CN101753993A - 一种结合无线传感器网络的远程视频监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种结合无线传感器网络的远程视频监控系统，系统将无线传感器网络与视频监控系统相结合，包括可任意放置的具有感知和采集环境信息数据功能的无线传感器网络节点、安装在监测环境的一个或多个摄像头、实现组建和管理无线传感器网络，控制摄像头监控动作并进行音/视频数据处理和传输的网络视频设备终端，与该网络视频设备终端通过Internet网络连接实现数据存储的大型服务器以及带有智能监控管理系统的远程监控中心。该系统将无线传感器网络应用在视频监控系统中，实现无线传感器网络与Internet网络相结合的双层网络结构。该系统具有应用环境广泛，易安装维护，系统可靠性高，环境异常反应迅速，报警及时等特点。
Description
技术领域
本发明涉及视频监控技术领域，尤其涉及一种结合无线传感器网络，采用无线传输方式进行通信的环境监控系统。
背景技术：
视频监控系统是安全防范系统的组成部分，以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控制技术也有长足的发展。随着社会的发展，视频监控系统也随之经历了三个时代：模拟系统时代，半数字系统时代和全数字系统时代(视频从前端图像采集设备输出时即为数字信号)。监控系统的智能化，多网结合将是视频监控系统发展的必然趋势。
无线传感器网络集传感器技术、微机电系统技术、嵌入式计算技术、无线通信技术和分布式信息处理技术于一体，因其广阔的应用前景而成为当今世界上备受关注的、多学科高度交叉的热点研究领域。
Zigbee是一种短距离、低速率无线网络通信技术，其开发是为了建立一种低成本、低功耗的小区域的无线通信方式，在此基础上通过软件协议栈发展出自组织、易布建的大容量、不依赖现有通信网络和现有电力网络的无线网络。作为一种新兴的无线传输标准，Zigbee主要有以下一些特征：
1、低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长，这是Zigbee的突出优势。
2、低成本：协议简单且所需的存储空间小，这极大降低了Zigbee的成本，而且Zigbee协议是免专利费的。
3、低速率：Zigbee工作在2.4GHz频段的通讯速率为250kb/s，915MHz频段的通讯速率为40kb/s，868MHz频段的通讯速率只有20kb/s，满足低速率传输数据的应用需求。
4、时延短：Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，一方面进一步节省了电能，另一方面更适用于对时延敏感的场合，例如一些应用在工业上的传感器就需要以毫秒的速度获取信息，以及安装在厨房内的烟雾探测器也需要在尽量短的时间内获取信息并传输给网络控制者，从而阻止火灾的发生。
5、传输范围小：在不使用功率放大器的前提下，Zigbee节点的有效传输范围一般为10～75m，能覆盖普通的家庭和办公场所。在增加RF发射功率后，可增加到1～3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
6、可靠性高：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。
目前，ZigBee技术的主要应用领域包括工业自动化、智能楼宇、消费和家用自动化以及医用设备控制和农业自动化等方面。当前国内外对ZigBee技术的研究应用也集中在这几个方面，但是，将ZigBee技术用于视频监控领域的研究和实现比较少见。
传统的视频监控系统包括视频服务器，以及与其相连的安装在监控场所的一个或多个摄像头。视频服务器通过视频线路接收摄像头采集的视频数据，通过网络接口，将视频数据传输到网络的客户监控终端。客户通过视频管理系统接收视频数据，并通过显示屏显示。传统的视频监控系统存在着以下缺陷：
目前，大多的视频监控场所不能实现摄像头与监视屏一对一的关系，而是一个监视屏轮流播放多个摄像头，大多数摄像头的视频录像不能被显示，只能存储待事后取证时察看。同时视频监控的监视屏前不能保证有充足的人员进行监控，并且人的注意力不能长时间高度集中，并非是一个可以完全信赖的观察者。当检测区域大于摄像头的拍摄范围时，摄像头按照固定的程序扫描检测区域，不能自动的在第一时间将摄像头定位在有异常出现的区域，这个过程需要人工操控，而人类经常无法察觉一些威胁的存在从而导致漏报和无法及时定位受威胁区域，失去了事前预警，处理的时机。
现今无线传感器网络已广泛应用于数据传输量小，传输延时和功耗消耗低的实时监测、感知和采集各种环境或监测对象信息中，采用无线传感器网络技术进行环境监测的方法开始受到关注。但是将无线传感器网络应用于视频监控领域还属少数。中国专利申请CN 200710134480.0“基于无线传感器网络的远程图像监控系统”中，无线传感器终端设备必须具有实时拍照和数据传输的功能，使得其硬件复杂度较高，体积较大，能耗较高，而且每个终端设备都配备图像采集模块，成本过高，由于无线传感器网络的特点是低速率数据传输，不适合传输大量的视频数据，该设备只具有传输图像的功能。
发明内容
本发明的目的是为了克服传统视频监控系统的不足，提供一种结合无线传感器网络的远程视频监控系统，该监控系统使用网络视频设备终端将Zigbee无线传感器网络与Internet网络相结合，通过在监控环境布置低功耗，自组织，自恢复的无线传感器网络，避免了传统有线方式采集点布置困难、系统成本高、安装维护难度大的缺点。网络视频设备终端通过GPRS网络发送报警信息至手机用户，并将报警阶段的环境监测信息保存至大型服务器，具有易于安装维护，系统可靠性高，环境异常反应迅速，报警及时等特点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种结合无线传感器网络的远程视频监控系统，它包括无线传感器节点，摄像头，网络视频设备终端，远程监控中心和大型服务器；其中无线传感器节点和网络视频设备终端是通过无线通信连接，摄像头通过RS485总线与网络视频设备终端连接，网络视频设备终端与远程监控中心和大型服务器通过Internet连接。
本发明所述的无线传感器节点由无线通信模块，电源管理模块，传感器模块，I/O控制模块和射频通信模块等构成。无线传感器模块由一块系统级芯片构成，内嵌有微处理器，具有数据处理和控制各硬件模块协调工作的功能；ROM/RAM存储器，为微处理器提供数据存储器和指令存储器，存储Zigbee通信协议栈；能量管理模块，使得微处理器可以进入不同程度的睡眠状态，最大程度的节约能源，实现低功耗。电源管理模块为硬件电路各个模块提供不同电压的电源；传感器模块具有感知和采集环境信息数据的功能，不同的传感器模块可以采集不同的环境信息数据；I/O控制模块用于无线传感器模块对外围设备的开关信号控制。无线传感器模块控制各种传感器感知和采集监测环境信息数据，并通过无线通信模块发送至网络视频设备终端。
本发明所述的摄像头由部署在监控环境中的一个或多个摄像头及云台构成。网络视频设备终端使用RS485总线与摄像头云台连接，发送控制命令，实现对摄像头监控区域，聚焦等动作的控制。
本发明所述的网络视频设备终端由微处理器模块，存储器模块，系统模块，音/视频接口模块，I/O控制及通信接口模块组成。微处理器模块采用双MCU结构，MCU之间通过RS232总线连接，一个MCU实现无线传感器网络的管理和组建功能，一个MCU实现音/视频数据的处理，存储和网络分发，及各个硬件电路模块的协调工作。存储模块和系统模块为系统提供基本的运行环境和调试接口，系统使用PCI-SATA接口将采集的音/视频数据及环境监测信息数据存入本地硬盘存储器中。音/视频接口模块实现音/视频数据的采集输入和输出显示。系统I/O控制及通信接口模块包括控制摄像头的RS485接口，连接Internet的10/100Mbit/s以太网接口，扩展网络视频设备终端功能的USB接口，GPRS模块实现网络视频设备终端与GPRS网络的连接，通过GPRS网络发送监控环境报警信息，I/O控制模块实现外围电路开关信号的控制，例如现场蜂鸣器报警开关控制等。
本发明所述的大型服务器用于存储由网络视频设备终端通过Internet网络传输的环境监控数据，包括音/视频数据及无线传感器网络监测数据，提供远程监控中心数据访问功能。远程监控中心带有视频监控管理系统，该系统包括视频监控控制模块，网络视频设备终端配置模块，无线传感器网络配置模块，帮助模块。视频监控控制模块用于显示当前已注册设备的视频信息，并完成客户端与网络视频设备终端之间的交互工作；网络视频设备终端配置模块用于完成网络视频设备终端主要参数的配置工作；无线传感器网络配置模块用于组建和管理无线传感器网络，完成无线传感器网络的参数配置工作；帮助模块用于显示本系统的版权、版本号、技术疑问联系方式信息。
结合无线传感器网络的远程监控系统的工作方法为：远程监控中心通过安装在监控环境的摄像头对监控环境进行视频监控，并通过网络视频设备终端组建和管理无线传感器网络，分布在监控环境的传感器节点周期性地将采集的环境数据信息通过无线传感器网络发送到网络视频设备终端，再由网络视频设备终端通过Internet发送到远程监控中心实现实时监控。当监控环境发生异常变化时，网络视频设备终端通过GPRS模块发送报警信息至远程手机用户，实现实时报警功能，并将报警阶段采集的环境信息通过Internet发送至大型服务器存储备份。
具体实施步骤如下：
步骤a：在需要监测的环境内安装摄像头和无线传感器网络节点，无线传感器网络节点采用两节5号电池供电方式，并定时查询是否有可加入的无线传感器网络。摄像头与网络视频设备终端通过RS485总线及视频传输线连接。
步骤b：打开无线传感器节点电源开关，节点开始周期发送无线传感器网络探测信息，请求加入相关的无线传感器监控网络。启动网络视频设备终端，通过10/100Mbit/s以太网口连接Internet，等待来自远程监控中心发布初始化控制命令。
步骤c：远程监控中心发布视频监控初始化控制命令，设置网络视频设备终端监控参数。网络视频设备终端接收到视频监控初始化控制命令以后，通过RS485总线设定各个摄像头的视频监控区域及循环扫描顺序，并将采集的视频数据存储在本地硬盘存储器同时发送到远程监控中心进行实时监控。
步骤d：远程监控中心发布无线传感器网络初始化控制命令，设置无线传感器网络的参数及各个传感器节点的环境数据采集周期和报警门限等参数。网络视频设备终端接收到无线传感器网络初始化控制命令后，组建网络，探测无线传感器节点发布的请求加入网络信息后，添加该传感器节点并进行网络管理。
步骤e：传感器节点以远程监控中心设定的数据采集周期定时将采集的环境信息数据发送至网络视频设备终端。数据经过网络视频设备终端分析处理后，存储至本地硬盘存储器并通过Internet传送到远程监控中心。传感器节点在非数据采集阶段处于睡眠状态，达到节电效果。
步骤f：当采集的环境信息数据出现异常时(如超出网络视频设备终端设定的报警门限)，该无线传感器节点按照程序设定的预警措施，控制外围电路的开关动作，并将该开关状态及采集的环境信息数据发送到网络视频设备终端。网络视频设备终端接收到该信息后，控制相应的摄像头，锁定报警区域，将报警区域的音/视频信息及传感器信息传送至远程监控中心实时监控，并存入大型服务器中进行数据存储备份，用于将来的报警信息历史查询。同时，在现场采用蜂鸣器实现现场报警并通过GPRS网络发送报警信号到手机用户。网络视频设备终端收到远程监控中心或收机用户的报警解除命令后解除报警。
本发明结合无线传感器网络的远程监控系统的有益效果是：
1、采用Zigbee无线传感器网络技术，构建低功耗，自组织，自恢复的无线监控网络，避免了传统电缆布线监控网络布置困难，系统成本高，安装维护难度大的缺点。无线传感器节点采用两节5号电池供电，既适用于一般的家居安防监测环境，也适用于一些工作人员无法长期滞留的监测环境，使得该监控系统具有更广泛的应用。
2、无线传感器网络技术与视频监控系统的结合，使得视频监控系统可以更快速有效的锁定报警区域，系统可靠性高，环境异常反应迅速；同时无线传感器节点的预警动作，可以快速的缓解或处理报警事件，实现智能化监控。
3、网络视频设备终端通过GPRS网络发送报警短信至手机用户，客户可以通过Internet连接网络视频设备终端查看监控区域情况，做到报警实时。
4、网络视频设备终端将报警时的监控数据存入大型服务器中，保证报警时段的监控数据安全和历史查询。
5、结合无线传感器网络的远程监控系统操作性能好，使用简单，用户即可以通过互联网对监控网络进行查询和设置，也可以通过手机短信实现远程操作。
附图说明
图1是本发明的监控系统体系图；
图2是本发明的无线传感器节点系统框图；
图3是本发明的网络视频设备终端系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明包括安装在监测环境中的多个无线传感器监测节点和一个或多个摄像头，网络视频设备终端，大型服务器和带有监控管理系统的客户终端。网络视频设备终端通过无线通信方式与分布在监测环境中的多个传感器节点连接，组建和管理无线传感器网络，通过RS485总线和安装在监测环境中的摄像头设备连接，控制摄像头动作。网络视频设备终端通过Internet连接到WLAN，将无线传感器网络检测到的环境信息数据和摄像头采集的音/视频数据进行分析和处理后存储到本地硬盘存储器及大型服务器中，在监测环境发生异常变化时，将报警信息通过GPRS网络发送到用户手机上。远程监控中心通过Internet连接到网络视频设备终端，实现对该系统的智能管理。
图2是本发明中无线传感器节点的系统框图，包括由具有能量管理功能的微处理器，存储无线传感器网络通信协议栈及程序代码的存储器，为硬件电路各个模块供电的电源模块，感知和采集环境信息数据的各种传感器，继电器等外围电路开关控制模块以及实现无线通信的通信模块组成。所述的无线传感器节点可以采用JENNIC公司的无线传感器系统模块JN5121实现，微处理器控制各种传感器感知和采集监测环境信息数据，并通过无线通信模块发送到网络视频设备终端中。该微处理器所具有的能量管理功能使无线传感器节点根据不同的任务状态处于不同的工作状态，当任务空闲时可以进入睡眠状态，最大程度的节约能源，实现低功耗。
图3是本发明中网络视频设备终端系统框图，由微处理器模块，存储器模块，系统模块，音/视频接口模块，I/O通信控制模块组成。微处理器模块采用双MCU结构，可以采用海思半导体公司的芯片Hi3511和JENNIC公司无线传感器节点系统模块JN5121，两块芯片之间通过RS232总线实现数据通信，JN5121实现无线传感器网络的管理和组建功能，Hi3511实现音/视频数据的处理，存储和网络分发，及各个硬件电路模块的协调工作。存储模块和系统模块为系统提供基本的运行环境和调试接口，系统使用PCI-SATA接口将采集的音/视频数据及环境监测数据存入本地硬盘存储器中，可以采用Silicon公司的PCI桥接芯片Sil3114。音/视频接口模块实现音/视频数据的采集和输出，可以采用Techwell公司的TW2815芯片将摄像头采集的图像数据编码后传输到Hi3511处理器中进行数据处理，采用Analog Device公司的ADV7179芯片，Hi3511处理器处理过后的数据通过ADV7179芯片编码后输出至监控显示终端显示输出。系统I/O通信控制模块包括系统调试RS232接口，控制摄像头的RS485接口，连接Internet的10/100Mbit/s以太网接口，扩展网络视频设备终端功能的USB接口，GPRS模块实现网络视频设备终端与GPRS网络的连接，通过GPRS网络发送监控环境报警信息，可以采用西门子公司的西门子mc39i GPRS模块。射频收发天线用于网络视频设备终端与无线传感器网络的无线通信，I/O控制继电器实现现场蜂鸣器报警，开关控制等。
安装在监控区域的结合无线传感器网络的视频监控系统，实现无线传感器网络与视频监控网络的连接，弥补传统视频监控网络的不足。无线传感器网络与Internet网络双层网络的结合具有易于安装维护，系统可靠性高，环境异常反应迅速，报警及时等特点。其具体实施步骤如下：
步骤a：在需要监测的环境内安装摄像头和无线传感器网络节点，无线传感器网络节点采用两节5号电池供电方式，并定时查询是否有可加入的无线传感器网络。摄像头与网络视频设备终端通过RS485总线及视频传输线连接。
步骤b：打开无线传感器节点电源开关，节点开始周期发送无线传感器网络探测信息，请求加入相关的无线传感器监控网络。启动网络视频设备终端，通过10/100Mbit/s以太网口连接Internet，等待来自远程监控中心发布初始化控制命令。
步骤c：远程监控中心发布视频监控初始化控制命令，设置网络视频设备终端监控参数。网络视频设备终端接收到视频监控初始化控制命令以后，通过RS485总线设定各个摄像头的视频监控区域及循环扫描顺序，并将采集的视频数据存储在本地硬盘存储器同时发送到远程监控中心进行实时监控。
步骤d：远程监控中心发布无线传感器网络初始化控制命令，设置无线传感器网络的参数及各个传感器节点的环境数据采集周期和报警门限等参数。网络视频设备终端接收到无线传感器网络初始化控制命令后，组建网络，探测无线传感器节点发布的请求加入网络信息后，添加该传感器节点并进行网络管理。
步骤e：传感器节点以远程监控中心设定的数据采集周期定时将采集的环境信息数据发送至网络视频设备终端。数据经过网络视频设备终端分析处理后，存储至本地硬盘存储器并通过Internet传送到远程监控中心。传感器节点在非数据采集阶段处于睡眠状态，达到节电效果。
步骤f：当采集的环境信息数据出现异常时(如超出网络视频设备终端设定的报警门限)，该无线传感器节点按照程序设定的预警措施，控制外围电路的开关动作，并将该开关状态及采集的环境信息数据发送到网络视频设备终端。网络视频设备终端接收到该信息后，控制相应的摄像头，锁定报警区域，将报警区域的音/视频信息及传感器信息传送至远程监控中心实时监控，并存入大型服务器中进行数据存储备份，用于将来的报警信息历史查询。同时，在现场采用蜂鸣器实现现场报警并通过GPRS网络发送报警信号到手机用户。网络视频设备终端收到远程监控中心或收机用户的报警解除命令后解除报警。
Claims (5)
1.一种结合无线传感器网络的远程视频监控系统，其特征在于，该系统包括安装在监控环境中的多个无线传感器监测节点、一个或多个摄像头、网络视频设备终端、大型服务器和带有智能监控管理系统的远程监控中心。其中，所述网络视频设备终端通过无线通信方式与分布在监控环境中的多个无线传感器节点连接，组建和管理无线传感器网络；通过RS485总线与安装在监测环境中的摄像头控制云台连接，控制摄像头动作。网络视频设备终端通过以太网接口连接到Internet，将无线传感器网络感知和采集的环境数据和摄像头采集的音/视频数据进行分析和处理后存储到本地硬盘存储器及大型服务器中，并在环境发生异常变化时将报警信息通过GPRS网络发送到用户手机上。远程监控中心通过Internet连接网络视频设备终端，实现对该系统的智能管理。
2.根据权利要求1所述的结合无线传感器网络的远程监控系统，其特征在于，所述无线传感器监测节点包括以下子模块：
1)无线传感器模块由一块系统级芯片构成，内嵌有微处理器，具有数据处理和控制各硬件模块协调工作的功能；ROM/RAM存储器，为微处理器提供数据存储器和指令存储器，存储Zigbee通信协议栈；能量管理模块，使得微处理器可以进入不同程度的睡眠状态，节约能量。
2)电源管理模块，为各个硬件电路模块提供电源。
3)EEPROM，具有存储程序代码的功能。
4)时钟模块，为无线传感器模块提供晶振，复位电路包括看门狗复位电路，RS232串口通信模块用作调试接口，射频收发天线用于实现无线传感器网络的无线通信。
5)传感器模块，具有感知环境进行数据信息采集的功能，不同的传感器模块可以采集不同的环境信息数据，例如温度传感器采集传感器周围的温度信息，湿度传感器采集传感器周围的湿度信息等。
6)I/O控制模块，用于无线传感器模块对外围设备的开关信号控制，如开启或关闭湿度调节器等。
3.根据权利要求1所述的结合无线传感器网络的远程监控系统，其特征在于，所述网络视频设备终端包括以下子模块：
1)微控制器模块，由具有音/视频数据处理及控制各硬件模块协调工作功能的微控制器和具有组建，管理Zigbee无线传感器网络功能的系统级芯片构成；两个微控制器通过串口连接。
2)存储模块，包括Flash、DDR2，用于为微处理器提供数据存储器和指令存储器，PCI-SATA接口连接硬盘存储器，作为本地存储设备，负责存储监控系统采集的音/视频数据和环境监测数据。
3)系统模块，包括JTAG接口和RS232接口，用于程序的烧写和调试，复位电路包括一块看门狗复位电路，电源管理模块为各个模块提供不同的电源电压，实时时钟电路为系统提供实时时钟。
4)音/视频接口模块，包括音/视频的输入/输出，摄像头采集的音/视频数据通过视频输入传输到微控制器模块进行分析和处理；也可以将存储的音/视频数据通过视频输出接口传输到显示设备。
5)I/O控制及通信接口模块，包括I/O控制模块和通信接口。I/O控制模块连接继电器等开关设备，实现外围电路的开关控制功能；GPRS模块连接网络视频设备终端和GPRS网络，当监控环境发生异常变化时，网络视频设备终端通过GPRS模块发送报警信息至到客户手机终端，实现实时报警功能；10/100Mbit/s以太网网络接口模块使网络视频设备终端具有通过有线接入Internet的功能，同时USB模块允许网络视频设备终端通过EVDO实现Internet的无线接入，USB模块也可以接入其他设备扩展网络视频设备终端的功能；RS485总线用于网络视频设备终端实现对摄像头的云台控制；射频收发天线实现无线传感器网络的无线通信。
4.根据权利要求1所述的结合无线传感器网络的远程监控系统，其特征在于，所述远程监控中心带有视频监控管理系统，该系统包括视频监控控制模块、网络视频设备终端配置模块、无线传感器网络配置模块和帮助模块。视频监控控制模块用于显示当前已注册设备的视频信息，并完成客户端与网络视频设备终端之间的交互工作；网络视频设备终端配置模块用于完成网络视频设备终端主要参数的配置工作；无线传感器网络配置模块用于组建和管理无线传感器网络，完成无线传感器网络的参数配置工作；帮助模块用于显示本系统的版权、版本号、技术疑问联系方式信息。
5.根据权利要求1所述的结合无线传感器网络的远程监控系统，其特征在于，所述大型服务器具有强大的数据库管理系统和网络数据访问功能，使其可以存储网络视频设备终端通过Internet传输的环境监测数据，同时提供远程监控中心的数据访问功能，实现历史数据查询。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20100623 |