基于物聯網的遠程視頻監控系統設計

余 雷,許宏科，胡 欣

(長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710064)

基于物聯網的遠程視頻監控系統設計

余 雷,許宏科，胡 欣

(長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710064)

物聯網技術在智能建筑行業的應用無處不在。該系統采用LABVIEW為開發軟件，設計以辦公樓為對象的視頻監控虛擬實驗系統，實現視頻監控安防系統的功能。系統具有仿真樓內各設備的運行及人員活動的實時監視和事后查詢功能；完成基于物聯網的遠程視頻監控虛擬實驗系統軟件的設計開發。系統的前端為視頻攝像輸入，后端是顯示、記錄和控制裝置。通過控制裝置對前端攝像機和后端顯示及記錄設備進行控制，實現對前端攝像機、鏡頭、云臺的控制，對后端顯示、記錄設備的控制，與入侵報警系統和火災報警系統的聯動控制，采用視頻數據文件回放技術，實現視頻監控數據的回放。

物聯網；視頻監控；智能建筑；虛擬實驗

0 引 言

隨著社會的迅速發展，視頻監控系統在社會的各個行業都得到了廣泛應用，尤其是在智能建筑領域，安防系統、停車場系統、消防控制系統等都有相關應用。視頻監控系統在日常生活、消防安防以及商業等領域的需求都在逐步增加。視頻監控系統也成為各行業重點部門或重要場所安防監控的物理基礎，管理部門可以通過視頻監控來獲取視頻圖像等信息，對發生的異常事件進行及時監視。

另外，隨著全球信息技術革命的深入和3G網絡的建設，“物聯網”(IOT)正逐漸成為各國構建經濟社會發展模式的先導領域。物聯網被稱為世界信息產業的第三次浪潮，同時也代表了下一代信息發展的方向。2011年以來“智慧城市”成為物聯網應用的熱點，而智能建筑也成為“智慧城市”的重要組成部分，通過與物聯網的結合，得以提升建筑的智能化水平。

文中試圖將物聯網技術和傳統的視頻監控系統相結合，用戶可以遠程使用互聯網進行遠程視頻監控，建立基于物聯網的遠程視頻監控系統。

1 物聯網與視頻監控系統

物聯網—“The Internet of Things”，顧名思義就是“實現物物相連的互聯網絡”。物聯網通過光學識別、射頻識別、傳感器、全球定位系統等技術，實時采集任何需要監控互動的物體或過程，實現物與物、物與人之間的鏈接。物聯網有兩個方面的內涵：一是物聯網的核心還是互聯網，是在互聯網基礎之上的延伸和擴展；二是用戶端延伸和擴展到了任何物品之間。物聯網通過在物體上部署具有感知能力的傳感器、射頻識別裝置(RFID)、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，使物體之間可以傳遞信息，以實現智慧化識別、定位、跟蹤、監控和管理。

智能建筑與物聯網的結合是大勢所趨，在物聯網的概念被廣泛接受以后，人們發現智能建筑中已經存在大量的物聯網技術。建筑智能化系統各終端設備經過傳感器網絡互相連接，構成了準物聯網形態或完全物聯網形態，比如現在正處于熱點的智能家居、網絡安防、建筑設備監控、三表合一等系統。智能建筑與物聯網的結合有一定的必然性。首先，智能建筑與物聯網相結合，將會促進智能建筑向著系統大集成大綜合方向深入發展；其次，物聯網技術與智能建筑相結合擴展了相應物聯網的應用范圍；最后，智能建筑與物聯網的結合可以促進智慧城市的發展。

在智能建筑層面物聯網形態如圖1所示。智能家居網絡連接智能建筑中各子系統，包括水電、家居安防、窗簾、遠程表具等。家居網絡可以是有線，也可以是無線，可以是TCP/IP網絡，也可以是非TCP/IP網絡。住戶和物業可以通過網絡訪問各種家居的智能控制。

圖1 智能建筑物聯網形態

視頻監控系統就是通過實時檢測來監控相應場景下的運動目標，并對其進行分析、定位、識別、跟蹤和行為理解。它借助計算機強大的數據處理功能，利用圖像處理、模式識別和計算機視覺等技術，抽取并分析視頻源中的關鍵信息，及時發現并處理監控場景下的異常情況。傳統的視頻監控系統無法實現遠程監控，當設備系統本身出現問題時也無法進行遠程檢測，而物聯網通過網絡可以實現遠程監測、遠程診斷等功能。

視頻監控系統經過了四代發展，從80年代的模擬閉路視頻監控系統過渡到21世紀數字化、網絡化和高清化的視頻監控系統。目前第四代智能視頻監控平臺主要通過海量的視頻數據進行智能視頻分析，正成為新的研究點和開發方向[1-6]。該平臺通過對原始的視頻圖像進行背景建模、目標檢測與識別、目標跟蹤等一系列分析，根據預先設計的安全規則來提取視頻源中的關鍵信息，變被動監控為主動監控，并通過網絡進行傳輸，由以前的事后分析變為現在的事中分析和預警，提高安全系統的反應速度。近年來，基于物聯網理念的視頻監控系統逐漸成為主流，智能監控平臺上利用感知技術與智能分析對對象進行自動感知識別。同時，視頻監控在物聯網技術中也變得無處不在，與其他子系統緊密融合，從而實現智能管理與決策。

在歐美等國，智能視頻監控項目的研究已有很多年[7-8]。美國國防高級研究項目署設立了以卡內基梅隆大學為首的多所大學參與的VSAM系統。該系統主要用于戰場和普通民用監控場景。美國ObjectVideo公司開發了一套視頻分析系統用于邊境安檢和入侵檢測。麻省理工學院開發的實時智能視頻監控系統Pfinder，可以在靜態復雜背景下對人體進行較為準確的實時跟蹤，并能夠克服短暫光照等干擾因素的擾動。倫敦大學的ADVISOR項目通過多攝像機協同監控有效進行公共交通系統管理。

在我國，智能視頻監控系統目前正處于發展階段，也有越來越多的高校和研究機構對此開展了大量的研究工作。中科院自動化研究所智能監控研究中心譚鐵牛帶領的研究組開發了VSTAR原型系統。該系統包括計算機視覺、模式識別、人工智能等，支持自動檢測和目標識別，可應用于智能交通中的交通視頻監控和行人視頻監控[9]。目前可支持無線網絡的智能視頻監控中移動式視頻監控系統正成為研究熱點。林承德等[10]研究了基于3G網絡的智能視頻監控系統；熊俊[11]、趙華軍等[12]開展關于移動式智能視頻監控系統的開發。隨著大數據的應用及云技術的發展，智能監控系統逐漸由傳統的集中式向網絡式過渡[13-18]，通過大數據和云計算強大的工作能力，實現對環境的快速響應。而且攝像頭也不再是單一的監控攝像頭，而是具有自主能力，能對環境做出反應和操作。移動協同式攝像頭能通過多個攝像頭之間的移動協同，相互配合，實現監控無死角，當有可疑目標時還能進行移動式跟蹤[19-20]。

物聯網技術和視頻監控系統相互發展，相互促進，使得兩者的結合研究目前正成為熱點。智能視頻監控系統使物聯網有了眼睛，物聯網使得智能視頻監控系統有了承載平臺，為平安城市添磚加瓦。

2 系統總體方案

根據實際的應用情況，按照功能模塊化的思想，該系統包含四個功能模塊：軟件登陸、視頻采集及圖像獲取、攝像機云臺控制、視頻文件播放。文中采用以LABVIEW為開發軟件、以辦公樓為對象的遠程視頻監控系統，實現視頻監控安防系統的功能。系統具有仿真樓內各設備的運行及人員活動的實時監視和事后查詢功能；完成視頻監控虛擬實驗系統軟件的設計開發。系統前端為攝像輸入，后端是顯示、記錄和控制裝置。通過控制裝置對前端攝像機和后端顯示及記錄設備進行控制，實現對前端攝像機、鏡頭、云臺的控制，對后端顯示、記錄設備的控制，與入侵報警系統和火災報警系統的聯動控制。采用視頻數據文件回放技術，實現視頻監控數據的模擬。

系統總體模塊構成如圖2所示。

圖2 系統總體結構圖

該遠程視頻監控系統總體思想是用視頻攝像頭對監控對象進行視頻捕獲，捕獲到的視頻信息采集到計算機，由計算機進行處理并保存，并能隨時調取播放采集的視頻文件，可以與消防系統進行聯動，對攝像機云臺進行控制。整個系統可分為如下幾個模塊：

(1)視頻采集模塊：由驅動攝像頭采集的程序部分對視頻進行采集，然后視頻處理程序對數據進行實時處理保存。

(2)云臺控制模塊：控制攝像機云臺的轉動，擴大監控的范圍，提高監控的質量。

(3)消防聯動模塊：發生入侵和火災時能和消防系統進行聯動。

(4)視頻播放模塊：采用視頻數據文件回放技術，實現視頻監控數據的模擬。

3 系統設計

3.1 視頻圖像采集與保存模塊

該視頻采集與保存系統子部分主要使用LABVIEW視覺與運動函數NI-IMAQ dx模塊，電腦需要安裝Vision Acquisition Software與Vision Development Module軟件，同時Windows 7中文操作系統以前版本還需另外下載ImaqDirectShowDll.dll文件，Windows 7中文操作系統以后版本由于系統中已經包含有電腦攝像頭驅動程序，故不需要另外安裝ImaqDirectShowDll.dll文件。

首選，通過IMAQ dx Open Camera子VI驅動打開電腦攝像頭，再通過IMAQ dx Configure Grab VI配置和開始采集圖像，然后通過IMAQ dx Sequence VI配置、啟動、獲取、停止和取消配置一系列采集。通過IMAQ dx Snap VI：配置、啟動、獲取和取消配置單元采集。通過IMAQ dx Close Camera VI：停止圖像獲取，釋放獲取圖像所占用的資源并關閉相機。

可以通過使用Image Display控件顯示抓取到的圖像。但是這樣并不能將連續的圖像壓縮后存為視頻文件，只能顯示所捕獲的圖像，沒辦法構成一個完整的圖像采集系統。

在LABVIEW中，一般通過IMAQ AVI Create，IMAQ AVI Write Frame，IMAQ AVI Close 等子VI來實現對AVI格式視頻文件的壓縮保存。首先通過AVI Create子VI實現初始化，然后通過while外循環實現AVI的保存路徑及編碼器名稱，在while內循環中就可以將捕獲到的每一幅圖像通過IMAQ AVI Write Frame寫入AVI文件幀中。另外要特別注意IMAQ AVI Create子VI中要設置視頻編碼的方式。AVI文件格式是由微軟公司推出的通用視頻格式，它可以采用不同的編碼器進行編輯，所以一般采用該格式。為了獲取不同的解碼器名稱，使用LABVIEW自帶的IMAQ AVI Get Filter Names子VI來實現。

視頻采集與保存模塊程序框圖見圖3(a)。

圖3 視頻采集與保存模塊及攝像頭轉動控制程序框圖

3.2 攝像頭控制模塊

在智能建筑視頻監控系統中，攝像頭的轉動增大了視頻監控的范圍，提高了監控的有效性，同時也相對節約了視頻監控系統的成本。文中攝像頭轉動子模塊的設計主要包括攝像頭轉動手動與自動功能的切換控制，圖像的對應移動顯示和畫面的切換等功能。攝像頭轉動控制程序框圖見圖3(b)。

3.3 報警聯動模塊

智能建筑視頻監控系統本身并不具有自動消防的功能，但是在監控范圍內，監控人員可以通過監控畫面第一時間發現火災隱患和可疑人員入侵，因此視頻監控與報警聯動的實現特別重要。該模塊的設計思路是當火災發生或有可疑入侵發生時，監控人員通過視頻顯示發現，同時啟動視頻監控的報警聯動子模塊進行警報，并啟動相應的消防或者安防的設施。報警聯動模塊框圖見圖4。

圖4 報警聯動模塊框圖

3.4 視頻回放模塊

視頻文件調取播放模塊子程序設計，一方面調取電腦中安裝的視頻播放軟件，另一方面獲得電腦中存儲的視頻文件進行播放。如圖5(a)所示，如果要訪問ActiveX容器中對象的屬性與方法，則需要通過屬性節點和方法節點。通過ActiveX容器，用戶就能直接將ActiveX容器與屬性節點或方法節點進行連接來訪問其屬性和方法。

在LABVIEW中，主要在VI的前面板上嵌入ActiveX對象實現與LABVIEW控件交互。在ActiveX容器中可以插入Media player控件實現視頻回放。

4 系統調試

打開軟件并連接攝像頭，運行界面見圖5(b)。在遠程監控模塊中，攝像頭將視頻圖像傳輸到控制主機，控制主機再將視頻信號分配到各監視器及錄像設備，同時可將需要傳輸的信號同步錄入到錄像機內。通過控制主機，操作人員可發出指令對云臺的動作進行控制，并可通過控制主機實現在多路攝像機及云臺之間的切換。

圖5 視頻回放框圖和系統整體界面

輸入模塊：包括自動輸入和手動輸入。自動輸入是攝像機自動轉動采集數據作為輸入；手動輸入包括控制攝像機轉動采集數據。無論是自動還是手動控制，該攝像機的鏡頭都會轉動來采集數據。

控制模塊：包括手/自動切換，攝像頭方向的控制，畫面切換，畫面靜止，畫面休眠。

當切換到自動擋時，攝像頭會自動轉動，此時顯示部分能看出攝像頭的轉動，以及畫面的變化，一般情況下都處于自動狀態。當切換到手動擋時，則需要利用方向按鈕來控制攝像頭的旋轉，從而顯示出不同位置的畫面。控制畫面的按鈕又包括畫面靜止和畫面休眠兩種。當點擊畫面靜止按鈕時，將會看到顯示部分的畫面處于靜止狀態，方便人們對此時的畫面進行仔細觀察，當再次點擊該按鈕時，畫面將繼續變化。當不需要看監控畫面時，為了節電可以點擊畫面休眠按鈕，使畫面處于休眠狀態，當有需要時，再次點擊該按鈕則又會出現監控畫面，利用該按鈕既可以節能，也不影響視頻監控的效果。在該部分還可以進行對畫面的切換，點擊切換按鈕，顯示部分則會出現不同監控區域的監控畫面，如：點擊切換按鈕切換到“樓道”，在顯示部分則會出現樓道的畫面(見圖6)。

5 結束語

文中系統采用LABVIEW為開發軟件，設計了以辦公樓為對象的基于物聯網遠程視頻監控系統，實現視頻監控安防系統的功能。系統具有仿真樓內各設備的運行及人員活動的實時監視和事后查詢功能；完成視頻監控虛擬實驗系統軟件的設計開發。

圖6 遠程視頻監控系統圖

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Research on Long-distance Video Monitoring Based on Internet of Things

YU Lei,XU Hong-ke,HU Xin

(School of Electronic and Control Engineering,Chang’an University, Xi’an 710064,China)

The Internet of Things technology is widely used in intelligent building industry.The system takes LABVIEW as the development software,design of virtual experiment system based on office building for video monitoring,implementation of video surveillance system.Real-time monitoring system can be used for simulation of building equipment operation and staff activities and subsequent query function,achieving design and development of virtual experiment system software for video monitoring based on Internet of Things.System front-end is camera input and the back-end is device for displaying,recording and controlling.The control device realizes the control for the front camera and the back-end device of displaying and recording,implementation of control for the front camera,lens,and PTZ,and the back-end device of displaying and recording,and linkage control with intrusion alarm system and fire alarm system.The video data file and playback technology is used to realize analog video monitoring data.

Internet of Things;video monitoring;intelligent building;virtual experiment

2015-07-01

2015-10-14

時間：2016-03-22

中央高校基本科研項目(2013jm8017)；歸國留學人員科研啟動項目(2013C0320118)；陜西省社會發展科技攻關項目(2013 B0320181)；陜西省自然科學基金項目(2014G1321039)

余 雷(1975-)，男，講師，研究方向為物聯網、控制科學與工程。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160322.1519.042.html

TP302

A

1673-629X(2016)04-0139-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.04.031