基于ODMA網絡的樓宇環境監測系統設計

田曉燕，陳 雷，劉志強

(1.河北大學電子信息工程學院，河北保定071002;2.中國通信建設集團設計院有限公司(第一分公司)，河北保定071000)

樓宇環境監測是樓宇自動化的重要組成部分，主要對樓宇溫度、濕度、煙感等環境信息進行監測，同時針對樓宇出入口、內部過道以及一些重要場所人員出入情況進行采集，必要情況下進行自動報警。目前，在市場中占據主導地位的監測系統絕大多數還是采用傳統的有線方式，存在布線復雜、監控范圍受環境制約大、可擴展性小等缺點。無線通信技術在樓宇監測領域的應用以WiFi為主，然而每一個WiFi熱點都需要通過有線方式接入Internet，使其應用受到一定的限制，如室外等特殊場所很難部署、可移動性差、覆蓋范圍小等。

ODMA是一種無線自組網技術，第三代合作伙伴項目(3rd Generation Partnership Project，3GPP)把其定義為一種Ad-hoc多跳中繼協議。ODMA物理層采用802.11g協議，數據傳輸速率為0～54 Mbit/s［1-3］。ODMA網絡是由一組帶有無線收發裝置的節點組成的一個臨時性多跳自治系統，網絡構建不需要基站，其組網靈活、多跳通信、智慧選徑、易于擴展等特性完全具備在樓宇環境監測中應用的特點。本文設計了基于ODMA網絡的樓宇環境監測系統，通過搭建合理的ODMA通信網絡平臺，結合樓內現有的Internet網絡，實現視頻與溫度、濕度、煙霧、火焰環境信息的采集與傳輸;利用LabView軟件完成上位機設計，實現參數設置、信息的存儲與顯示、本地及遠程報警功能;通過利用圖像處理算法，實現了目標入侵智能檢測，完成重要場所人員出入情況的采集、統計。

1 系統組網方案

本系統由上位機服務器、本地資源管理系統(Local Resource Management System，LRMS)、ODMA設備及采集節點構成。考慮到ODMA網絡進行無線多跳通信時，跳數越多，信號衰減越大、延時越大，同時多樓層通信時由于樓板的阻礙會使信號有較大的衰減，所以不同樓層之間的通信利用現有的Internet完成。系統組網方案如圖1所示。

圖1 監測系統組網方案

ODMA設備包括A、B和CD三種，硬體均采用華碩RTN56U，區別在于內置軟件算法不同。A代表Access，為接入設備，可實現攝像頭、PC機、信息采集點或其他終端設備的接入。該設備為一種ODMA-WiFi設備，提供有線接入和WiFi接入兩種方式，終端設備可以以有線方式和A相連接入ODMA網絡，也可以利用WiFi以無線方式通過A接入ODMA網絡。B代表Seed，為中繼設備，實現ODMA網絡接力通信的功能，B同A及其他B之間實現MAC層的無線通信。CD代表Concentrator和Gateway，為協議轉換和網關服務器，它以有線方式上行至以太網，并下掛多個B設備，將B傳輸的MAC層數據轉換為TCP/IP協議包。B與CD之間的有線帶寬最高可達千兆，ODMA網絡容量的擴充可通過增加CD下掛的B來實現。

上位機服務器完成系統參數設置、采集數據的存儲和分析等功能，必要時進行本地和遠程報警。

LRMS為ODMA網絡管理系統，可實現不同CD之間信息的互通，并對整個網絡中各個節點的運行狀況進行監測。

2 樓宇環境監測系統的實現

2．1 系統總體結構

基于ODMA的樓宇環境監測系統實現結構如圖2所示。

圖2 監測系統實現結構

系統主要由4個部分組成:多傳感器數據采集模塊、視頻采集模塊、上位機和GSM模塊。系統通過多傳感器采集模塊采集室內環境信息(溫度、濕度、火焰和煙霧)，通過攝像頭采集視頻信息，再將采集到的信息通過ODMA網絡送至上位機，由LabView監控終端接收、存儲和分析，實現環境和視頻信息實時監控。平臺可以實現各環境參數的臨界點設置，必要情況下進行現場報警，同時通過GSM模塊向客戶端發送報警短信實現遠程報警。

2．2 環境數據采集單元

環境數據采集單元屬于樓宇監測系統的終端末梢設備，負責完成各監測節點的溫度、濕度、火焰和煙霧的實時監測及網絡數據傳輸［4］。

系統采用W7100A作為控制器，嵌入硬件TCP/IP協議棧，可以實現基于 TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP和 IGMP等協議的以太網通信功能。同時，W7100A芯片包含一個單片機MCU內核，該內核與8051單片機兼容。W7100A可以保證遠程通信的可靠性和穩定性，傳輸速率為30 Mbit/s，可廣泛用于各種信息采集，環境監測和遠程信息傳輸等領域。在本系統中，MCU實現數據處理的功能，即控制溫度傳感器、濕度傳感器、火焰傳感器和煙霧傳感器采集數據并與TCP/IP內核進行數據交換;TCP/IP內核完成數據傳輸的功能:收發網絡數據以及與MCU交換數據。

溫度傳感器選用DS18B20探頭，單總線連接方式，測量分辨率可達2-4℃;濕度傳感器選用DHT11，測量分辨率為1%RH;煙霧傳感器采用MQ-2，使用數字開關量輸出接口DO，煙霧濃度未達到設定閾值時輸出為高電平，超過閾值時輸出為低電平;火焰傳感器采用遠紅外火焰探頭，靈敏度可調，也采用數字開關量DO輸出。

環境信息采集主要分為兩個等級:溫濕度信息采集時間間隔5 min;火焰、煙霧監測采集時間間隔5 s。如果當前監測到異常數據，監測節點會將該事件的數據、類別、時間等相關信息及時上傳至監控中心進行報警。定時采集的數據由當前節點CPU直接保存至EEPROM，監控中心可隨時進行歷史數據讀取。

環境信息采集流程如圖3所示。

圖3 環境信息采集流程圖

2．3 視頻采集單元

鑒于ODMA網絡有足夠帶寬，因此在視頻方面優先采用高清監控方案。采用了海康威視公司的DS-2CD2312(D)-I型高清網絡半球形攝像機，該攝像機為130萬像素日夜型高清網絡相機，最高可輸出720p實時視頻，同時配有點陣式紅外燈方便夜間照明。該相機支持二次開發，可通過相機提供的SDK接口函數，將攝像機接入本系統。

本系統除了傳統視頻監控功能外，還增加了目標入侵智能識別告警功能，即在樓道、室內等重要區域布防，通過圖像識別技術，發現入侵目標后進行抓圖，同時生成圖像索引，放入數據庫中存檔，方便事后查閱，同時完成人員出入情況的統計。本系統視頻部分流程如圖4所示。

圖4 視頻采集流程圖

其中，高清網絡攝像機輸出的經H.264編碼的視頻流通過網絡送到本地終端，本地終端通過網絡處理模塊進行視頻流接收，同時調用SDK接口函數中的解碼函數，對視頻流進行解碼，得到YV12格式的原始圖像。對于原始圖像，系統調用智能圖像分析算法模塊，對圖像進行目標入侵分析。本系統采用了混合高斯背景建模(GMM)對原始圖像進行背景建模和前景目標檢測［5-7］;對檢測到的目標采用了Mean-Shift方法進行跟蹤［8-10］，一旦發現目標侵入布防區域，即調用SDK中的抓圖函數，抓取當前幀圖像，存成JPG格式文件，并生成圖像索引，放入數據庫中存檔。最后，對解碼后的YV12格式的原始圖像，轉換成RGB格式圖像，并在終端進行顯示。系統配置模塊一方面可配置智能圖像分析算法模塊的參數，另一方面可調用相關SDK函數，來配置前端高清攝像機的采集參數。

2．4 基于LabView的環境監測與智能視頻綜合平臺

系統上位機的設計基于LabView軟件完成，主要包含8項功能［11］:

1)通信測試，測試上位機及上位機與下位機間的通信是否正常;

2)參數設置，對環境變量的閾值、數據庫文件存儲路徑、攝像機采集參數等進行設置;

3)ODMA網絡配置，完成ODMA網絡的連接配置，搭建合理的ODMA網絡;

4)環境監測，對溫度、濕度、煙霧和火焰信息進行實時監測與顯示;

5)視頻監控，實時顯示視頻監測點的視頻;

6)入侵檢測，對入侵監測圖像文件進行查詢、顯示;

7)報警管理，通過蜂鳴器進行本地報警，并通過GSM模塊實現遠程報警，同時對報警信息進行顯示，并對處理結果進行反饋;

8)數據庫管理，對采集到的環境信息、入侵檢測信息及報警信息進行存儲、查詢，必要時對數據進行統計、生成報表等。

3 系統測試

本系統在河北大學新校區C2樓一樓過道、一樓ODMA實驗室、一樓現代通信網綜合實驗室、二樓資料室、二樓實驗室A、二樓實驗室B進行實際組網測試，對系統性能、可靠性、穩定性進行驗證。

通過LRMS內嵌的Web服務器可完成ODMA網絡配置，并能實時觀測網絡中各節點的在線情況，如圖5a、5b所示。多路視頻實時預覽，不丟幀、不跳幀、播放流暢，如圖5c所示。通過環境監測可實現監測點的溫度、濕度、火災、煙霧的實時檢測，并實現與視頻的聯動，當出現異常報警時，彈出視頻監控畫面，如圖5d、5e所示。通過越線監測完成人員出入情況的統計，如圖5f所示。

圖5 系統測試結果(截圖)

4 總結

本文將ODMA網絡與樓宇內現有Internet相結合，搭建了樓宇環境監測系統，既充分利用了ODMA網絡組網靈活的特點，又避免了多樓層通信信號衰減大的問題，實現了監測點視頻與溫度、濕度、煙霧、火焰環境信息的采集與傳輸。利用LabView軟件完成上位機設計，實現參數設置、信息的存儲與顯示、本地及遠程報警功能。通過利用圖像處理算法，實現了目標入侵智能檢測，完成重要場所人員出入情況的采集、統計。

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