智能小區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

蔣潤(rùn)青 丁富強(qiáng) 李戰(zhàn)克 周敏杰

摘 要：目前小區(qū)存在著安全問(wèn)題，加之小區(qū)需要對(duì)用戶進(jìn)行科學(xué)化管理，及時(shí)了解小區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的安全問(wèn)題，以便快速做出反應(yīng)，制定相關(guān)處理策略，這就需要在整個(gè)小區(qū)內(nèi)建立智能安防系統(tǒng)。文章從智能化入手，基于當(dāng)今科技發(fā)展水品，探究了智能小區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：智能小區(qū)；安防監(jiān)控；設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；科學(xué)管理

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）06-00-03

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們生活水平隨之提高的同時(shí)，居住環(huán)境的安全性逐漸成為大眾關(guān)注的焦點(diǎn)。依據(jù)中國(guó)現(xiàn)狀，大多數(shù)城市居民都以小區(qū)為單位進(jìn)行娛樂(lè)活動(dòng)或身體鍛煉，小區(qū)不僅為廣大居民提供了開(kāi)闊舒適的休閑場(chǎng)所，其安防系統(tǒng)也擔(dān)負(fù)著保護(hù)小區(qū)居民人身安全與財(cái)產(chǎn)安全的重任，因此文章研究設(shè)計(jì)了智能小區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)。

1 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 紅外檢測(cè)模塊

紅外檢測(cè)模塊是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分，它布置在潛在的入侵入口處，采用光束紅外對(duì)射器檢測(cè)非法入侵。其可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集錄入，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)有線或無(wú)線的連接方式傳輸?shù)綀?bào)警主機(jī)。報(bào)警主機(jī)是檢測(cè)部分的關(guān)鍵控制部分，用來(lái)與傳感器通信，以獲取相關(guān)信號(hào)，并根據(jù)內(nèi)置檢測(cè)算法進(jìn)行相應(yīng)的入侵判斷從而發(fā)出相應(yīng)警報(bào)。

紅外對(duì)射器的工作原理是基于監(jiān)測(cè)射光線的變化情況，從而識(shí)別判斷不同的入侵狀況。非法入侵的物體通過(guò)對(duì)射器時(shí)，會(huì)遮擋對(duì)射光線，導(dǎo)致對(duì)射器感應(yīng)的信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)變化，這樣的波動(dòng)信號(hào)由相應(yīng)的信號(hào)處理模塊處理，然后將綜合信號(hào)傳輸給主機(jī)，主機(jī)根據(jù)自身算法，通過(guò)相應(yīng)處理之后，將信號(hào)傳給數(shù)據(jù)處理中心。

系統(tǒng)采用紅外傳感器對(duì)外界入侵進(jìn)行檢測(cè)，以充分適應(yīng)夜晚光照弱的環(huán)境。獲取紅外信號(hào)后，系統(tǒng)通過(guò)總線傳輸?shù)郊t外報(bào)警主機(jī)。

必須保證紅外傳感設(shè)備的持續(xù)通聯(lián)。讓主機(jī)周期性地向紅外設(shè)備發(fā)送keep-alive信息，紅外進(jìn)行相關(guān)應(yīng)答。當(dāng)報(bào)警主機(jī)發(fā)生配置變化或設(shè)備出現(xiàn)意外狀況時(shí)，主機(jī)可以利用繼電器聯(lián)動(dòng)控制視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行視頻監(jiān)控。主機(jī)發(fā)送keep-alive的心跳信號(hào)后，如果在1秒內(nèi)沒(méi)有收到響應(yīng)，則會(huì)重新發(fā)包，直到得到響應(yīng)為止。如果在一定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到反饋（系統(tǒng)設(shè)為5秒），超時(shí)后則認(rèn)為傳感器掉線。在實(shí)際情況中，我們?cè)诩t外傳感器和主機(jī)之間采用UDP的方式通信，紅外設(shè)備偵聽(tīng)具體的UDP端口，針對(duì)主機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的應(yīng)答。

1.2 視頻檢測(cè)模塊

視頻檢測(cè)模塊布置在小區(qū)的各出入口、停車場(chǎng)出入口、小區(qū)的主要通道以及小區(qū)的其他重要公共場(chǎng)所。視頻檢測(cè)模塊主要由終端的一組或多組監(jiān)視器構(gòu)成。通過(guò)這些分布在各個(gè)點(diǎn)的攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò)，組成了極其復(fù)雜的“智能虛擬墻”。當(dāng)有非法物體入侵虛擬墻時(shí)，攝像機(jī)會(huì)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，觸發(fā)警報(bào)。把警報(bào)傳達(dá)給更高級(jí)的視頻設(shè)備和視頻系統(tǒng)，如PTZ攝像機(jī)和高速球機(jī)，這些系統(tǒng)更加復(fù)雜和智能，可以對(duì)入侵物體進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，有利于罪證采集和對(duì)犯罪分子的控制。

攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集各個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，所采取的視頻檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)就是圖像分析技術(shù)。對(duì)于一個(gè)動(dòng)態(tài)圖像處理模塊的輸入而言，即一組時(shí)間上離散的圖像序列。由于運(yùn)動(dòng)的圖像原本在時(shí)間上是連續(xù)的，故可利用移動(dòng)連貫性的特征來(lái)做一些預(yù)判和假設(shè)。先驗(yàn)的預(yù)判和假設(shè)有助于降低模塊計(jì)算的復(fù)雜度，進(jìn)而達(dá)到降低成本和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的目的。

攝像機(jī)攝錄到的視頻信號(hào)是時(shí)間和空間二維維度上的復(fù)雜信號(hào)。在各種各樣的傳感信號(hào)中，圖像信號(hào)是最復(fù)雜的，數(shù)據(jù)量也是最大的。對(duì)于采集到的圖像數(shù)據(jù)，高效的圖像分析技術(shù)是實(shí)現(xiàn)解析和識(shí)別的必要手段。在攝像機(jī)不停采集信號(hào)的過(guò)程中，相關(guān)的信號(hào)也隨時(shí)間的推移快速增長(zhǎng)?；趫D像信號(hào)在時(shí)間維度上的相關(guān)特性，其可以實(shí)現(xiàn)壓縮處置功能。對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體的圖像信號(hào)，幀數(shù)的選取也非常重要，需要權(quán)衡儲(chǔ)存復(fù)雜度和效率，而這也是系統(tǒng)中的難點(diǎn)。

在處理運(yùn)動(dòng)圖像信息時(shí)，一般涉及到4個(gè)步驟的處理，分別為預(yù)處理、目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)識(shí)別和目標(biāo)追蹤。

當(dāng)通過(guò)基本的分析模塊分析完成后，把分析結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊。整個(gè)通信過(guò)程建立在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之上，而通過(guò)采用TCP/IP技術(shù)，通訊互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸范圍更加具有魯棒性。

通過(guò)Socket將圖像攝錄器材和視頻處理單元連接上。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采集設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)給視頻處理單元時(shí)，需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的差錯(cuò)控制，將錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)忽略。

1.3 無(wú)線射頻模塊

除了靜態(tài)的紅外對(duì)射器和攝像頭外，我們還布置了動(dòng)態(tài)的巡更系統(tǒng)。建議巡更系統(tǒng)在小區(qū)保安管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上對(duì)保安配置無(wú)線射頻模塊。具體來(lái)說(shuō)，每個(gè)保安都會(huì)攜帶無(wú)線手持巡查器。在保安的巡邏過(guò)程中，保安會(huì)到各處的刷卡點(diǎn)進(jìn)行巡視，然后及時(shí)把相關(guān)的巡視信息通過(guò)無(wú)線系統(tǒng)發(fā)送給控制中心進(jìn)行處理。

在車輛管理單元中，無(wú)線射頻模塊不可或缺。讀寫器通過(guò)讀取電子標(biāo)簽，將數(shù)據(jù)傳給相關(guān)處理單元，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析，如果出現(xiàn)非法狀況，將發(fā)出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的報(bào)警信號(hào)。

射頻模塊在該系統(tǒng)的構(gòu)成中扮演著重要的角色，具體分為設(shè)備管理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、通信保障模塊、過(guò)濾模塊、設(shè)備管理模塊5個(gè)子單元。設(shè)備管理單元：該單元管理讀寫器的部分。設(shè)備管理模塊的主要作用在于完成讀寫器的設(shè)置，讀取、寫出讀寫器的狀態(tài)；處理數(shù)據(jù)單元：該單元用以整合讀寫器的數(shù)據(jù)；過(guò)濾數(shù)據(jù)單元：該單元對(duì)數(shù)據(jù)處理單元獲取的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性、冗余、行為和規(guī)則濾除。它將增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可用性；通信服務(wù)單元：該單元的基本功能為在網(wǎng)絡(luò)層之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。該安防監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求高，使用環(huán)境復(fù)雜。通信保障單元需要保證連接在不同類型、對(duì)象、時(shí)間和方式下，都能順利地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我們實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的通信接口，方便上層調(diào)用。

系統(tǒng)內(nèi)之所以設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)管理單元，其目的在于更大程度的體現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的使用效果。擬達(dá)到期望數(shù)據(jù)調(diào)取的速度和效率盡可能地高?；谠搯卧脩艨梢赃M(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)以及數(shù)據(jù)的緩存操作。其中，數(shù)據(jù)緩存是把常用的數(shù)據(jù)緩存起來(lái)，后面的請(qǐng)求直接返回緩存的數(shù)據(jù)。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)使查詢數(shù)據(jù)庫(kù)的效率得到了很大的提升。

2 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

依據(jù)前文所述，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程包含大規(guī)模的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存過(guò)程。所以應(yīng)當(dāng)從數(shù)據(jù)庫(kù)整體的層面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

在SQLServer2005平臺(tái)中，數(shù)據(jù)庫(kù)引擎保障了結(jié)構(gòu)化與關(guān)系型數(shù)據(jù)的有效儲(chǔ)存，不管是安全性，還是可靠性都相對(duì)較高，很少出現(xiàn)錯(cuò)誤。其用戶管理接口簡(jiǎn)潔方便，上手容易。除此之外，它還具有較好的并行處理性能，貼切地滿足了本系統(tǒng)的各項(xiàng)需求。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存流程需要良好的控制。首先初始化系統(tǒng)，然后根據(jù)需求判斷是否需要額外建立新的表格，其次判斷系統(tǒng)是否有數(shù)據(jù)需要更新，如果需要更新，則將數(shù)據(jù)解包，然后寫入相關(guān)的數(shù)據(jù)表中。最終完成數(shù)據(jù)庫(kù)的有關(guān)操作。

本系統(tǒng)共計(jì)包含3個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)需求，分別為管理員需求、報(bào)警圖片與數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存要求、歷史文件查詢需求。

（1）管理員需求

①管理員先輸入密碼，認(rèn)證成功后進(jìn)入系統(tǒng)，觀察監(jiān)測(cè)視頻信息，也可以根據(jù)需求將歷史報(bào)警圖像打印出來(lái)，或者進(jìn)行相關(guān)圖像內(nèi)容的下載。

②VIP管理員的系統(tǒng)使用權(quán)限是最大的，可以進(jìn)行很多系統(tǒng)操作。

（2）報(bào)警圖片與數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存要求

①在拍攝到視頻檢測(cè)圖像之后，系統(tǒng)會(huì)將這些文件進(jìn)行儲(chǔ)存，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)儲(chǔ)存的信息主要有視頻的路徑、起始時(shí)間、文件信息、拍攝裝置信息參數(shù)等。

②如果視頻中發(fā)生了違規(guī)事件，那么智能分析系統(tǒng)會(huì)將該部分圖片儲(chǔ)存起來(lái)，并且詳細(xì)記錄違規(guī)事件的儲(chǔ)存路徑、事件類型、拍攝時(shí)間以及拍攝設(shè)備信息參數(shù)等。

（3）歷史文件查詢需求

①管理員能夠根據(jù)需求對(duì)報(bào)警信息及圖片進(jìn)行查詢或打印，查詢打印方法主要有報(bào)警事件類型及事件發(fā)生區(qū)域等。

②管理員在系統(tǒng)中輸入視頻的位置信息、事件信息以及拍攝設(shè)備參數(shù)信息等。

2.2 報(bào)警事件信息過(guò)濾

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接處理后產(chǎn)生的報(bào)警信息不準(zhǔn)確，里面含有大量重復(fù)、無(wú)效和誤報(bào)的信息，因此本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了過(guò)濾模塊，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的解析與排隊(duì)過(guò)程。然后通過(guò)規(guī)則匹配器對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行篩選，最終得到合適的報(bào)警信息，傳給接下來(lái)的模塊作進(jìn)一步的處理。如何合理有效地設(shè)定報(bào)警信息的過(guò)濾原則非常重要，在系統(tǒng)里，我們只接受順利排隊(duì)的信息。報(bào)警信息的解析步驟進(jìn)行時(shí)要注意應(yīng)先從接受隊(duì)列中提取信息，然后通過(guò)IP地址和通信號(hào)來(lái)判斷報(bào)警是否合法。若合法，信息才會(huì)順利排隊(duì)。

2.3 報(bào)警事件類別判定與處理

對(duì)于報(bào)警事件類別的判定過(guò)程是，首先收集經(jīng)濾除虛假和干擾信息后的報(bào)警資料消息，在綜合其余各采集數(shù)據(jù)單元的即時(shí)狀態(tài)，與前期設(shè)計(jì)好的警情判斷標(biāo)準(zhǔn)來(lái)比較辨別和認(rèn)定，其流程為：首先從隊(duì)列中讀取相關(guān)的報(bào)警信息，然后通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索，判斷是否是重復(fù)的冗余報(bào)警信號(hào)。當(dāng)報(bào)警信號(hào)第一次出現(xiàn)，應(yīng)該結(jié)合報(bào)警準(zhǔn)則完成匹配，之后才可以聯(lián)合控制管理報(bào)警。最后系統(tǒng)將相關(guān)的報(bào)警信息儲(chǔ)存在歷史信息中，供之后查看與分析。

3 監(jiān)控管理子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控管理子系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)良好的用戶接口，本文采用C#語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控管理界面的要求。在所有的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言中，C#為代表性較高的語(yǔ)言，其具有簡(jiǎn)單、面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)。

3.1 管理主界面設(shè)計(jì)

管理端可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的配置，同時(shí)把完成配置的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，系統(tǒng)模塊就可以從數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)調(diào)用這些信息。設(shè)置信息也有很多，比如用戶管理、報(bào)警設(shè)置以及服務(wù)器設(shè)置等，用戶在這個(gè)過(guò)程中僅僅完成管理端的管理工作。

主控界面主要包含登錄注冊(cè)，信息設(shè)置，系統(tǒng)幫助等功能界面。

新用戶需要在管理員的授權(quán)之下注冊(cè)，然后才可以登錄系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)設(shè)置了一些出錯(cuò)處理機(jī)制與容錯(cuò)處理機(jī)制，具體功能可以查看測(cè)試部分。如果用戶可以登錄本系統(tǒng)，系統(tǒng)將呈現(xiàn)給用戶一個(gè)監(jiān)控管理界面。

當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)報(bào)警或預(yù)警時(shí)，采集并保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這些將會(huì)顯示在監(jiān)控管理模塊中，包括報(bào)警事件顯示單元和報(bào)警位置顯示單元。

當(dāng)收到報(bào)警信息后，首先系統(tǒng)會(huì)解析報(bào)警設(shè)備的id號(hào)，并關(guān)聯(lián)查詢到相關(guān)防區(qū)的信息和報(bào)警用戶的信息。接著，系統(tǒng)將報(bào)警事件資料記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)在用戶界面（UI）中顯示現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)情況。根據(jù)我們查詢的報(bào)警相關(guān)信息，顯示相關(guān)報(bào)警位置，并且播放聲音提示。之后激活系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)設(shè)備，完成詳細(xì)地檢測(cè)與處理過(guò)程。本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)控管理系統(tǒng)包含操作員管理、用戶管理、系統(tǒng)管理3個(gè)部分。管理員的權(quán)限有很多，比如實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻、查詢與打印歷史視頻信息、下載所需視頻圖像信息等。除此之外，管理員還可進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的多種操作，比如刪除、管理監(jiān)控裝置的區(qū)域信息與名稱等。

3.2 Web服務(wù)器端軟件實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器端的作用在于得到完成配置的設(shè)備數(shù)據(jù)，將圖像信息傳遞給客戶端，并且進(jìn)行事件報(bào)警，服務(wù)器端還可以對(duì)客戶端的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，比如用戶權(quán)限、連接通道及IP等。

服務(wù)器端采用TCP偵聽(tīng)。首先初始化視頻監(jiān)控設(shè)備（各種類型的攝像頭）以及網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)，開(kāi)啟視頻監(jiān)控服務(wù)。之后視頻設(shè)備采集視頻信息，并且捕捉所需信息，接收來(lái)自客戶機(jī)的用戶請(qǐng)求。如果服務(wù)器端與客戶端形成了連接，那么服務(wù)器端能夠進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)傳輸，將視頻數(shù)據(jù)傳遞給客戶端。若一直有監(jiān)控任務(wù)，就一直傳輸數(shù)據(jù)。如果終止了監(jiān)控任務(wù)，服務(wù)器則徹底關(guān)閉Socket，結(jié)束視頻采集線程，關(guān)閉相關(guān)采集硬件。

3.3 客戶端軟件實(shí)現(xiàn)

客戶端結(jié)合用戶輸入的用戶名與密碼，確定用戶的權(quán)限信息，然后將配置數(shù)據(jù)裝載到客戶端。服務(wù)器與客戶端的TCP連接的主要過(guò)程：用戶首先創(chuàng)建Socket通信，確定合適的服務(wù)器端口號(hào)與主機(jī)地址。接著兩者進(jìn)行三次握手通信連接，數(shù)據(jù)傳輸在此后開(kāi)始。最后完成數(shù)據(jù)傳輸，客戶端將TCP連接關(guān)閉。不管是用普通PC還是手機(jī)終端作為客戶端，當(dāng)已注冊(cè)用戶成功登錄客戶端之后，程序開(kāi)啟視頻處理線程，在網(wǎng)絡(luò)連接良好的情況下，建立遠(yuǎn)程請(qǐng)求；在成功建立TCP連接之后，就可以接收?qǐng)D像并顯示于終端。當(dāng)監(jiān)控終止時(shí)，視頻線程也將被終止，客戶端訪問(wèn)結(jié)束。

系統(tǒng)以一定的時(shí)間間隔查詢報(bào)警消息隊(duì)列，如果發(fā)現(xiàn)警情消息，則開(kāi)始解析。首先判斷消息是否合法有效。然后從數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)調(diào)用數(shù)據(jù)信息，也可以調(diào)用報(bào)警事件的時(shí)間信息。如果有相關(guān)的報(bào)警圖像信息，則根據(jù)報(bào)警類型，將相關(guān)的圖像信息顯示在控制的軟件（客戶端監(jiān)控界面）中。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了具體介紹，包括綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具體的軟件實(shí)現(xiàn)和部署方案。文中設(shè)計(jì)了3個(gè)子系統(tǒng)，首先是采集子系統(tǒng)，其次是數(shù)據(jù)處理模塊，最后是監(jiān)控管理子模塊，并逐一介紹了其設(shè)計(jì)過(guò)程。

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