CN103945179A - 一种基于分布式无线传感器网络的智能视频监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分布式无线传感器网络的智能视频监控系统，本发明将无线传感器网络与视频图像监控系统有效结合，系统主要由智能视频监控设备、传输节点、汇聚节点、视频数据云服务中心和用户接入终端组成。智能视频监控设备将预警信息通过无线传感器网络发送至汇聚节点，汇聚节点通过互联网、移动通信网将该信息传输至视频数据云服务中心或用户接入终端，视频数据云服务中心存储历史数据并允许用户接入终端实时访问。本发明充分结合视频监控系统和无线传感器网络各自的优点，具有智能预警、反应灵敏、用户操作简单和部署维护方便等特点。

Description

一种基于分布式无线传感器网络的智能视频监控系统

技术领域

本发明属于无线通信和无线传感器网络技术领域，特别涉及一种基于分布式无线传感器网络的智能视频监控系统及方法。 

背景技术

视频监控系统是公共区域或家居环境安全防护系统的重要组成部分，视频监控以其直观、快捷和方便等面向服务的特点而被广泛采纳。近年来，计算机技术、通信技术和互联网技术的飞速发展，直接带动了视频监控系统的快速发展，主要体现在：视频监控系统数字化、网络化和智能化，而多种传输支持网络的融合，也是视频监控系统发展的趋势。 

无线传感器网络实现了数据的采集、处理和传输三种功能。它与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。无线传感器网络一般具有如下特点： 

1.大规模：为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内；另一方面，传感器节点部署很密集，在面积较小的空间内，密集部署了大量的传感器节点。 

2.自组织：在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方，传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。 

3.动态性：传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：环境因素或电能耗尽造成的传感器节点故障或失效；环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；新节点的加入等。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 

4.可靠性：无线传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，节点可能工作在露天环境中，遭受日晒、风吹、雨淋，甚至遭到人或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络 的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。 

5.通信速率低：由于无线传感器网络节点的尺寸小、结构简单、能源受限等特点，导致节点间通信速率较低。例如：Zigbee工作在2.4GHz频段的理论通信速率为250kb/s，915MHz频段的理论通信速率为40kb/s，868MHz频段的理论通信速率仅为20kb/s，仅能满足低速率数据传输。 

无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。但是，由于上述无线传感器网络中通信速率低的特点，视频信号和视频数据的采集和传输对于无线传感器网络具有较大困难。 

传统的网络视频监控系统主要包括网络视频服务器、数据库服务器和通过网络与该服务器相连的摄像头等。传统网络视频监控系统通常设备的尺寸较大、网络拓扑结构复杂、成本较高以及在某些恶劣或特殊的应用环境难于部署。同时，传统的网络视频监控系统主要提供视频或图像的采集和传输功能，无法提供图像分析和智能预警等功能，而这对于视频监控系统的大规模部署和应用是至关重要的。另外，由于无线传感器网络的传输速率低，而图像或视频的信息量相对较大，因此利用无线传感器网络传输视频或图像信号，技术难度较高，这直接导致了两者无法有效融合。 

发明内容

为了克服传统视频或图像监控系统存在的部署困难、无法实时智能预警等一系列问题，本发明提供一种基于无线传感器网络的智能视频监控系统。该系统将智能视频监控设备、无线传感器网络、移动通信网络和互联网相互结合，通过智能视频监控设备提供的视频压缩算法，将视频传感器采集到的数据进行压缩，以适应无线传感器网络低传输速率的工作模式，通过硬件缓存机制，将视频数据进行存储并通过图像处理算法对上下文进行分析比对，以确定是否需要发送预警信息。在监控环境内部署本系统，避免了传统视频或图像监控系统布线困难、部署条件受限、系统成本高、预警不及时等缺点。智能视频监控设备可将采集到的数据进行压缩处理并通过无线传感器网络以多跳的形式传输到汇聚节点（Sink节点），汇聚节点采用高性能嵌入式设备，首先将接收到的视频数据存入嵌入式数据库，然后通过通信模块将该视频数据传输至云平台进行分析和存储或直接传输至用户移动终端，完成视频信息的传输和处理工作。该系统具有部署灵活、自组织、自恢复、可靠性高和便于维护等特点。 

本发明的技术方案如下：如图1所示，一种基于分布式无线传感器网络的智能视频监控系统，包括智能视频监控设备、无线传感器网络传输节点、汇聚节点、视频数据云服务中心 和用户接入终端。其中，智能视频监控设备和无线传感器网络传输节点相连，在工程应用中，可将两者融为一体；传输节点与汇聚节点通过无线传感器网络进行数据传输；汇聚节点与视频数据云服务中心通过互联网或移动通信网进行数据传输；用户接入终端通过互联网或移动通信网对视频数据云服务中心进行访问，汇聚节点也可以直接将数据通过移动通信网向用户接入终端发送。 

本发明所述的智能视频监控设备由视频传感器模块、中央处理器模块、数据存储模块、无线传感器网络通信模块和能量管理模块组成。视频传感器模块主要由数字摄像头及缓存芯片组成，负责从物理环境中采集视频信号或图像信号，经过缓存处理后通过串行或并行方式发送给中央处理器模块；中央处理器模块由嵌入式微处理器及相应外围电路组成，负责对图像数据进行压缩、降噪和上下文对比等处理；数据存储模块由嵌入式存储器及相关外围电路组成，负责对处理器处理后的数据进行存储；无线传感器网络通信模块负责将预警数据通过无线传感器网络向汇聚节点发送；系统工作时，视频传感器模块采集视频数据，传给中央处理器模块，该模块将压缩后的图像存入数据存储模块，并针对某些安全监控应用场景对数据存储模块中的上下文数据进行分析比对，如果发现某一图像在频域有较大变化，则说明有非法入侵的情况发生，此时立即将该幅图像通过无线传感器网络模块向汇聚节点发送。能量管理模块负责整个系统的电力供应及休眠调度等工作。 

本发明所述的无线传感器网络传输节点由缓存模块、通信模块和能量管理模块组成，传输节点的主要功能是将智能视频监控设备向汇聚节点发送的数据进行中继，以多跳的方式向汇聚节点转发，延长通信距离。对于通信链路上的某些吞吐量较大的节点，数据收发量较大，需要缓存模块首先对数据进行缓存，然后转发，以此降低通信失败概率，保证系统可靠性。 

本发明所述的汇聚节点由高性能嵌入式处理器、高性能RAM/ROM、无线传感器网络通信模块、互联网通信模块、移动通信网通信模块、嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统和人机交互界面组成。所述高性能嵌入式处理器可以采用ARM或单片机作为核心处理器；互联网通信模块可以采用有线和无线两种连接方式，包括RJ-45接口和WIFI模块。所述移动通信网通信模块包括GPRS、EDGE、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000、TD-LTE和FD-LTE等各代通信技术及其配套通信模块。汇聚节点负责接收智能视频监控设备通过无线传感器网络发送的图像数据，判断该数据是否需要立即发送至用户终端并将其存入本地嵌入式数据库系统，形成历史记录，用户可以通过人机交互界面，在本地调取近期监控记录。如果该图像内容为预警信息，则将该图像通过互联网通信模块或移动通信网通信模块发送至用户终端，提醒用户监控区域可能出现隐患。 

本发明所述的视频数据云服务中心主要包括Web服务器、业务处理服务器和数据库服务 器及相应的服务器软件。业务处理服务器负责接收从监控区域的汇聚节点处发送的图像数据，业务处理程序负责解析该数据，根据源地址编号，可以区分图像数据的源地址并存入数据库服务器相应的位置。Web服务器通过调用数据库服务器中的各类数据，为用户提供视频图像监控管理信息系统，包括查询、删除、标记、导入导出、数据分析、数据统计和用户自身管理等一系列功能。通过引入视频数据云服务中心，系统可以被大量用户同时使用，通过角色管理彼此区分，安全性高。同时，业务处理服务器可以为用户接入终端提供各类接入接口，例如Http方式接口、Socket方式接口以及第三方即时通信工具接入接口，例如微信公众平台接口、易信公众平台接口等，该方式大大提高了本系统的复用性和扩展性，为系统的实际应用和推广提供了便利。 

本发明所述的用户接入终端主要包括移动通信终端、手机、PC机等多种形式。用户可以通过该终端访问视频数据云服务中心，查看实时监控数据、历史记录数据并对数据进行分析、统计等操作。用户还可以通过终端对远程监控区域进行控制，包括机械部件控制、调整监控节点参数、关闭或开启某些监控节点等。如果智能视频监控设备有预警信息产生，则该预警信息将通过视频数据云服务中心主动向用户终端推送，如果预警信息等级较高、情况紧急，则汇聚节点可以通过彩信、短信等方式直接向用户推送。 

基于分布式无线传感器网络的智能视频监控系统的工作方法为： 

步骤1：在监控区域部署智能视频监控设备、传输节点和汇聚节点；搭建视频数据云服务中心；将用户接入终端连入整个网络系统。 

步骤2：系统运行时，智能视频监控设备负责采集监控区域内的图像信息，通过图像压缩算法对原始图像信息进行压缩使其适应无线传感器网络的传输，通过上下文智能比对算法对图像信息的内容进行分析，判断是否需要生成预警信息。 

步骤3：如果某一幅图像需要产生预警信息，则将该图像通过无线传感器网络向汇聚节点传输，如果传输链路较长，则可以利用传输节点以多跳中继的方式与汇聚节点通信。 

步骤4：汇聚节点接收该预警图像信息后，首先判断警报级别，若警报级别较高，则直接通过彩信、短信或移动通信网络向用户接入终端发送该警报信息，发送成功后将该预警图像信息存入本地嵌入式数据库进行暂存，同时上传至视频数据云服务中心。如果警报级别较低，则首先将该预警图像信息暂存至本地嵌入式数据库，然后上传至视频数据云服务中心。 

步骤5：视频数据云服务中心接收汇聚节点上传的图像，根据数据结构判断源地址、用户信息和警报级别等参数，分别存入数据库服务器对应的区域，通过web服务器或业务处理服务器对外提供查询、删除、标记、导入导出、数据分析、数据统计和用户自身管理等服务。 

步骤6：用户接入终端通过互联网或移动通信网对视频数据云服务中心进行访问，查看 与自身权限相对应的监控区域内的视频图像数据，可以对该数据进行各种操作。如果用户需要调整监控区域内的智能视频监控节点的参数，则可以通过该终端直接发送命令进行调整，闭环反馈。 

本发明的有益效果是： 

1.本发明结合了视频图像监控系统与无线传感器网络各自的优点，解决了利用低传输速率的无线传感器网络传输图像信息的困难，扩展了视频监控区域的范围，克服了传统布线视频监控系统和网络摄像头成本高、系统部署困难和安装维护难度较大的缺点，在家庭安防监控和某些特殊行业的视频监控领域有着广泛的应用前景。 

2.本发明采用原始图像的压缩和上下文比对技术，可以智能生成和识别预警信息并迅速向用户反馈，大大提高了视频图像监控系统的预警性能。同时，对预警信息区分等级，不同等级采取不同的传输形式和存储形式，提高通信效率，节省信道资源。 

3.本发明引入采用视频数据云服务中心，对整个监控网络进行全局的统筹和规划，提供角色管理、权限管理功能、数据管理等功能，可以将多个监控区域和多个用户同时接入本系统，形成用户和监控区域一对一、一对多、多对多的匹配关系，有效提高系统容量和网络复用能力，节约成本，适宜在实际应用中商用和推广。 

4.本发明公开的智能视频监控系统，可以在监控区域和用户端之间形成完整的闭环管理和反馈流程，安全可靠。 

附图说明

图1：无线传感器网络智能视频监控系统模型图。 

图2：智能视频监控设备结构图。 

图3：汇聚节点结构图。 

具体实施方式

为使本发明的技术方案和技术优点更加直观和清晰，以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的详细说明。 

如图1所示，一种基于分布式无线传感器网络的智能视频监控系统由监控区域、视频数据云服务中心、用户接入终端和相应的通信链路组成。 

本发明所述的智能视频监控设备如图2所示，主要包括数字摄像头、图像处理芯片、中央处理器、缓存器、无线传感器网络通信模块和电源管理模块。数字摄像头直接输出数字视频或图像信号；图像处理芯片主要用于图像信号的压缩、编码和上下文比对，可以采用飞思卡尔（freescale）公司的LCD Kinetis微控制器系列；中央处理器负责对处理后的图像进行暂存和发送操作，性能要求不高，可采用单片机作为处理器，例如恩智浦（NXP）公司的低端 微处理器产品；缓存器用于缓存图像处理芯片在一段时间内处理过的图像，缓存器的内容是上下文比对的数据源；无线传感器网络通信模块负责将需要发送的图像传输至汇聚节点；电源管理模块负责整个设备的能量供应和管理。 

本发明所述的汇聚节点如图3所示，主要包括高性能嵌入式中央处理器、高性能RAM/ROM、无线传感器网络通信模块、互联网通信模块、移动通信网通信模块、嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统和人机交互界面。其中，高性能嵌入式中央处理器和高性能RAM/ROM可以使用ARM系列核心板；互联网通信模块包括有线和无线两种，例如有线接口可以采用RJ-45接口，无线接口可以采用WIFI模块；移动通信网通信模块包括GPRS、EDGE、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000、TD-LTE和FD-LTE等各代通信技术及其配套通信模块。嵌入式操作系统、嵌入式数据库和人机交互界面可以采用Win CE、Linux、Android等主流平台进行系统集成。 

网络初始化阶段，各子系统安装部署完毕并上电运行，执行步骤如下： 

步骤1：在各个监控区域内部署智能视频监控设备、传输节点和汇聚节点，搭建视频数据云服务中心并将用户接入终端连入整个网络系统，根据监控区域特点和网络性能，调节初始化运行参数。 

步骤2：在某一监控区域内，智能视频监控设备不断采集监控区域内的图像信息，处理器通过图像压缩算法对原始图像信息进行压缩，在保证分辨率可以满足用户需求的条件下，尽量减小图像信息的大小，使其适应无线传感器网络的传输。同时，通过使用上下文智能比对算法对图像信息的内容进行分析，判断是否需要将当前图像生成预警信息。如果不需要生成预警信息，则丢弃该图像，继续采集。 

步骤3：如果当前图像为异常图像，则该智能视频监控设备需要生成预警信息并将该图像通过无线传感器网络向汇聚节点传输，如果传输链路较长，则可以利用传输节点以多跳中继的方式与汇聚节点通信。 

步骤4：汇聚节点接收该预警图像信息后，首先判断警报级别，若警报级别较高，则直接通过彩信、短信或移动通信网络向用户接入终端发送该警报信息，发送成功后将该预警图像信息存入本地嵌入式数据库进行暂存，同时上传至视频数据云服务中心。如果警报级别较低，则首先将该预警图像信息暂存至本地嵌入式数据库，然后上传至视频数据云服务中心。 

步骤5：视频数据云服务中心接收汇聚节点上传的图像，根据数据结构判断源地址、用户信息和警报级别等参数，分别存入数据库服务器对应的区域，通过web服务器或业务处理服务器对外提供查询、删除、标记、导入导出、数据分析、数据统计和用户自身管理等服务。 

步骤6：用户通过手机、PC机等接入终端通过互联网或移动通信网对视频数据云服务中心进行访问，查看与自身权限相对应的监控区域内的视频图像数据，可以对该数据进行各种 操作。如果用户需要调整监控区域内的智能视频监控节点的参数，则可以通过该终端直接发送命令进行调整，形成闭环反馈系统。 

本发明不局限于上述实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。 

Claims (6)

1.一种基于分布式无线传感器网络的智能视频监控系统，其特征在于该系统的整体结构由监控区域、视频服务云计算中心、用户接入终端和相应的通信链路组成；监控区域由多个智能视频监控设备、无线传感器网络传输节点和汇聚节点组成；视频服务云计算中心由数据库服务器、业务逻辑服务器和web服务器组成；用户接入终端由移动终端、PC机或其他类型的终端设备组成；通信链路包括有线通信链路、无线通信链路及控制协议。 

2.如权利要求1所述的智能视频监控设备，其特征在于该设备由视频传感器、图像处理芯片、中央处理器、缓存器、无线传感器网络通信模块和能量管理单元组成；视频传感器模块主要由数字摄像头及缓存芯片组成，负责从物理环境中采集视频信号或图像信号，经过缓存处理后通过串行或并行方式发送给中央处理器模块；中央处理器模块由嵌入式微处理器及相应外围电路组成，负责对图像数据进行压缩、降噪和上下文对比等处理；数据存储模块由嵌入式存储器及相关外围电路组成，负责对处理器处理后的数据进行存储；无线传感器网络通信模块负责将预警数据通过无线传感器网络向汇聚节点发送。 

3.如权利要求1所述的一种基于分布式无线传感器网络的智能视频监控系统，其特征在于无线传感器网络传输节点由缓存模块、通信模块和能量管理模块组成，传输节点的主要功能是将智能视频监控设备向汇聚节点发送的数据进行中继，以多跳的方式向汇聚节点转发，延长通信距离。 

4.如权利要求1所述的汇聚节点由高性能嵌入式处理器、高性能RAM/ROM、无线传感器网络通信模块、互联网通信模块、移动通信网通信模块、嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统和人机交互界面组成；所述高性能嵌入式处理器可以采用ARM或单片机作为核心处理器；互联网通信模块可以采用有线和无线两种连接方式，包括RJ-45接口和WIFI模块；所述移动通信网通信模块包括GPRS、EDGE、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000、TD-LTE和FD-LTE等各代通信技术及其配套通信模块。 

5.如权利要求1所述的视频数据云服务中心主要包括Web服务器、业务处理服务器和数据库服务器及相应的服务器软件；Web服务器通过调用数据库服务器中的各类数据，为用户提供视频图像监控管理信息系统，包括查询、删除、标记、导入导出、数据分析、数据统计和用户自身管理等一系列功能。 

6.如权利要求1所述的用户接入终端主要包括移动通信终端、手机、PC机等多种形式；用户可以通过该终端访问视频数据云服务中心，查看实时监控数据、历史记录数据并对数据进行分析、统计等操作；用户还可以通过终端对远程监控区域进行控制，包括机械部件控制、调整监控节点参数、关闭或开启某些监控节点等。