CN101159854A - 四维一体实时监控多媒体信息采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多媒体信息采集装置，该装置在控制单元内存储有传感器检测对象预临界值和相关的预警模型，控制单元实时判断传感器检测到的被测对象安全状态数据，并与控制单元中存储的预临界值相比较，同时利用传感器实时采集的数据，在线进行被测对象的风险评估，当达到预临界状态时，通过该事件驱动视频、音频监控工作，并通过无线传感器网络接口单元将采集的视频及音频信息传输至控制单元，全球定位系统通过无线传感器网络接口单元连接至控制单元上，控制单元将采集到的视频、音频及地理位置信息进行编解码后通过远程传输系统单元在窄带网络上将音、视频信号传输至远程监控中心服务器进行存储或处理。

Description

四维一体实时监控多媒体信息采集装置

所属技术领域

本发明公开一种多媒体信息采集装置，特别是一种可广泛应用于工业生产安全过程控制、民用安全、消防、军事、地质灾害监测、桥梁、堤坝、隧道工程、结构安全等监测监控领域集数据监测、视频监控、语音监督、GIS定位功能于一体的四维一体实时监控多媒体信息采集装置。

背景技术

随着贯彻落实党的十六届四中全会精神，构建社会主义和谐社会进程的不断深入，进一步落实国务院“安全第一、预防为主、综合治理”方针，把治理隐患、防范事故的工作重心从事后处理转移到主动排查，及时跟踪、提前预防，及时消除的事先预防，是改变当前我国较为严峻的安全生产局面的一次实践，具有极其重要和深远的意义。

传统安全监测、监控系统模式是由数据监测网、工业视频监控网、电话调度网三网分别建设，由数据监测系统、工业视频监控系统、电话调度系统各自实施安全监控。这样建立的系统其最大缺陷是难以实现多种数据融合，降低了远程监控系统的风险预防和控制功能，大大降低了系统的有效性和实用性。现有技术中的安全监控系统(特别是视频监控系统)多是采用实时监测、事后处理模式，其工作原理就是一天24小时监视，并存贮在监控中心计算机海量存储器上，如发生事故，就调看录象。这种监控模式对事后处理事故有一定的帮助，但不能做到事前预防，不能满足预防为主的需要，而且通信开销很大，也消耗了大量的系统资源，尤其不适合远距离(在无法构建专用传输网络的情况下)通信。而且现有监测监控系统，系统节点数较少，不能满足大型监控系统对节点数的要求，系统拓扑结构单一，系统改造不够灵活，而且大都只具有视频监控功能，功能单一。

发明内容

针对上述提到的现有技术中监控、监测系统都是采用实时监控、事后处理的办法进行，不能满足以预防为主的需要，而且只具有视频监控功能，功能单一的缺点，本发明提供一种新的信息采集装置，该装置在控制单元内存储有传感器检测对象预临界值和相关的预警模型，控制单元实时判断传感器检测到的被测对象安全状态数据，并与控制单元中存储的预临界值相比较，同时利用传感器实时采集的数据，在线进行被测对象的风险评估，当达到预临界状态时，通过该事件驱动视频、音频监控工作，并能在窄带网络上将音、视频信号传输至远程监控中心服务器进行存储或处理。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种四维一体实时监控多媒体信息采集装置，该装置包括控制单元、传感器、无线传感器网络接口单元、全球定位系统、摄像头、扬声器/麦克风、远程传输系统单元，所述的控制单元内存储有传感器检测对象预临界值和相关的预警模型，控制单元实时判断传感器检测到的被测对象安全状态数据，与预临界值相比较，并在线进行被测对象的风险评估，当达到预临界状态时，控制单元通过无线传感器网络接口单元驱动摄像头、扬声器/麦克风工作，并通过无线传感器网络接口单元将采集的视频及音频信息传输至控制单元，全球定位系统通过无线传感器网络接口单元连接至控制单元上，控制单元将采集到的视频、音频及地理位置信息进行编解码后通过远程传输系统单元传输至远程监控中心。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的远程传输系统单元可通过中国固定数据通信网或移动数据通信网络与远程监控中心连接。

所述的中国固定数据通信网可为Internet或Intranet网络。

所述的移动数据通信网络可为GPRS、CDMA1X、卫星通信网络、3G网。

所述的远程传输系统单元接入中国固定数据通信网或移动数据通信网络时，可采用ADSL、VDSL、ATM、LMDS接入技术接入。

所述的视频信号通过解码芯片进行解码后通过远程传输系统单元传输至远程监控中心，在远程监控中心通过编码芯片进行编码。

所述的视频信号解码采用MPEG4或H.264压缩算法将视频信号解码成QCIF分辨率的活动视频图象传输至远程监控中心。

所述的音频信号通过编解码芯片进行解码后通过远程传输系统单元传输至远程监控中心，在远程监控中心通过编解码芯片进行编码。

所述的传感器可通过点到点、星型、扩展的星型、簇树型拓扑结构接入WSN系统。

所述的音频信号通过编解码芯片进行录制和播放。

本发明的有益效果是：本发明采用事件驱动视频传输，将事后处理改为事前预防，能有效减少事故的发生，避免一些不必要的损失；本发明实现组件式接入，其进行改进或增减监测节点方便；本发明可将协议栈固化在控制芯片内，能实现多监控点接入及适应各种应用需求的网络拓扑结构；本发明中采用硬件对音频/视频信号进行压缩，可实现在窄带网络上传输。此外，本发明中还连接有GPS全球定位系统，可实现对监测对象的实时位置监控，可应用于对移动对象的监测监控。利用本发明，可建立多监测点、多监测区域、多级监控的实时远程监测、监控系统，实现集数据监测、视频监控、语音监督、GIS定位于一体的多媒体实时远程(广域)监控系统。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明系统方框示意图。

图2为本发明控制单元电路原理图。

图3为本发明控制单元SPI接口电路图。

图4为本发明无线传感器网络处理电路原理图。

图5为本发明电源管理电路原理图。

图6为本发明电源电路原理图。

图7为本发明视频信号解码电路原理图。

图8为本发明视频信号编码电路原理图。

图9为本发明音频信号编/解码电路原理图。

图10为本发明远程传输单元电路原理图。

图11为本发明传感器网络控制单元电路原理图。

图12为本发明烟雾传感器接入电路原理图。

图13为本发明无线传感器网络电路原理图。

具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其它凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明的保护范围之内。

本发明可实现数据监测、视频监控、语音监督、GIS定位的三网合一(数据监测网、视频监视网、电话调度网)，“四维一体”功能。本发明中包括控制单元、视频/音频编解码单元、远程传输系统单元、无线传感器网络接口单元、传感器、全球定位系统、摄像头、扬声器/麦克风，控制单元为本发明的核心单元，控制单元上连接有视频/音频编解码单元、远程传输系统单元、无线传感器网络接口单元、传感器、全球定位系统、摄像头、扬声器/麦克风。本发明改变现有技术中监控、监测系统一天24小时监视，并存贮在监控中心计算机海量存储器上，如发生事故，就调看录象的工作方式，而采用事件驱动视讯的模式，通过前端传感器部分实时监测被测对象，与预临界值相比较，并在线进行被测对象的风险评估，当达到预临界状态时，通过事件驱动视频、音频监控工作，将视频、音频传输至监控中心，实现预警、报警功能。对于不同的监测对象所存储的预警模型各不相同，具体的预临界值数值，可根据实际被测对象的具体情况和具体要求不同而具体设定。这样就可做到将事后处理转移至事前预警，使监控中心能进行安全调度，采取有效措施进行防范成为可能，提高了安全监控系统的可用性和有效性。本发明中将预警模型下推至前端，即在对被监测对象进行监测的同时，可实时评估被测对象的安全状态，只有当被测对象安全状态达到预临界值时，才会启动远程监控，将音/视频信号传输至控制中心。由传感器节点在线分析、辩识各类危险、危害因素，依据各类安全监测预警方法，如变形监测、物理与化学场监测、地下水监测和诱发因素监测、环境气象因素监测等方法，通风各种预警模型，如瓦斯异常值分析模型、测值组合异常分析模型、火灾实时分析及专家诊断预测与控制模型、水灾监测及专家诊断预测与控制模型、区域边坡地质灾害空间预测模型、时间预警预报模型、引入实时气象信息的时空耦合模型等，改变传统远程监控系统集中处理模式，这样可提高远程监控系统的实时性、可靠性，同时，降低了传输系统的资源开销，降低了系统造价、也降低了远程监控系统的运行成本。本发明中设有GPS全球定位系统，GPS全球定位系统与控制单元的数据端口连接，可通过GPS全球定位系统实时采集被监测对象的地理位置，本发明既可安装在固定被测对象上，也可安装在移动被测对象(汽车、轮船)上，实施对目标对象的远程监测的多媒体信息采集、处理和传输。尤其是移动监控车载装置，不但能通过GPS定位，同时，也可通过各类传感器和视讯系统，监视移动被测对象的运行状态，特别适合对危险品运输车辆远程监控的需求。

本发明中可通过无线传感器网络(Wireless Sensor Network简称WSN)传输视讯流至远程监控中心。一般无线传感器网络WSN支持的带宽较低，其有效带宽一般在40～60kbps，难以支持视讯流。本发明利用硬件编解码芯片，通过MPEG4或H.264编解码算法，可在窄带(40kbps)上实现QCIF分辨率的活动视频图象，满足监控方面的应用需求。本发明的各类传感器(包括摄像头、扬声器/麦克风)的数据传输都是通过无线传感器网络WSN实现。本发明还可通过远程传输系统通过不同网络接入技术(如：ADSL、VDSI、ATM、LMDS等)接入中国固定数据通信网或移动数据通信网络(如：GPRS、CDMA1X、卫星通信网络、3G网等)，实现IP接入，将音频、视频、地理位置等实时信息传输至远程监控中心。

本发明支持点到点(Peer-to-Peer)、星型(Star)、扩展的星型(Star-extend)、簇树型(Cluster Tree)等多种不同的网络拓扑结构。在本发明中，构建稳定的传感器网络，使其工作稳定可靠，覆盖范围大，支持的节点多。

请参看附图1，本发明的逻辑结构示意图如图中所示，控制单元为本发明的核心，各个传感器、摄像头、扬声器/麦克风、GPS系统均可通过无线网络节点与无线传感器网络接口单元连接，通过无线传感器网络接口单元将传感器、摄像头、扬声器/麦克风、GPS系统实时采集的数据传输至控制单元进行处理，摄像头、扬声器/麦克风也可以直接通过视频/音频编解码单元与控制单元连接，控制单元可通过远程传输系统单元接入中国固定数据通信网(Internet/Intranet)或移动数据通信网络，将音频、视频、地理位置等实时信息传输至远程监控中心。

下面结合具体电路原理图，对本发明做进一步说明。

请参看附图2，本单元为嵌入式过程控制单元，控制单元是关键部件，本实施例中控制单元主要采用多媒体应用处理器U1D作为核心芯片，本发明采用组件式结构，其硬件电路主要分为母板、核心板和其它模块板卡等组成。附图2中电路为母板主要电路原理图，图中多媒体应用处理器U1D为控制芯片，多媒体应用处理器U1D为控制芯片采用ARM系列单片机做主处理芯片，其内装有裁减后的LINUX作为嵌入式操作系统，该部件负责整个装置的过程控制、通信、信息处理、I/O、文件管理，其数据线和地址线分别以总线形式与外部插卡槽连接。本实施例中多媒体应用处理器U1D芯片采用型号为Z228芯片，具体实施时也可选用其他型号芯片代替。

请参看附图3，附图3电路为母板的IDE电路原理图，电路中采用多媒体应用处理器U3C作为核心芯片，控制单元通过此电路与本发明中各个部件想连接：

控制单元与视频/音频模块之间主要采用AC97总线相连接；

Z228接口	引脚说明	WM9712接口	引脚说明
				W20	AACISDATAIN	5	DATAOUT
V18	AACIBITCLK	6	BITCLK
				U18	AACISDATAOUT	8	DATAIN
T17	AACISYNC	10	SYNC
				V20	AACIRESET	11	RESEI

控制单元与无线传感器网络之间主要采用SPI接口连接。

Z228引脚	PIC18F620引脚	引脚说明
			T20	RD0	SSPTXD0
R17	RD1	SSPCLK0
			R20	RD2	SSPRXD0
R18	RD3	SSPFRM0
			T16	RD4	SSPINT

控制单元与摄像头模块之间主要采用I²C总线和8位数据线接口相连接；

Z228接口	引脚说明	OV7710芯片引脚	引脚说明
				8位数据线
F4	CSI_DATA0	36	CSI_DATA0
				C2	CSI_DATA1	37	CSI_DATA1
A1	CSI_DATA2	38	CSI_DATA2
				D6	CSI_DATA3	39	CSI_DATA3
D4	CSI_DATA4	40	CSI_DATA4
				C3	CSI_DATA5	41	CSI_DATA5
A2	CSI_DATA6	42	CSI_DATA6
				B3	CSI_DATA7	43	CSI_DATA7
I2C
				T11	CSI_SIO_D	46	CSI_SIO_D
T9	CSI_SIO_C	47	CSI_SIO_C
				视频输出
D3	CSI_MCLK	33	CSI_XCLK
				B2	CSI_PIXCLK	20	CSI_PCLK
E3	CSI_HREF	19	OV_HREF
				B1	CSI_VSYN	18	CSI_VSYNC

控制单元与扬声器模块之间主要通过HPoutL、HPoutR和Loud SPEAKER接口连接；

控制单元与远程传输单元之间采用16位数据线，8位地址线连接；

Z228引脚	LAN9115芯片引脚	引脚说明
			16位数据线
N2	D0	68K_s_DATA0
			M3	D1	68K_s_DATA1
M1	D2	68K_s_DATA2
			M2	D3	68K_s_DATA3
L3	D4	68K_s_DATA4
			L4	D5	68K_s_DATA5
M5	D6	68K_s_DATA6
			L1	D7	68K_s_DATA7
L2	D8	68K_s_DATA8
			K4	D9	68K_s_DATA9
K1	D10	68K_s_DATA10
			K2	D11	68K_s_DATA11
K6	D12	68K_s_DATA12
			J1	D13	68K_s_DATA13
K5	D14	68K_s_DATA14
			J2	D15	68K_s_DATA15

8位地址线
			W2	A1	EBIEXTADDROUT0
Y1	A2	EBIEXTADDROUT1
			W1	A3	EBIEXTADDROUT2
V2	A4	EBIEXTADDROUT3
			T4	A5	EBIEXTADDROUT4
U3	A6	EBIEXTADDROUT5
			R5	A7	EBIEXTADDROUT6

请参看附图4，本实施例中采用单片机系统作为无线网络传输处理系统，本实施例中单片机J3采用PIC系列单片机，本发明中采集到的视频信号通过8点接插头J8传输至单片机J3中，经过单片机J3处理后传输至无线网络。本实施例中单片机J3采用PIC18F4620型号单片机，具体实施时，也可采用其它型号或系列的单片机作为其替代品。

请参看附图5，本实施例中电源管理电路采用电源管理芯片U6和电源管理芯片U5为本发明中提供稳定电源。本实施例中，电源管理芯片U6采用RT9907，电源管理芯片U5采用RT9701PB。

此部分使用RT9907芯片将5V电源转换，并得到3.3V和1.8V电源，给相应电路供电，另外RT9907还有很好的短路和超电压保护功能，其它电路中也使用到3.3V电路由另外的电源芯片电路转换的。本实施例中使用多个电源转换芯片主要是为了不同电路需要的电流大小的差别。RT9701PB就是实现了将5V电源转换，目的是为了加大电路的工作电流。

请参看附图6，本实施例中主要采用5V和3.3V两种电源进行供电，电源电路中采用5V稳压芯片U20输出提供5V电源，采用3.3V稳压芯片U7输出提供3.3V电源。5V稳压芯片U20的输出经过整流二极管D4整流后输出3.3V电压，本实施例中，5V稳压芯片U20采用LM26795S-5型号的稳压芯片，3.3V稳压芯片U7采用XC6210A-33型号的稳压芯片，整流二极管D4采用MBRD835L型号整流二极管。

请参看附图7和附图8，本发明采用硬件对视频信号进行编码/解码，附图7为本发明中解码电路，附图8为本发明中编码电路。解码电路中采用解码芯片U2完成解码工作，视频信号通过视频端子J1传输至解码芯片U2中，通过解码芯片U2进行解码后，将模拟的视频信号转换为数字信号输出至网络传输单元。本实施例中解码芯片U2采用TVP5150A作为解码芯片。编码电路中采用编码芯片U3完成视频信号的编码工作，编码芯片U3将传输来的数字信号编码成模拟的视频信号通过视频端子J2输出。本实施例中采用MGEG4或H.264算法对视频、音频信号进行编解码。本实施例中，编码芯片U3采用SAA7120H作为编码芯片。

请参看附图9，本发明采用硬件对音频信号进行编码/解码，本实施例中采用编码解码器U4对音频信号进行编码或解码，并在编码解码器U4上直接连接有4线触摸屏，对本发明进行控制。在解码时，编码解码器U4直接采集麦克风传输来的音频信息，并对其进行解码，通过串行接口输出；在编码时，编码解码器U4对输入的数字音频信号进行编码后，输出至音频设备即扬声器，驱动其发声。本实施例中，编码解码器U4采用WM9712L，音频编码解码器U4上具有录音功能，可实时录制音频信号并存储在编码解码器U4中。

请参看附图10，本发明中远程传输通过网络芯片U1接入Internet/Intranet，本实施例中，网络芯片U1采用100MB的网络芯片LAN9115实现，网络芯片U1指示灯接口上连接有发光二极管LED1和发光二极管LED2，用于指示网络芯片U1是否正常工作。

请参看附图11，传感器网络接口采用单片机控制系统，利用接插头将传感器接入网络，具体实施时，只需将相应的传感器插接在接插头上，单片机J3负责传感器节点的接入、控制和管理，即可实现传感器的接入，大大增加了本发明的使用范围，可实现一个控制配合多种不同的传感器接入。传感器网络接口中的单片机J4采用PIC系列单片机，在其数据接口上连接有8点接插件JP7，通过8点接插件JP7实现传感器与控制系统的连接，本实施例中单片机J4采用PIC18F4620型单片机，具体实施时，也可采用其它系列或型号的单片机作为替代。

请参看附图12，以烟雾传感器为例说明传感器如何接入控制系统。离子烟雾报警器IC3的数据传输端通过三极管Q1与8点接插头J100的相应连接脚连接，离子烟雾报警器IC3的LED接口上连接有发光二极管D2，用于指示电源是否正常接入，数据传输端上也连接有发光二极管D1，用于指示离子烟雾报警器IC3是否正常工作及数据传输是否正常。

请参看附图13，本发明中无线传感器网络接口单元核心采用单片机IC3，单片机IC3采用PIC系列单片机，单片机IC3与2.4GHz射频芯片IC6连接，通过射频芯片IC6将本发明采集的实时数据通过无线网络发送至控制单元。本实施例中，单片机IC3采用PIC18F4620单片机，射频芯片IC6采用CC2420型号的芯片，具体实施时，也可采用其它型号芯片代替。

本发明的工作流程如下：

(1)嵌入式控制单元启动

a、连接远程监控中心；

b、嵌入式中心节点组建无线网络，等待其它无线节点加入到无线网络。

C、从文件中，读取并建立终设备终端信息表。

(2)、各类终端加入网络

各类终端启动后，加入到无线网络后；

中心节点根据加入无线节点信息，刷新实时信息表。

(3)、各类终端数据传输

各类终端成功加入网络后，将所监测的数据(信息)传输到中心节点。

(4)、智能传感器在正常情况下，定时传输数据到中心节点，也可以由中心节点通过点名的方式来获取最新数据。

正常状态下，嵌入式控制单元也可选择的打开和关闭，各终端的视频和语音，来进行监控。

GPS定位终端则定时发送定位数据到中心，可以实现实时监控。

(5)、嵌入式中心探测到传感器数据报警后，立即将智能传感器设置为紧急状态，实时传输监测数据。

同时，根据实时信息表，打开相关联的视频和语音，进行实时监控。

并且将报警数据、视频、语音、定位数据传输到远程监控中心。

(6)、远程监控

嵌入式控制单元通过远程传输单元将采集到信息传输远程监控中心。远程监控中心，实现远程四维一体监控。

本发明可广泛应用于工业生产安全过程控制、民用安全、消防、军事、地质灾害监测、桥梁、堤坝、隧道工程、结构安全等监测监控领域。

Claims (10)

1.一种四维一体实时监控多媒体信息采集装置，其特征是：所述的该装置包括控制单元、传感器、无线传感器网络接口单元、全球定位系统、摄像头、扬声器/麦克风、远程传输系统单元，所述的控制单元内存储有传感器检测对象预临界值和相关的预警模型，控制单元实时判断传感器检测到的被测对象安全状态数据，并与控制单元中存储的预临界值相比较，同时利用传感器实时采集的数据，在线进行被测对象的风险评估，当达到预临界状态时，控制单元通过无线传感器网络接口单元驱动摄像头、扬声器/麦克风工作，并通过无线传感器网络接口单元将当前实时采集的状态数据、视频及音频信息传输至控制单元，全球定位系统通过无线传感器网络接口单元连接至控制单元上，控制单元将采集到的状态数据、视频、音频及地理位置信息进行编解码处理后，通过远程传输系统单元传输至远程监控中心。

2.根据权利要求1所述的四维一体实时监控多媒体信息采集装置，其特征是：所述的远程传输系统单元可通过中国固定数据通信网或移动数据通信网络与远程监控中心连接。

3.根据权利要求2所述的四维一体实时监控多媒体信息采集装置，其特征是：所述的中国固定数据通信网可为Internet或Intranet(固定业务专网)网络。

4.根据权利要求2所述的四维一体实时监控多媒体信息采集装置，其特征是：所述的移动数据通信网络可为GPRS、CDMA1X、卫星通信网络、3G网。

5.根据权利要求2所述的四维一体实时监控多媒体信息采集装置，其特征是：所述的远程传输系统单元接入中国固定数据通信网或移动数据通信网络时，可采用ADSL、VDSL、ATM、MMDS、LMDS接入技术接入。

6.根据权利要求1或2所述的四维一体实时监控多媒体信息采集装置，其特征是：所述的视频信号经过解码芯片解码后，可存储在本装置中，同时经过硬件压缩编码后，通过远程传输系统单元传输至远程监控中心，在远程监控中心通过解码芯片进行解码。

7.根据权利要求6所述的四维一体实时监控多媒体信息采集装置，其特征是：所述的视频信号编解码采用MPEG4或H.264编解码压缩算法，实现活动视频图象在较窄的带宽上传输至远程监控中心，其视频信号以QCIF分辨率显示。

8.根据权利要求1或2所述的四维一体实时监控多媒体信息采集装置，其特征是：所述的音频信号通过编解码芯片进行编码后利用远程传输系统单元传输至远程监控中心，在远程监控中心通过编解码芯片进行解码。

9.根据权利要求1或2所述的四维一体实时监控多媒体信息采集装置，其特征是：所述的传感器可通过点到点、星型、扩展的星型、簇树型拓扑结构接入系统。

10.根据权利要求6或8所述的四维一体实时监控多媒体信息采集装置，其特征是：所述的视频信号和音频信号通过编解码芯片在本装置进行录制和播放。

Images