摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在監(jiān)控盲區(qū)、工作效率低等問題，本文基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)人群異?；顒?dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。本文首先依據(jù)無線信號(hào)接收強(qiáng)度指示（RSSI）方法，通過實(shí)驗(yàn)獲取到接收信號(hào)強(qiáng)度指示和接收距離的函數(shù)關(guān)系，并通過曲線擬合技術(shù)獲取被監(jiān)視人員的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后利用濾波技術(shù)過濾軌跡噪聲數(shù)據(jù)。其次，提出了非安全域的設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)若發(fā)現(xiàn)被監(jiān)控人員出現(xiàn)在非安全域，則自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警并對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行錄像。最后，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)原型系統(tǒng)，包括底層傳感器節(jié)點(diǎn)硬件編程、中間層消息處理和上層數(shù)據(jù)處理等模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)θ藛T的活動(dòng)位置進(jìn)行較精確的定位，當(dāng)出現(xiàn)異?；顒?dòng)時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警。

0 引言

視頻監(jiān)控系統(tǒng)在各行業(yè)重點(diǎn)部門或重要場所進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的過程中發(fā)揮著重要的作用。

管理部門可通過其獲取圖像或聲音等有效信息，并對(duì)突發(fā)性異常事件的過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和記錄，以幫助現(xiàn)場取證和及時(shí)布置警力處理案件。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及、計(jì)算機(jī)、圖像處理、傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展， 視頻監(jiān)控技術(shù)也有長足的發(fā)展。高智能、高效率、高安全性的視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外發(fā)展的必然趨勢。

目前，針對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究主要集中在數(shù)據(jù)傳輸和終端顯示上。文獻(xiàn)利用GPRS對(duì)公共照明視頻監(jiān)控系統(tǒng)捕獲到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸并在終端進(jìn)行顯示。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一種具有自組織跳轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)傳輸功能的無線監(jiān)控系統(tǒng)。文獻(xiàn)提出了一種基于ZigBee 無線通信技術(shù)的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。然而現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的終端僅依靠工作人員頻繁切換監(jiān)控畫面對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控，這不僅降低了監(jiān)控系統(tǒng)的工作效率，而且使未被切換到的畫面成為監(jiān)控盲區(qū)，此外，現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)很少具備自動(dòng)報(bào)警功能，這也是視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要重點(diǎn)研究的方向。

本文基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)人群異?；顒?dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)θ藛T的活動(dòng)位置進(jìn)行較精確的定位，當(dāng)出現(xiàn)異常活動(dòng)時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警功能，系統(tǒng)工作人員只需要在接到報(bào)警信息后處理現(xiàn)場，從而提高系統(tǒng)的工作效率。本文從系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)問題入手，首先針對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度指示和距離的理想狀態(tài)關(guān)系模型在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，獲取大量數(shù)據(jù)，并對(duì)其采用曲線擬合技術(shù)得到接收信號(hào)強(qiáng)度指示和距離的關(guān)系。然后針對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)位置信息因受節(jié)點(diǎn)供電不穩(wěn)定等因素影響而產(chǎn)生噪聲數(shù)據(jù)的問題，設(shè)計(jì)了一種基于期望值和閾值的濾波技術(shù)過濾噪聲數(shù)據(jù)。其次，提出了非安全域的設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)若發(fā)現(xiàn)被監(jiān)控人員出現(xiàn)在非安全域，則自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警。最后，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)原型系統(tǒng)，包括底層傳感器節(jié)點(diǎn)硬件編程、中間層消息處理和上層數(shù)據(jù)處理等模塊。

1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)問題

1.1 獲取 RSSI 和距離值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI,Received Signal STrength Indicator）通過信號(hào)在傳播過程中的衰減來估計(jì)節(jié)點(diǎn)之間的距離[8]。由于信號(hào)在傳播過程中信號(hào)強(qiáng)度會(huì)降低，根據(jù)接收機(jī)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，可以估計(jì)發(fā)射機(jī)的距離。無線信道的數(shù)學(xué)模型如式（1）。

式（1）中，d 是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離， d0  是參考距離；  np 是信道衰減指數(shù)；一般取值2-4；  p0 是距離發(fā)射機(jī)d 0 處的信號(hào)強(qiáng)度；P（d）是距離發(fā)射機(jī)d 處的信號(hào)強(qiáng)度；  p0  可以通過經(jīng)驗(yàn)得出，或者從硬件規(guī)范定義得到。由此方程可以通過信號(hào)強(qiáng)度P（d）求出d 。

然而，信道因受到多徑衰減（Multi-path Fading）和非視距阻擋（NON-of-Sight Blockage）的影響而具有時(shí)變性，在特定環(huán)境中，嚴(yán)重偏離上述模型，通過接收到的信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)出的距離d 有很大的誤差。

因此，理想狀態(tài)下RSSI 值和距離的關(guān)系不適用本系統(tǒng)。本文必須找到RSSI 值和距離在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的函數(shù)關(guān)系，這是本文所作工作的一個(gè)重點(diǎn)也是難點(diǎn)。通過研究分析，本文設(shè)計(jì)了獲取RSSI 和距離在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案如圖1 所示。

圖1 RSSI 和距離關(guān)系獲取實(shí)驗(yàn)方案

距離為d 時(shí)，三個(gè)testNode 節(jié)點(diǎn)分別向RevNode 發(fā)送40 個(gè)數(shù)據(jù)包，RecvNode 節(jié)點(diǎn)提取出接收到的120 個(gè)數(shù)據(jù)包中的RSSI 值并求其平均值，如此實(shí)驗(yàn)重復(fù)10 次，再對(duì)所有平均值求均值，如圖2 所示。

圖2 距離為1米時(shí)2號(hào)錨節(jié)點(diǎn)的RSSI值

由此易知，每個(gè)距離d 就對(duì)應(yīng)著一個(gè)RSSI 均值，對(duì)所有數(shù)據(jù)匯總后，得到如下RSSI和距離之間的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 距離和RSSI之間的關(guān)系

1.2 曲線擬合

本文利用曲線擬合中的指數(shù)擬合和多項(xiàng)式擬合的辦法找函數(shù)關(guān)系。通過一系列實(shí)驗(yàn)并計(jì)較得到三次多項(xiàng)式擬合效果最好。擬合得到的函數(shù)表達(dá)式如式2 所示。

圖4 所示為三次多項(xiàng)式與指數(shù)擬合得到的距離與RSSI 關(guān)系對(duì)比圖，從圖中可以明顯看出，利用三次多項(xiàng)式擬合出來的曲線和實(shí)際情況更吻合。

圖4 三次多項(xiàng)式與指數(shù)擬合得到的距離與RSSI 關(guān)系對(duì)比

1.3 校正處理

無線傳感器節(jié)點(diǎn)因受環(huán)境因素較大，故在用接收到的RSSI 值進(jìn)行計(jì)算前因先進(jìn)行RSSI值校正處理。首先，設(shè)定RSSI 取值的最小和最大臨界值，當(dāng)實(shí)驗(yàn)測量到的RSSI 值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最小臨界值則令其等于最小臨界值，或者RSSI 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大臨界值時(shí)則令其等于最大臨界值，如果RSSI 和臨界值相差不大，則根據(jù)從實(shí)驗(yàn)過程中得到的經(jīng)驗(yàn)對(duì)該RSSI 值進(jìn)行適當(dāng)校正，使該RSSI 值回到臨界區(qū)域內(nèi)部。

1.4 濾波

第一步：設(shè)定RSSI 的期望值，如式（3）式所示：

其中， R 0 是預(yù)期的RSSI 值，R 是實(shí)際得到的RSSI 值， R 1 是前一次得到的RSSI 值，R2是在此之前的第二次得到的RSSI 值，α、β、γ 分別是R，  R1 ，  R2 在期望值中所占的權(quán)重，分別將其設(shè)置為0.6,0.25,0.15。

第二步：設(shè)定閾值，閾值是在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)再設(shè)定的，該系統(tǒng)中設(shè)為0.5。

第三步：除噪，若期望值0 R 和當(dāng)前值R 差的絕對(duì)值小于設(shè)定的閾值，就讓令上一次的值作為當(dāng)前值，R= 1 R ，同時(shí)2 R = 1 R;若期望值和當(dāng)前值差的絕對(duì)值已經(jīng)大于閾值，則令期望值作為當(dāng)前值，R= R 0 ,同時(shí)， R2 = R 1 ， R 1  = R 0 ;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過以上濾波處理，不僅減小了節(jié)點(diǎn)不穩(wěn)定帶來的軌跡震蕩，節(jié)點(diǎn)的軌跡變化曲線更加趨于平緩。

1.5 串口數(shù)據(jù)提取

在串口通信協(xié)議中一個(gè)串口通信數(shù)據(jù)幀的格式如圖5所示：

圖5 串口通信數(shù)據(jù)幀的格式

Sync 是一個(gè)數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束標(biāo)志符，用0x7E 來表示該標(biāo)志符。緊跟在起始Sync后面的是Type標(biāo)志符。CRC用來表示冗余校驗(yàn)碼，其中，參與冗余校驗(yàn)的字段為TOS MsgHeader 和Payload，這兩個(gè)字段存放的是網(wǎng)關(guān)收到的一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的完整的路由包。

最后面的一個(gè)Sync 用來表示幀的結(jié)束。

在實(shí)驗(yàn)過程中，串口接收到的原始數(shù)據(jù)如圖6 所示：

圖6 串口原始數(shù)據(jù)

通過對(duì)上表中數(shù)據(jù)分析得知：表中第一條數(shù)據(jù)中0x7E 表示一個(gè)數(shù)據(jù)幀的起始，0x42 表示一個(gè)數(shù)據(jù)幀的Type，不要求接收方對(duì)發(fā)送方回復(fù)一個(gè)確認(rèn)包。從第二行第五個(gè)數(shù)據(jù)開始時(shí)對(duì)上層應(yīng)用有用的字段，在進(jìn)行上層開發(fā)時(shí)，可以從該處提取出串口中的數(shù)據(jù)，其中0x0100，表示數(shù)據(jù)包的ID 號(hào)，緊跟其之后的是兩個(gè)字節(jié)0x3A00 表示接收到的數(shù)據(jù)包的序列號(hào)，接下來的0x 0200 表示錨節(jié)點(diǎn)的ID 號(hào)為2，0x0500 表示Move 節(jié)點(diǎn)的ID 號(hào)為5，0x0800 表示從2 號(hào)錨節(jié)點(diǎn)獲取到的5 號(hào)Move 節(jié)點(diǎn)的RSSI 值為8, 接下來的0x 0300 表示錨節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)為3，0x0500 表示Move 節(jié)點(diǎn)的ID 號(hào)為5，0x0C00 表示從3 號(hào)錨節(jié)點(diǎn)獲取到的5 號(hào)Move節(jié)點(diǎn)的RSSI 值為0x0C, 接下來的0x 0400 表示錨節(jié)點(diǎn)的ID 號(hào)為4，0x0500 表示Move 節(jié)點(diǎn)的ID 號(hào)為5，0xF800 表示從4 號(hào)錨節(jié)點(diǎn)獲取到的5號(hào)Move節(jié)點(diǎn)的RSSI值為0Xf8,接下來的F207FE 為CRC 字段，最后一個(gè)7E 為數(shù)據(jù)幀的結(jié)束字段。通過以上分析，可以快速從串口通信數(shù)據(jù)中提取所需的字段，為上層開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由底層（硬件層），中間層（串口消息解析層），上層（數(shù)據(jù)處理層）系統(tǒng)的構(gòu)架如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 底層模塊設(shè)計(jì)

底層模塊通過Move 節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到Node1，Node2，Node3 節(jié)點(diǎn)，Node1，Node2，Node3節(jié)點(diǎn)分別從Move 節(jié)點(diǎn)中取出RSSI 值并將這些值連同自身的SOURECE_ADDRESS 值封裝到數(shù)據(jù)字段并通過Forward 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給Sink 無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。底層模塊結(jié)構(gòu)如圖8 所示：

圖8底層結(jié)構(gòu)2.3 中間層模塊設(shè)計(jì)

該層主要負(fù)責(zé)接收來自底層的串口消息，該層的重點(diǎn)就是對(duì)串口數(shù)據(jù)包的內(nèi)容進(jìn)行解析，獲取數(shù)據(jù)包中節(jié)點(diǎn)的RSSI 值、錨節(jié)點(diǎn)ID 號(hào)等信息，并將其交給上層進(jìn)行處理。

2.4 上層模塊設(shè)計(jì)

本文將該基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的人群異?；顒?dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的上層模塊分為以下六個(gè)子模塊：

串口配置模塊：該模塊主要對(duì)串口的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行配置，在不同的網(wǎng)關(guān)連接上PC 機(jī)時(shí)配置不同的串口，使該系統(tǒng)的可擴(kuò)展性增強(qiáng)。

實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊：該模塊主要負(fù)責(zé)將無線傳感網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的軌跡信息實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控畫面當(dāng)中；用戶通過點(diǎn)擊顯示樣例軌跡了解軌跡的概念；通過清除軌跡操作清除屏幕上的所有軌跡信息；此外，用戶可以通過調(diào)整顯示刷新周期，對(duì)軌跡數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)刷新周期進(jìn)行設(shè)置；如果刷新周期設(shè)置過長，則通過手動(dòng)刷新按鈕刷新軌跡以實(shí)時(shí)觀察移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的估計(jì)信息。

歷史回放模塊：該模塊主要根據(jù)用戶的設(shè)置回放移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的歷史軌跡。用戶根據(jù)自己的要求回放具體時(shí)間移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的軌跡信息，如回放一天、一天的一段時(shí)間；幾天、幾天里面的一段時(shí)間或者一個(gè)精確時(shí)間的被監(jiān)控人員的軌跡信息。此外，該模塊提供設(shè)置回放周期功能，用戶根據(jù)自己的需求設(shè)置每次回放的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置信息的個(gè)數(shù)和回放周期，系統(tǒng)將反饋給用戶查詢的時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)庫中所有記錄的條數(shù)，用戶通過系統(tǒng)能清楚地知道需要回放的記錄條數(shù)以及待回放的記錄條數(shù)。

歷史數(shù)據(jù)查詢模塊：該模塊主要負(fù)責(zé)歷史數(shù)據(jù)的查詢功能，模塊包括人員位置/軌跡一般查詢、人員位置/軌跡高級(jí)查詢、歷史警報(bào)信息查詢?nèi)蠊δ?。其中，人員位置/軌跡高級(jí)查詢，主要根據(jù)用戶輸入的時(shí)間段信息查詢?nèi)藛T的軌跡信息，用戶根據(jù)需求查詢一天、一天的一段時(shí)間、幾天、幾天的一段時(shí)間或者是一個(gè)精確時(shí)刻的軌跡信息。此外，該部分還提供了一些其他功能，如用戶在顯示軌跡區(qū)域單擊一個(gè)點(diǎn)，該單擊點(diǎn)的在繪圖區(qū)域的坐標(biāo)、該坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的實(shí)際區(qū)域中的坐標(biāo)及查詢?nèi)藛T在該實(shí)際坐標(biāo)出現(xiàn)的次數(shù)都將被列出來顯示。歷史數(shù)據(jù)查詢模塊的另外一個(gè)重要功能就是歷史警報(bào)信息的查詢功能。該功能允許用戶查看所有的警報(bào)信息，即被監(jiān)測人員所出現(xiàn)的所有非安全區(qū)域的信息。此外，系統(tǒng)提供用戶根據(jù)需要?jiǎng)h除部分選定的警報(bào)信息的功能。

非安全域設(shè)置模塊：該模塊主要負(fù)責(zé)非安全域的設(shè)置。非安全域的正確設(shè)置對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警功能及系統(tǒng)的可靠性起著極其重要的作用。所以只有擁有設(shè)置權(quán)限的用戶才能進(jìn)行非安全域的設(shè)置。如果被監(jiān)控的人員出現(xiàn)在非安全區(qū)域，系統(tǒng)將觸發(fā)警報(bào)。非安全域即定義一個(gè)非安全域的中心和非安全域的半徑，所有處在該非安全域中的點(diǎn)將觸發(fā)報(bào)警功能。該模塊允許擁有權(quán)限的用戶根據(jù)實(shí)際需要對(duì)非安全域進(jìn)行修改，添加，刪除和查詢等操作。

人員信息指南模塊：該模塊主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)工作。用戶根據(jù)需求查詢指定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的時(shí)間，此外，該模塊還提供查詢指定時(shí)間內(nèi)被監(jiān)控人員出現(xiàn)區(qū)域的功能。在指定區(qū)域出現(xiàn)的時(shí)間查詢窗體中，用戶設(shè)置需查詢的區(qū)域或者根據(jù)輸入要查詢的時(shí)間段，查詢結(jié)果將顯示所有查詢到的記錄條數(shù)，此外，該部分還提供了其他的一些功能，如用戶可以獲得被監(jiān)控人員每個(gè)小時(shí)時(shí)段出現(xiàn)的次數(shù)以及每個(gè)小時(shí)時(shí)段在每天的24 小時(shí)中所占的比例，這樣根據(jù)查詢的結(jié)果用戶很容易獲取在指定區(qū)域被監(jiān)控的人員出現(xiàn)的最頻繁的時(shí)間。在指定時(shí)間內(nèi)位置信息查詢功能中，用戶輸入要查詢的時(shí)間段，得到查詢結(jié)果后，用戶單擊任意一條查詢結(jié)果，就可獲取該單擊點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻和對(duì)應(yīng)地點(diǎn)被監(jiān)控人員出現(xiàn)的次數(shù)。

報(bào)警并錄制現(xiàn)場模塊：報(bào)警并錄制現(xiàn)場模塊：該模塊提供報(bào)警和對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行錄像功能，系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)人員出現(xiàn)在非安全域時(shí)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警并對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行一段時(shí)間的錄像操作。此外，系統(tǒng)還提供解除警報(bào)或結(jié)束現(xiàn)場錄制的功能。