一種基于物聯網的改進監控系統的設計

李隘優，陳坤定

（閩西職業技術學院 信息與制造學院，福建 龍巖 364000）

隨著人們生活水平的不斷提高，傳統視頻監控和傳統聯網報警已經不能滿足用戶的需求.將互聯網、云計算和智能家居、安防監控有機結合，針對傳統監控系統存在的問題，設計一種改進型視頻監控系統，并注入全新的服務理念，必將給用戶提供一個更加安全、舒適的工作和生活環境［1］.

文獻［2］提出的一種智能視頻分析與監控系統，主要結構為前端設備與視頻存儲服務器連接，視頻存儲服務器與視頻分析服務器連接，視頻分析服務器與客戶端連接.前端設備包括網絡攝像頭與交換機；視頻存儲服務器包括獲取模塊、存儲模塊；視頻分析服務器包括數據接收模塊、解碼模塊、分析模塊、顯示模塊、報警規則設置模塊、數據庫操作模塊及報警信息推送模塊.客戶端包括歷史報警信息查詢模塊與報警響應模塊.其中，視頻分析模塊利用CUDA硬解碼技術與基于CUDA的圖像并行處理方法分析圖像［2］，有效降低CPU資源的占用率，且并行處理加速分析過程，有效減少分析時間，為實時分析提供保障.但是此方案對視頻做了復雜的分析，且采用實時傳輸視頻監控數據至服務器或者存儲本地磁盤的方法，在出現突發情況時，需要對大量的視頻進行查看和刪選，或者通過復雜視頻處理軟件進行分析，造成磁盤資源、時間及低頻采集信息傳輸頻段的浪費，文獻［2］方案存在不足.為了解決監控系統數據傳輸的高功耗和視頻分時上傳的控制問題，筆者采用先進行震動探測器的信號的檢測，檢測到信號時才將攝像頭的視頻信息進行上傳到服務器，降低磁盤空間的占用率，系統設計簡單，成本低，同時采用編碼器作為傳感器的接口器件，提高了傳感器的接入數量，進一步降低成本.

1 改進監控系統的設計

1.1 總體框架設計

改進后的監控系統的核心單元是中央處理器，其功能是控制周邊其它單元的所有操作.中央處理器連接有4G模塊、電源模塊、NB-IOT模塊、攝像頭、燈光報警電路和語音報警器.其中，4G模塊通信連接有用戶移動終端和服務器，服務器與NB-IOT模塊通信連接，4G模塊用來上傳攝像頭的視頻信息［3］；中央處理器通過編碼器連接傳感器單元，編碼器通過對傳感器的觸發電平進行編碼處理，輸出編碼信號，中央處理器根據編碼信號控制4G模塊、NB-IOT模塊和燈光報警電路的工作啟停，具體結構如圖1所示.

圖1 改進監控系統總體框架圖

中央處理器為系統大腦，負責調度和協調各單元模塊，使各單元根據不同情況有序的工作.

傳感器單元采用74LS42編碼器，檢測相應信號后產生高電平信號，即二進制編碼，用于代表傳感器的4種觸發狀態.

掉電檢測單元主要由晶體管Q1和Q2組成，晶體管Q1用于連接鎮流器的輸出端，晶體管Q2的集電極連接于中央控制芯片的IO口，作為信號的輸出端，當電源被關時，掉電檢測單元輸出高電平，控制電源接入揚聲器，并進行報警.

燈光報警電路中的K1為接觸器，其主電回路連接有發光二極管LED1和LED2，通過接收中央處理器的脈沖信號，控制發光二極管LED1和LED2進行閃爍. K1的主電輸入端連接于所述鎮流器的輸出端.發光二極管LED1和LED2進行閃爍對入侵者進行提醒和異常信號的發出.

1.2 中央處理器設計

中央處理器是本系統的大腦神經中樞，負責調度和協調各單元模塊，根據接收到的觸發電平信號進行切換連接和發出指令，使各單元根據不同情況有序的工作。因此，中央處理器有多種外設相連的接口，如GPRS、USB、電源接口等。中央處理器通過對磁卡識別單元、燃氣探測器、震動探測器和紅外探測器的檢測，當發現觸發信號與編碼器的信號相對應時，能控制NB-IOT模塊與服務器進行通訊［4］。同時，中央處理器利用掉電檢測單元，可實現對電源模塊的檢測和掉電報警。中央處理器電路見圖2。

圖2 中央處理器電路圖

1.3 電源模塊設計

電源模塊選用7805芯片組成降壓電路，7805芯片的輸入端還通過二極管D1連接有16 V的蓄電池.電源模塊電路圖見圖3.

圖3 電源模塊電路圖

1.4 NB-IOT通訊模塊設計

NB-IOT通訊模塊連接服務器， SIM接口電路的VREG SIM端、SIM RST端和SIMCLK端依次連接于NBIOT通訊模塊的USIM-VDD端、USIM-RST端和USIMCLK端；SIM接口電路的數據SIM DATA端連接于NBIOT通訊模塊USIM-DATA端［5］，見圖4.中央處理器命令連接NB-IOT模塊；NB-IOT模塊還包括網絡注冊單元，網絡注冊單元為SIM卡，SIM卡用于注冊運營商網絡.

圖4 NB-IOT通訊模塊電路圖

NB-IOT模塊為用于接收信息與命令并傳送給控制單元或發送控制單元所要發送信息的低功耗的NB-IOT模塊NB-01. SIM接口設計如圖5所示.

圖5 SIM接口電路圖

2 改進監控系統工作過程

中央處理器檢測到震動探測器的觸發信號對應的編碼信號時，通過控制繼電器K2控制電源模塊向語音報警器供電，中央處理器發出報警控制信號和燈光報警電路1的閃爍觸發信號.震動探測器設置于保險箱等貴重物品放置處.

語音報警器設置于監控室中.中央處理器檢測到震動探測器的觸發信號對應的編碼信號時，通過控制4G模塊將攝像頭采集的視頻發送給所述服務器進行儲存.

磁卡識別單元、燃氣探測器、震動探測器和紅外探測器中，磁卡識別單元為常用讀卡器，燃氣探測器、震動探測器和紅外探測器選用常用的傳感器，檢測相應信號后產生高電平信號.編碼器選用74LS42，產生的編碼為二進制編碼，包括00、01、10和11四種，用于代表傳感器的4種觸發狀態［6］.

掉電檢測單元2包括晶體管Q1和Q2，晶體管Q1的E極連接有二極管D11和電解電容C1，二極管D11的陽極連接所述鎮流器的輸出端，二極管D11的陽極與晶體管Q1的基極之間連接有電阻R1.電解電容C1的負極接地，晶體管Q1的集電極與晶體管Q2基極之間連接有電阻R2，晶體管Q1的集電極與晶體管Q2的發射極接地，晶體管Q2的集電極連接有電阻R3，電阻R3的另一端連接有電解電容C2，電解電容C2的另一端接地，電解電容C2的正極做電源端，連接于7805芯片的輸出端［7］；晶體管Q2的集電極連接于中央控制芯片的IO口，作為信號的輸出端［8］；當家用電源被入侵人員關掉時，掉電檢測單元2輸出高電平，控制電源接入揚聲器，并進行報警.掉電檢測單元2電路如圖6所示.

圖6 掉電檢測電路圖

3 測試分析

依據結構設計，制作出改進型智能視頻監控測試設備，并進行了測試和應用.在同一基站情況下，NBIOT可以比現有無線技術提供多50~100倍的接入數.一個扇區能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構.

4 結語

經過實際應用測試，基于物聯網的改進監控系統設計簡單、容易實現，無需太多復雜的軟件分析就能有效降低監控系統的功耗和磁盤占用率，能夠顯著提升傳感器的接入數量，降低生產成本；同時在語音報警器斷電時，能為其供電，保證了報警的可靠性；同時也具備較好的擴展性，為其它監控系統的設計提供很好的借鑒作用.今后，繼續研究云計算、5G監控的功能點，計劃開發新功能應用到監控系統中.