet網(wǎng)絡(luò)。
網(wǎng)絡(luò)連接層:網(wǎng)絡(luò)連接層是探測器數(shù)據(jù)和控制信息傳輸?shù)拿浇?。利用Internet網(wǎng)絡(luò)的廣域連接能力,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸。
智能處理層:智能處理層是整個(gè)系統(tǒng)集成框架的核心,它的主要功能包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和多源數(shù)據(jù)的協(xié)同分析。通過在服務(wù)器上部署智能分析處理模塊,針對(duì)單一探測器的報(bào)警信息,調(diào)用相應(yīng)的功能模塊,對(duì)同一區(qū)域的其他探測器所采集的信息進(jìn)行綜合分析,實(shí)現(xiàn)異常事件的智能判斷。智能的綜合分析能力,也與早期的單一數(shù)據(jù)處理形成鮮明的對(duì)比。
應(yīng)用決策層:應(yīng)用決策層的主要功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理?;诰C合分析得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行決策,這樣執(zhí)行結(jié)果將更加準(zhǔn)確、有效[7]。用戶可以通過智能手機(jī)、平板電腦等遠(yuǎn)程監(jiān)控終端監(jiān)控和管理系統(tǒng),及時(shí)對(duì)于異常事件進(jìn)行決策處理。
“更智能、更快捷、更準(zhǔn)確、更方便、更有效”,這就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能安防系統(tǒng)結(jié)合后優(yōu)越性的集中體現(xiàn)。
按照以上思想,本文提出了一個(gè)將地波探測報(bào)警系統(tǒng)、防盜報(bào)警系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集成的方案(如圖3)。
圖3 系統(tǒng)集成連接圖Fig.3 System integration connection diagram
本文所提出的系統(tǒng)集成方案,其應(yīng)用背景為某全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位。如圖3所示,該系統(tǒng)將地波探測報(bào)警系統(tǒng)、防盜報(bào)警系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)集成。
本系統(tǒng)的感知執(zhí)行層包括地波探測器、被動(dòng)紅外報(bào)警探測器、煙感探測器、玻璃破碎探測器、雙鑒探測器、攝像機(jī)、紅外夜視儀、云臺(tái)、燈光、LED顯示屏和電視墻等。
測試時(shí),按照測試大綱,對(duì)各種探測器的靈敏度、探測距離、抗干擾能力和報(bào)警保持時(shí)間,對(duì)攝像顯示設(shè)備的清晰度、灰度等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明,感知執(zhí)行層的功能滿足設(shè)計(jì)要求。該層能夠正確地向數(shù)據(jù)匯聚層發(fā)出報(bào)警信息,同時(shí),能夠正確接受來自系統(tǒng)上層的命令,并執(zhí)行相應(yīng)的操作。
本系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯聚層將地波探測報(bào)警系統(tǒng)、防盜報(bào)警系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合收集,整合成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式用于系統(tǒng)集成。
測試時(shí),按照測試大綱,對(duì)各子系統(tǒng)的各種報(bào)警情況和執(zhí)行情況進(jìn)行了模擬。測試結(jié)果表明,數(shù)據(jù)匯聚層能夠正確接受各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)報(bào)文,并按要求整合了數(shù)據(jù),為系統(tǒng)上層的應(yīng)用提供了正確格式的報(bào)文,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接層,在圖3中對(duì)應(yīng)的為串口服務(wù)器。它設(shè)計(jì)有八個(gè)串行接口,兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口,三個(gè)USB接口。實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)連接的所有軟硬件功能。
測試時(shí),按照設(shè)計(jì)圖紙正確連接各相關(guān)設(shè)備后,啟動(dòng)模擬測試流程。測試結(jié)果表明網(wǎng)絡(luò)連接層能夠正確連接相關(guān)設(shè)備、各子系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)正常、信息交互無阻塞。
本系統(tǒng)的智能處理層能夠透明的處理網(wǎng)絡(luò)層傳遞來的數(shù)據(jù),按照設(shè)計(jì)策略進(jìn)行各子系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)。
測試時(shí),智能處理層給出的中間記錄文件表明,系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了規(guī)定的聯(lián)動(dòng)動(dòng)作,各子系統(tǒng)相互之間聯(lián)動(dòng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
本系統(tǒng)的應(yīng)用決策層通過注冊(cè)認(rèn)證、安全認(rèn)證等手段向智能處理層下達(dá)命令,同時(shí),分析處理下層發(fā)來的數(shù)據(jù)流信息,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。
測試表明,客戶端可在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下正確操作系統(tǒng),真正實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)智能安防系統(tǒng)集成。
本項(xiàng)目中,采用一套集成控制軟件作為整個(gè)安防系統(tǒng)的綜合管理平臺(tái)。管理軟件在對(duì)室內(nèi)及周邊防盜報(bào)警管理的同時(shí),可以通過通信接口實(shí)現(xiàn)與矩陣主機(jī)對(duì)接與集成。另外,通過對(duì)多路報(bào)警信息的協(xié)同分析,可以對(duì)異常事件的智能判斷和聯(lián)動(dòng)響應(yīng)。
在實(shí)際應(yīng)用測試中發(fā)現(xiàn):當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到異常事件時(shí),系統(tǒng)在對(duì)該報(bào)警信號(hào)進(jìn)行傳統(tǒng)的報(bào)警提示以及聯(lián)動(dòng)響應(yīng)(警報(bào)器、監(jiān)視器/LED屏警示等)的基礎(chǔ)上,對(duì)同一監(jiān)測區(qū)域其他探測器信息進(jìn)行協(xié)同分析,如果分析結(jié)果大于預(yù)先設(shè)定的閾值,則提升警示級(jí)別(除警報(bào)器、監(jiān)視器警示外,還可通過報(bào)警電話、短信等方式向更高級(jí)別管理人員發(fā)出警示信息)。所有的分析過程是在系統(tǒng)內(nèi)部集中完成,最后發(fā)出系統(tǒng)指令,操作人員可根據(jù)系統(tǒng)的綜合處理結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理。系統(tǒng)的綜合分析結(jié)果,也更接近與實(shí)際情況,對(duì)于合理的處理異常事件能起到很重要的指導(dǎo)作用。
測試結(jié)果表明:將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能安防系統(tǒng)的完美組合,在提升智能安防管理和安全保護(hù)的基礎(chǔ)上,也能反過來促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自身的發(fā)展。本系統(tǒng)集成方案,克服了傳統(tǒng)安防系統(tǒng)集成中需要大量線纜連接的弊病,使得系統(tǒng)集成的智能化程度得到了提高。
本文提出并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能安防系統(tǒng)集成方案。該方案以部署在監(jiān)控區(qū)域的各類探測器、攝像機(jī)等前端設(shè)備為感知執(zhí)行層,通過對(duì)各安防子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合形成數(shù)據(jù)匯聚層,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了將串行通信接口、USB接口和以太網(wǎng)接口一體化的網(wǎng)絡(luò)連接層,同時(shí),利用現(xiàn)有通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù),通過對(duì)探測信息、攝像機(jī)圖像等多源信息的協(xié)同分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)異常事件的智能判斷并執(zhí)行預(yù)定義聯(lián)動(dòng)響應(yīng),形成了與各子系統(tǒng)之間相互透明傳輸信息的智能處理層和決策應(yīng)用層,從而實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能安防系統(tǒng)集成。該方案已應(yīng)用到某全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位的安防監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)踐結(jié)果表明,該方案在系統(tǒng)部署、智能處理以及一體化控制方面具有較大的靈活性和良好的可擴(kuò)展性,能夠降低誤報(bào)率、提高智能安防系統(tǒng)的集成化水平。
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