基于物聯網技術的攝像頭運維管理系統設計

摘 要：在經濟不斷發展的進程中，為維護社會治安，保障人身財產安全，視頻監控越來越普遍，且分布密度越來越大。針對攝像頭設備受到移位、遮擋，甚至惡意破壞而影響調查取證等現象，在不涉及圖像識別、確保數據安全和隱私保護的前提下，開發一款基于物聯網技術的攝像頭運維管理系統，保障設備正常運行。系統通過ZigBee自組網將區域內攝像頭聯合起來，傳感器采集設備狀態數據信息，上傳至物聯網云平臺，由中央處理單元判定為故障后，通知維保人員搶修維護。以校園實訓樓攝像頭為對象，進行試驗測試，取得了一定的維護效果。

關鍵詞：物聯網；監控系統；攝像頭；故障檢測；數據采集；無線通信

中圖分類號：TP277；TN92 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-0-03

0 引 言

隨著社會的發展，視頻監控系統的完善，社會治安以及城市管理從“人力防范、事后處理”為主過渡到智能化管理模式。小區、公園、校園等都安裝了大量攝像頭，為平安城市做出巨大貢獻。攝像頭數量的增多在管理上增加了一定難度，存在調查取證時部分設備損壞、移位或遮擋等情況，導致取證難度加大。

以校園環境為例，目前監控設備的分布和管理存在如下特點：

（1）數量多、覆蓋廣。早期攝像頭主要安裝在辦公樓、實訓樓等地，對學校公共財物起到輔助監管的作用；現在攝像頭幾乎遍布校園的每個角落，安裝在教室，可實現對考試現場的監控，做到公平公正；在運動場、室外實訓場、花園湖邊等處安裝，約束不文明行為，加強學校的治安維護，有助于對突發事件的調查取證。

（2）人工巡檢維護[1-2]。主要采用傳統人工定時定點的管理模式，存在未能及時發現設備損毀或被遮擋的情況，抑或存在設備安裝較遠、偏僻位置等客觀原因和維護人員漏檢、定期檢查周期長、敷衍等人為原因，使得在調查取證時無法得到數據。

（3）產品升級迭代快。維護人員技能水平不能及時跟進，設備不能及時維護，導致成本和時間消耗增加。

（4）監管數據權限設置。系統在日常運維監控過程中，數據信息具有保密性，涉及權限管理、資源配置等問題[3]，導致設備運行維護不及時。

針對以上情況，有人提出利用智能化和自動化解決手段：利用圖像檢測算法實現攝像頭異常檢測[4-5]。比如針對攝像頭被遮擋問題，有人提出使用DSP框架對比幀間灰度直方圖來檢測，也有人提出采用幀間顏色直方圖差異來檢測，還有人提出基于卷積神經網絡算法實現監控視頻攝像頭遮擋檢測[4]。

針對攝像頭位置偏移的問題，有文獻提出先提取正常圖像背景區域與待測圖像相同區域的邊緣特征值，分別統計特征值直方圖，然后計算直方圖相似度，通過相似度判定待測圖像是否發生偏移[5]；也有提出一種自適應閾值的背景差分方法來檢測人為遮擋，該方法可通過場景動態變化，自動更新閾值提高圖像識別的準確性。上述利用檢測算法分析監測視頻圖像，通過圖像特征的變化來判斷攝像頭是否受到干擾，進而實現攝像頭異常檢測功能的方式，無需額外增加硬件成本，特別適用于民用視頻監控領域。但是，健全的法治為監控攝像頭帶上“安全罩”[6]。從信息安全的角度表明，圖像異常檢測算法不便用于視頻監控的第三方運維服務。所以綜合上述問題，設計了一種基于物聯網技術，不改變原有視頻監控系統，不涉及圖像識別、確保數據安全而又可在監控設備受到惡意破壞的第一時間，發出報警并通知維保人員維修的攝像頭運維管理系統，以滿足現有攝像頭管理需求。

1 攝像頭運維系統硬件設計

1.1 功能實現

基于物聯網技術的攝像頭運維系統主要針對安裝在室內室外的攝像頭在位置發生偏轉，或者是鏡頭被意外遮擋時，使得圖像采集范圍發生變化，不能維護公共財產和人身安全時，所采用的預警系統，對不法行為具有威懾作用；同時采用物聯網技術，將每個攝像頭聯合起來，實時監測運行狀態，異常時能精準判定故障設備，并將信息發送給維護人員，以便能夠在第一時間排除故障，提高維護效率。

1.2 系統模塊組成

系統組成框圖如圖1所示。將數據采集部分做成攝像頭外置檢測裝置，裝置固定在攝像頭鏡頭下方，內嵌物聯網卡通信模塊，通過物聯網數據傳輸等通信協議與后臺服務器通信，實現攝像頭狀態信息聯網。由于前端裝置與后臺系統間通信數據量小，通信頻次低，借助數據透傳模式和ZigBee云的力量，通過串口、SPI或I2C等協議和AT指令實現無線通信。

（1）前端數據采集部分：采用JY60角度傳感器、光電反射式紅外對管傳感器，每個攝像頭在安裝時，以所監控區域范圍和安裝角度位置為參考，當攝像頭發生偏轉時，產生偏轉數據；遮擋檢測部分的紅外對管發射角度與攝像鏡頭方向一致，當有障礙物遮擋鏡頭時，紅外射線被障礙物折回，生成被遮擋數據。

（2）通信模塊：使用無線通信技術完成終端設備與前端裝置間的數據傳輸，實現維護人員的遠程監控和狀態查詢，滿足終端設備數據信息的存儲需求。

（3）中央處理單元：采用Arduino開發板作為主控器件，根據采集的信息判定系統運行狀態，若有故障，判定故障原因，并將故障位置信息由通信模塊以短信的形式發送給維修人員，以便迅速應對。

（4）ZigBee模塊：本系統采用CC2530芯片作為組網芯片，系統通過ZigBee自組網將區域內的攝像頭聯合起來，每個攝像頭對應一個前端數據采集模塊，分別編號；ZigBee無線通信技術具有低功耗、低成本、短延時和大容量等優勢[7]。傳感器與應用層連接可實時接收傳感器采集的數據，并輸送給中央處理單元。數據處理模塊向ZigBee發送上行數據時，包含了位置信息和狀態信息[8-9]。

2 攝像頭運維系統軟件設計

2.1 單片機主程序部分

攝像頭運維系統主程序部分主要完成4個判斷：是否有運維人員的ID更換，是否有狀態查詢，是否有遮擋，是否有角度偏移，主程序如圖2所示。以角度偏移為例，處理方式如下：

（1）上電。緩存寄存器（E2PROM）在斷電期間會清空。上電后，需等待一段時間（約5 s）重新讀取管理員數據和角度初始值，在這段時間通過子函數angle_write_in（）將初始角度寫入E2PROM，同時通過子函數lcd_angle（x，y，z）在LCD上顯示。

（2）初始角度。初始角度即每個攝像頭安裝時根據所要采集區域指向的角度，角度傳感器安裝時與鏡頭所指向角度一致。LCD顯示X、Y、Z三個方向的角度值

（x0，y0，z0）。

（3）角度處理。需要實時獲取當前角度在X、Y、Z三軸方向的角度值，分別與初始角度三軸方向進行對比，求差后取絕對值相加，即：|x-x0|+|y-y0|+|z-z0|，若三軸方向的角度變化之和超出設定值，則表示攝像頭已發生偏移；若未超出設定值，則顯示正常（Normal）。

（4）消除偶然性。一次獲取角度偏移值后，不能即刻認定攝像頭偏移，有可能因失誤碰撞、振動等短暫偏移后角度又回歸正常，所以需累計多次檢測結果，避免事件的偶

然性。

（5）警示及短信提醒。認定發生偏移后，前端裝置產生報警信號，并發送短信至管理員處，以便提醒管理員及時維護。在修復設備偏移之前，設定短信提醒3次，修復后，返回狀態信息（Normal）。

2.2 上位機運行部分

系統上位機運行主要分為兩種狀態，如圖3所示。一個是當設備正常運行時，進入低功耗節電模式[10]，按照ZigBee組網設定的睡眠周期顯示運行狀態；另一個是當設備接收到異常信息時，迅速進入連接狀態，分析信息的來由，經數據處理，將故障現象及位置信息顯示在后臺電腦端，并將結果發送至維護人員的ID端。

3 運維系統終端操作設計

3.1 系統手機端設計

維護人員可通過手機端查看監管設備的運行狀況。首先用個人ID號登錄，初次登錄成功后，會顯示“Complete！”；如果切換了ID號登錄，則會提醒顯示“ID update！”。點擊“初始位置設置”，輸入所管理設備的編號，保存后，點擊“狀態查詢”，如果設備運行正常，則反饋“Normal！”；如果設備被遮擋，會反饋回“ZD Error！”；如果設備被移位，會反饋回“Angle Change！”。

以實訓樓學生創客中心的攝像頭為例，設置為3號設備，故障檢測裝置實時檢測攝像頭狀態，異常情況經無線通信向后臺發送告警，比如當該設備被遮擋或移位時，維護人員的手機會在第一時間收到“#0003 ZD Error！”或“#0003 Angle Change！”信息。收到短信提醒后，維護人員可通過手機端查看顯示記錄，如圖4所示。也可以輸入短信中顯示的設備編號，點擊“狀態查詢”進一步確認該設備的運行情況，避免誤報，或者被飄落的塑料袋、衣物等物品臨時遮擋，或者破壞者遮擋攝像頭后，被發出的報警聲威懾，立刻解除遮擋物。

3.2 系統電腦端設計

后臺運維管理系統主要負責接收前端故障信息，經過數據處理，將故障現象及位置顯示在后臺電腦端。同時，通過電話和短信通知值班維修人員。由于系統絕大部分狀態下都正常運行，周期性顯示上行數據，為方便分析異常數據的概率，系統電腦端界面分兩欄，既可以查看所有設備在正常周期狀態下的實時信息，也可以查看產生異常狀態的時間點和處理情況。如圖5所示，實時信息顯示方式和手機端一致，異常信息添加了中文模式。

4 結 語

攝像頭運維管理系統的設計為確保視頻監控設備的正常運行提供了保障，同時其智能化的管理系統實現了故障發現、報警和維修“三位一體”有機聯動，既節省了第三方運維的人力和物力，又提高了維護效率。

參考文獻

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