物聯網背景下校園智能安防平臺的設計與實現

張恒維　于合龍　連文聰　高延輝

摘 ?要： 針對校園目前存在的安全隱患問題，以吉林某大學為研究對象，根據學校的實際情況和存在的問題，結合物聯網技術、RFID技術、視頻監控技術、圖像識別技術、目標跟蹤技術設計并實現一種基于物聯網的校園智能安防平臺。平臺利用客戶端/服務器（Client/Server）模式對學校教學辦公單位、實驗室、人員密集地點、主要街道進行實時監測與記錄，并將各個部位監測的數據信息通過校園網絡、安防專線網絡傳輸至系統服務器。當有可疑人員、車輛出現或險情發生時，利用MeanShift算法進行目標跟蹤，實現靜態目標、動態目標的快速跟蹤定位，并會觸發系統報警裝置，形成聯動報警機制，使學校保衛部門第一時間得到報警信息，真正實現校園安全監控、管理、調度的一體化和智能化。

關鍵詞： 安防平臺; 系統設計; 物聯網; 數據傳輸; 實時監控; 跟蹤定位

中圖分類號： TN915.08?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）24?0174?04

Design and implementation of campus intelligent security platform under

background of Internet of Things

ZHANG Hengwei， YU Helong， LIAN Wencong， GAO Yanhui

（Jilin Agricultural University， Changchun 130118， China）

Abstract： In allusion to the current security risks in the campus， with a university in Jilin province as the research object， a campus intelligent security platform based on the Internet of Things is designed and implemented according to the actual situation and existing problems of the school and by combining with the Internet of Things technology， RFID technology， video surveillance technology， image recognition technology and target tracking technology. The platform is used to monitor and record the teaching offices， laboratories， densely populated locations and main streets in the school in real time by means of the Client/Server mode， and the data information monitored by each part is transmitted to the system server through the campus network and special security network. When suspicious people and vehicles appear or dangerous situations occur， the MeanShift algorithm is used for the target tracking， which can achieve fast tracking and positioning of static targets and dynamic targets， and the system alarm device is triggered to form a linkage alarm mechanism， which can make the school security department get the alarm information in the first time. It can realize the integration and intelligence of campus security monitoring， management and scheduling.

Keywords： security platform; system design; Internet of Things; data transmission; real?time monitoring; tracking and positioning

安防系統是平安校園建設的重要技術保障和支撐，對維護校園安全穩定、預防安全事故、提升安保效率等具有重要意義[1]。近年來，隨著計算機技術的飛速發展，高校不斷加大對信息化布局、視頻監控部署、云數據存儲等一系列安防設施的投入，使智慧校園建設初見成效，但仍存在不能對校園內實際問題進行量體裁衣，以及目標追蹤有安全漏洞等問題。本文以解決高校現有的實際問題為目標，利用MeanShift目標跟蹤、視頻識別等先進技術，設計并實現一種基于物聯網的校園智能安防平臺。該系統全方位展現出高校內智能安防情況，同時利用MeanShift算法進行目標跟蹤，解決門禁管理中存在的安全漏洞問題，很大程度上提高了校園安防系統的管理效率。

1 ?系統結構總體設計

1.1 ?系統整體結構

智能安防平臺的主要目標是完成大規模的數據處理、反饋，能夠實時監測校園存在安全風險隱患的重點部位，采用聯動觸發機制完成對發生的險情進行預警和報警功能。校園智能安防平臺采用客戶端/服務器（Client/Server）模式，利用校園安防專網進行數據傳輸，確保了校園安防平臺數據的安全性與實時性。本文按照物聯網層級結構，將系統整體構架[2?3]分為采集層、傳輸層、處理層、應用層等4層，整體設計架構如圖1所示。

1.2 ?數據采集層的設計與實現

數據采集層的主要功能是為數據庫提供外部數據。為了實現校園智能安防平臺的遠程監測與聯動報警功能，在數據采集層中需要通過外部感知設備對環境及觸發報警信息進行采集，其中，包括視頻監控探頭、室內紅外報警傳感器、交通測速傳感器、火災煙霧傳感器等，通過聯動控制節點實現系統平臺的可視化聯動報警功能。采集層[4]主要分為傳感器節點設計、聯動控制節點設計和主控模塊設計。中控模塊設計如圖2所示。

1.3 ?數據傳輸層的設計與實現

數據傳輸層的主要功能是為用戶和系統提供數據傳輸網絡及接口，實現系統內任意傳感設備通過聯動控制裝置與監控設備連接[5]。當外部傳感設備接收到火災、超速、非法入侵等信息后，控制器將立即啟動與其聯動綁定的監控設備，將信息反饋到數據中心報告管理員，同時發出對監控設備強制拍攝的命令，確保事故現場的信息及時傳回指揮中心。

1.4 ?數據處理層的設計與實現

數據處理層是系統完成數據處理的重要部分，各級權限管理員的登錄信息、操作信息、感知設備數據信息，以及系統的數據維護都是在該層完成[6]。其主要任務是完成對各個子系統回傳數據的分析與處理功能，如煙霧傳感器、車輛測速傳感器及紅外線報警等與視頻監控聯動實現各類功能子系統，它們定時將設備狀態信息傳送至服務器進行處理，將超出閾值的數據反饋給終端，形成預警。

1.5 ?數據應用層的設計與實現

數據應用層的主要功能是為用戶提供便捷友好的交互界面，其包括后臺客戶端和前臺客戶端。后臺客戶端功能是根據職能設定角色權限，從而實現對數據庫的分級操作。前臺客戶端以PC端的方式進行系統展示，用戶可根據自身需求調取數據庫中相應信息，同時對設備狀態進行巡查，對出現異常的設備形成巡查報告發送至客戶端。

2 ?關鍵技術

2.1 ?目標選取與檢測

在校園內主要場所安裝監控設備，對校園內各重要地點進行實時監控，并選取特定目標進行檢測，利用MeanShift跟蹤技術實現實時跟蹤，及時消除各類不安全因素。若發生事故，可以第一時間將現場信息反饋到110指揮中心，確保校園保衛部門及時處理。

2.2 ?目標跟蹤技術

2.2.1 ?基于MeanShift目標跟蹤算法的基本原理

MeanShift算法[7?8]是一種迭代的算法，其跟蹤原理如圖3所示。圖中，空心圓點為中心點;遍布的黑色實心圓點代表在移動過程中產生的窗口樣本點;虛線圓圈代表密度估計窗口的大體范圍;有向箭頭表示樣本點相對于核函數中心點的漂移向量。其基本原理為先算出當前點的偏移均值，移動該點到其相應的偏移均值，然后再以此為新的起始點，繼續移動，直到得到滿足需要的條件后方可結束。

2.2.2 ?MeanShift算法的應用與實現

在校園智能安防平臺中，需要對進入校園的車輛進行實時跟蹤及檢測，車輛在經過門禁檢測系統之后，車輛照片及車牌號就會錄入系統，然后利用MeanShift算法進行目標跟蹤，實時監控車輛在校園內的位置，同時根據道路檢測系統對錄入系統中的車輛進行道路檢測，若發現異常，會迅速定位可疑車輛，及時傳送到110報警中心。利用MeanShift算法進行目標跟蹤的基本流程[9]如圖4所示。

為驗證MeanShift算法在校園智能安防平臺系統中的目標跟蹤情況，本文采取校園內的車輛場景作為實驗進行驗證，采用開發平臺Visio C++ 2010實現，數據和圖像處理在Matlab中完成，實現過程是將視頻改為圖片序列，當視頻在第1幀時停止，手工標定目標，雙擊目標區域，然后進行單目標跟蹤。如圖5所示，即為實驗中的MeanShift目標跟蹤結果圖。圖底標注的數字為每幅圖像所對應的幀數，算法從第1幀開始手動選取目標，然后選擇第50幀、100幀、150幀、200幀的實驗圖進行分析[10]。圖片截取來源于校園監控視頻，當目標車輛進入校園內部時，就會對其進行實時跟蹤。從圖中可以清晰地看到目標移動的范圍及軌跡，從而達到對目標進行順利跟蹤。

2.3 ?數據庫的實現

由于校園視頻監控和技防傳感設備的廠商、批次型號存在不同，且要實現對不同設備的兼容，系統采用分布式管理方式，將傳感器數據統一傳入數據庫，其包括信息存儲模塊、消防聯動報警模塊、道路交通測速報警模塊、門禁聯動報警模塊以及110指揮中心模塊。在實時監測時會根據事件類型判斷參數是否超出閾值范圍，若超出，數據將變為紅色記錄下來并發出報警信息。數據庫E?R圖如圖6所示。

3 ?系統展示

3.1 ?PC端的實現

本文系統包括綜合管理平臺、消防聯動管理模塊、門禁監控管理模塊及道路檢測管理模塊四部分。其中，綜合管理平臺完成系統整體設置、監控及調度;消防聯動管理模塊完成火災信息實時跟蹤及對消防設備的管理;門禁監控管理模塊實現對校園內重點部位及場所可疑人員的預警;道路檢測管理模塊完成校園車輛信息錄入及違章報警功能。系統實現效果如圖7所示。

3.2 ?系統應用成果展示

本文系統在吉林某高校于2017年5月主體工程均完成。在試用過程中，系統在打擊破案、秩序整治、交通管理及各類沖突預警處理等方面都起到重要作用。通過2014年—2019年8月的校園安全類事件及破案率的統計對比，充分證實該文系統對校園安全事件具備預警功能，為案件的偵破提供證據保障。其具體數據見表1。

針對校園內治安類案件及交通類案件，在系統上線運行階段，根據數據形成發案數與破案率統計圖見圖8。

4 ?結 ?論

本文系統以吉林某校園存在的實際安全隱患問題為出發點，利用MeanShift算法進行目標跟蹤，能夠實時監測校園內可疑人員及車輛，解決了目前高校門禁管理系統中普遍存在的目標丟失的安全漏洞。在系統試運行階段，通過測試可知系統達到了預期效果。實驗結果證明，該系統能夠實現事故聯動報警功能，確定事故發生地點及現場信息狀態，進一步提高了學校安保工作的工作效率，同時也對校園違法行為起到了極大的威懾作用，大幅度提升了校園師生的安全感。

參考文獻

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[10] 杜靜雯，黃山，楊雙祥.自適應HLBP紋理特征的Meanshift目標跟蹤算法[J].計算機科學，2017，44（z2）：217?220.

作者簡介：張恒維（1990—），男，遼寧沈陽人，碩士，初級研究員，研究方向為物聯網與云計算、校園安全管理。

于合龍（1975—），男，吉林德惠人，博士后，教授，博士生導師，研究方向為計算機應用技術、物聯網與云計算。