CN208689702U - 一种基于电子围栏的监控管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电子安防技术领域，具体涉及一种基于电子围栏的监控管理系统。采用一个单基站结合一个单目摄像头或者两者为一体化结构。通过视觉信息和标签卡数据的融合实现对被监控目标信息包括位置信息，身份信息以及进电子围栏的权限信息的准确获取，还能检测出未携带标签卡就进入电子围栏边界或区域的情况以及一个目标携带多卡的情况，方便对于大型工业、建筑场地、采矿区域、监狱等人员、设备等的无人值守监控和管理。该系统功能全面，系统部署简单，方便易操作，以更少的资源实现更好的管理效果，还大大降低了系统所需成本。

Description

一种基于电子围栏的监控管理系统

技术领域

本实用新型属于电子安防技术领域，具体涉及一种基于电子围栏的监控管理系统。

背景技术

在许多场合，出于安全管理、机密管控等要求，需要对区域进行管控。目前实现区域管控的手段主要分为物理围栏和电子围栏两种。物理围栏需要大量施工，而且使用不灵活，无法根据需求进行变化，一般只能应用于固定的且不会变动的应用中。所以，虚拟电子围栏获得了比较多的应用。

现有的虚拟电子围栏通常有以下几种：一是利用中心设备区四周的红外线发射装置发射经过调制的红外线，与之相对位置放置一个红外接收装置，将此信号转换为电信号，经过适当的处理后送往它的系统管理机器。正常运行方式下，多个固定的电子桩可以相对发出和接收红外光线，红外线光束的对发与对收构成了一道封锁线，多个红外线光束就形成了一个封闭的电子区域，当有人穿越或者物体阻挡红外线时，红外线信号被中断，系统管理机器就会立即给予声音报警以及光报警提示，这样就达到了防止入侵的目的。

二是通过预先在电子地图上确定电子围栏区域，然后在对应的实际场地中布设一定数量的定位基站形成虚拟的电子围栏区域。通过定位基站与待定位终端进行无线通讯，获取到待定位终端的位置信息，通过位置信息与电子围栏相对位置比对后，确定位置信息是否位于电子围栏内。现有的技术中，例如选择采用UWB定位的电子围栏系统通常采用的是基于TDOA(Time Difference of Arrival到达时间差)求解距离差的定位方法，理论上最少需要布设4个定位基站才能确定待定位终端的二维位置，但实际上，因为受环境的影响，一个区域通常需要更多的超宽带基站，利用更多的冗余数据，才能获得更好的定位效果。

综上，红外管的电子围栏需要人工布置电子桩，其布防、撤防需要大量的人工，使用不便，漏检和误报率高，且不具有权限管理功能；基于基站定位的虚拟电子围栏系统需要布设的基站数量较多，因而成本需求很高。另一方面系统功能单一，仅仅只是根据判定定位卡是否位于围栏区域内从而决定是否触发报警，无法解决没有携带定位卡的人员区域管理问题，即不带卡电子围栏系统就无法报警，再有就是无法获取视觉信息，对于带多卡的情况无法处理，故而无法对监控区域的目标进行有效的权限管理。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于电子围栏的监控管理系统。利用基于单目摄像头定位与单基站测距或定位的组合实现对监狱、大型工业，采矿业、施工场地等指定监管区域的被监控目标的位置跟踪、身份和进入权限的识别，以及有无携带标签卡，携带多卡情况的判别。具体的，服务器匹配被监控目标与标签卡，获取被监控目标对应的身份和是否具有进入某电子围栏区域的权限信息。

进一步的，根据被监控目标的位置变化以及匹配的标签卡中对应的被监控目标进入电子围栏的权限信息,对被监控目标进行位置跟踪和进入电子围栏的权限管理，实现对非法入侵的无人值守的精确监控。

进一步的，相对于现有技术中所谓的虚拟电子围栏，本实用新型还可以在检测到目标未携带标签卡以及携带多卡的情况下报警。

本实用新型的技术方案如下。

提供一种基于电子围栏的监控管理系统，包括单基站、N个标签卡、一个单目摄像头、服务器以及报警单元，所述单基站与单目摄像头安装在同一位置，单基站与服务器连接，所述N个标签卡与单基站以无线通讯的方式连接，所述单目摄像头与服务器连接；其中N为自然数。

单目摄像头用于采集监控区域的画面图像，通过有线或无线网络上传至服务器实时处理；

单基站与N个标签卡进行无线通讯，用于获取各个标签卡与基站之间的距离或标签卡的位置坐标，将距离信息或坐标数据传输至服务器，并接收服务器下发的控制指令；

所述标签卡由被监控目标携戴，且具有唯一标识，包括标签卡ID和进入电子围栏的权限信息；

服务器处理摄像头传输的图像数据，提取被监控目标的深度信息，并且匹配监控区域存在的标签卡，根据匹配结果触发报警单元做出响应；还用于获取被监控目标在监控区域的位置坐标，结合标签卡具有的唯一标识，获取被监控目标的身份和进入电子围栏的权限，计算被监控目标与电子围栏边界或区域的相对位置，判断被监控目标是否进入电子围栏边界或区域，根据判断结果触发报警单元做出响应；

报警单元用于响应报警指令。

优选的，所述报警单元与服务器连接，服务器根据匹配结果或判断结果直接下发指令至报警单元，报警单元根据指令做出响应。

优选的，报警单元与单基站电性连接，服务器根据匹配结果或判断结果下发指令至单基站，由单基站控制报警单元做出响应。

进一步的，单基站包括供电模块、控制处理器、无线收发模块、网络接口单元、报警接口电路、射频天线；所述射频天线与无线收发模块电性连接，无线收发模块、供电模块、报警接口电路以及网络接口单元均与控制处理器连接。

进一步的，所述无线收发模块包括无线测距模块，用于与N个标签卡进行无线交互式测距。

优选的，所述无线收发模块还包括鉴相器，鉴相器与第一射频天线和第二射频天线连接，用于获取信号到达第一第一射频天线和第二射频天线的相位差。

进一步的，所述供电模块包括DC直流供电模块、AC交流供电接口、POE供电接口；并采用所述三种方式之一为单基站提供电源。

进一步的，网络接口单元包括无线WiFi通信单元和以太网接口；所述单基站通过无线WiFi通信单元或网线与服务器连接通信。

综上所述，由于本实用新型采用了上述技术方案，与现有技术相比，具有的有益效果：采用一个单基站结合一个单目摄像头或者两者为一体化结构通过视觉信息与标签卡数据的融合实现对被监控目标信息(包括位置信息，身份信息以及进电子围栏的权限信息)的准确获取，还能检测出未携带标签卡就进入电子围栏边界或区域的情况，以及检测同一目标带多卡的情况，方便对于大型工业、建筑场地、采矿区域、监狱等人员、设备的无人值守监控。该系统功能全面，系统部署简单，方便易操作，以更少的资源实现更好的管理效果，还大大降低了系统所需成本。

附图说明

本实用新型将参照附图的方式说明，其中：

图1是本实用新型的一种系统结构示意图。

图2是本实用新型的单基站的一种结构示意图。

图3是本实用新型的另一种系统结构示意图。

图4是本实用新型的单基站与标签卡进行测距的流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一、如图1所示，该结构为本实用新型的一种实施例，包括一个单基站、一个单目摄像头、若干(N个)带唯一标识的标签卡、服务器以及报警单元，N为自然数；所述唯一标识包括标签卡ID和进入电子围栏权限信息；单基站与单目摄像头安装在同一个位置，且电子围栏边界或区域均在摄像头和基站覆盖区域内；报警单元与单基站电性连接。单基站与若干标签卡进行交互式无线测距或定位，并用于获取单基站与若干标签卡之间的距离或者标签卡的位置坐标，还将距离信息或者标签卡的坐标数据上传至服务器，可以通过有线或者无线的方式传输；单目摄像头用于采集监控区域的画面图像，摄像头将采集的画面图像上传至服务器，服务器根据接收到的图像实时处理，提取出被监控目标与摄像头光心点之间的距离，并且解算出被监控目标在地图坐标系中的位置坐标；服务器还匹配标签卡与被监控目标，对于成功匹配上标签卡的被监控目标，被监控目标则具有唯一的ID号和进入电子围栏边界或区域的权限信息，且所述ID和权限信息与匹配标签卡所具有的唯一标识对应。服务器计算被监控目标与电子围栏边界或区域的相对位置关系，根据所述的相对位置关系并结合被监控目标的ID和进入围栏权限，判断被监控目标是否进入电子围栏边界或区域以及是否有权进入，服务器根据判断结果输出至单基站控制处理器，由单基站的控制处理器控制报警单元是否触发报警，其中单基站的结构示意图如图2所示：包括了供电模块、控制处理器、无线收发模块、网络接口单元、报警接口电路、射频天线；所述射频天线与无线收发模块电性连接，无线收发模块、供电模块、报警接口电路以及网络接口单元均与控制处理器连接。该实施例中，单基站通过报警接口电路与报警单元连接。

当被监控目标无法匹配标签卡时，例如，被监控目标未携带标签卡，服务器根据被监控目标与电子围栏边界或区域的相对位置关系做出判断，同样将判断结果输出至单基站控制处理器，由单基站的控制处理器控制报警单元做出对应的报警响应。

当被监控目标无法匹配标签卡时，例如，同一被监控目标携带多个标签卡，服，服务器根据匹配结果下发控制指令至单基站控制处理器，由单基站的控制处理器控制报警单元做出对应的报警响应。

具体的可以是如下几种情形：当被监控目标从电子围栏边界外逐渐靠近围栏边界并有趋势想要跨越围栏边界时，服务器会根据获取到的该监控目标的进入围栏边界的权限信息，判断是否需要做出报警提示。若监测到进入围栏的被监控目标不具有进入的权限，则服务器监测到有异常现象发生，并在服务器的显示端口报警提示,且服务器下发控制指令至单基站，由单基站触发现场报警单元声光报警提示工作人员现场查看情况同时还可以通过有源喇叭提示不属于该区域的工作人员及时离开该围栏区域，以免发生不必要的安全事故。例如提示“请注意，检测到有不允许进入该区域的被监控目标进入”。反之则不报警。

假设监控区域的被监控目标有未携带标签卡并且进入电子围栏的情况，这种情况可能是原本属于这个工作区域的人员忘记佩戴也有可能是该被监控目标属于外来非工作人员，不管是哪种情况，只要未携带标签卡，则服务器就只能获取到被监控目标的坐标，无法获取该目标的身份和进入电子围栏的权限，这种情况下，服务器也会在显示端口报警且下发控制指令至单基站，由单基站触发现场报警单元声光报警提示工作人员现场查看，同时通过有源喇叭提示未携带智能标签卡的人员及时离开该区域，例如提示“请注意，检测到有未携带智能标签卡的人员进入该区域”。

当服务器对一个被监控目标匹配上多个标签卡时，此时系统监测到该目标携带了多个标签卡，立即触发报警单元报警提示。

本实用新型的另一种实施方式如图3所示的结构，将图1所示的结构中报警单元与单基站连接替换为报警单元与服务器连接，服务器直接根据判断结果控制报警单元是否发生响应，其他内容与第一种实施方式中除报警单元与单基站的连接方式和由单基站控制报警单元触发报警方式之外描述的内容相同。

二、单基站与若干标签卡进行交互式无线测距的流程如图4所示：

标签卡定时向单基站发送一次测距请求，以某一标签卡为例，假设标签卡发送时间戳为T_sp，单基站接收标签卡发送的测距请求，接收时间戳记为T_rp,在接收到标签卡的测距请求后，会在一个随机延迟下发送一个响应信号，设基站发送响应信号的时间戳为T_sr,在发送的响应信号中，会带上T_rp和T_sr，标签卡接收单基站的的响应信号，接收时间戳记为T_rr。

采用公式计算出标签卡与单基站之间的距离。

在单基站上进行标签卡与所述基站的距离解算的具体过程是：

标签卡将相关测距信息通过单基站的UWB信道回传至该基站，单基站通过上述公式进行标签卡与基站的距离解算。

所述单基站与标签卡的距离信息获取方式也可以是在所述的标签卡上进行标签卡与单基站的距离的解算。

所述单基站与标签卡的距离信息获取方式还可以是在标签卡与单基站之外的第三方设备上进行标签卡与基站的距离解算。

例如第三方指的是服务器：具体解算过程是：将标签卡或者对应基站的相关测距信息上传至服务器，进行标签卡与基站的距离解算。具体的上传方式可以是通过单基站的网络接口单元的无线WIFI通信单元或者通过单基站的POE供电接口连接网线上传至服务器。

三、所述单基站与若干标签卡进行交互式无线定位的过程为：

单基站基于鉴相器获取标签卡与单基站的角度，此时，图2所述的射频天线包括第一射频天线和第二射频天线，鉴相器与第一射频天线和第二射频天线连接，且第一射频天线和第二射频天线之间的距离可以测得作为已知量。然后基于无线测距模块与标签卡进行无线交互式测距获取单基站与标签卡之间的距离，基站基于角度信息和距离信息便能获取标签卡的坐标。具体的定位方法如下所述：

依据公式计算标签卡相对于单基站的角度；

其中α为通过所述鉴相器测量获得的所述标签卡发送的信号到达所述第一射频天线与第二射频天线的相位差；

d为所述两个射频天线之间的距离；

λ为所述超宽带信号的波长；

通过无线测距模块基于上述的距离公式计算出标签卡与单基站之间的距离d′；

根据标签卡与单基站之间的距离d′以及所述标签卡相对于单基站的角度，确定所述标签卡的坐标。

四、服务器根据接收到的图像实时处理并得到被监控目标在地图坐标系中的位置坐标的过程可以是以下两种方式之一：

方法一：

步骤1：对单目摄像头传送的画面进行处理得到目标在画面中的位置，以及被监控目标相对于单目摄像头的角度(以单目摄像头光心点在单目摄像头画面上的投影点坐标为(0,0)，假设被监控目标在单目摄像头画面中的平面坐标为(x,y)，单目摄像头焦距为f，则向量(x,y,f)的方向即可确定被监控目标相对于单目摄像头光心点的角度)；具体通过HOG行人检测算法、Faster RCNN等目标检测算法等得到被监控目标在画面中的位置；

其中，HOG行人检测算法在Dalal N,Triggs B.在2005年IEEE计算机协会组织的计算机视觉和模式识别会议发表的《Histograms of oriented gradients for humandetection基于方向梯度直方图的行人检测》会议论文中有描述；

Faster RCNN目标检测算法在Ren S,He K,Girshick R等人在2015年关于神经信息处理系统的进展的会议上发表的《Faster r-cnn:Towards real-time objectdetection with region proposal networks基于区域提议卷积神经网络的实时目标检测》论文中有论述；

步骤2：将单目摄像头拍摄到的画面与被监控目标在画面中的坐标(x,y)通过深度估计方法，得到被监控目标(例如：工作人员或者非法入侵人员)与单目摄像头光心点(0,0)之间的距离d；

其中，深度估计方法是《Single-image depth perception in the wild非限定环境下单帧照片深度估计》论文中描述的方法，该论文作者是Weifeng Chen,Zhao Fu,DaweiYang,Jia Deng，发表在Advances in neural information processing systems(NIPS)；

步骤3：计算沿(x,y,f)方向，与光心点(0,0,0)的距离为d的被监控目标在摄像头坐标系中的坐标(Xw，Yw，Zw)；

因为，数学上的两点(x1,y1,z1)与(x2,y2,z2)之间的距离D计算公式为：

D2＝(x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2

因此，根据上述原理计算出(x,y,f)与(0,0,0)之间的距离d0(代表摄像头画面上的点到光心点的距离)，则根据深度估计提取出的被控目标与摄像头光心点之间的距离d,获得被监控目标在摄像头坐标系中的坐标(Xw，Yw，Zw)为(x×d/d0,y×d/d0，f×d/d0)；

步骤4:再根据单目摄像头坐标系与地图坐标系之间的转换关系(旋转矩阵和平移向量)：其中R为3*3矩阵；t为三维平移向量；O＝(0,0,0)，计算被监控目标在地图坐标系中的坐标(x′，y′，z′)。

方法二：

步骤10：对单目摄像头传送的画面进行处理得到被监控目标在画面中的位置，并给出人在摄像头画面中的高度h，确定被监控目标相对于单目摄像头的角度；其中确定被监控目标相对于单目摄像头的角度的方法同步骤1所述相同；

步骤20：根据相似三角形原理，设定被监控目标的平均高度为H，则计算出被监控目标到单目摄像头光心点的距离d＝f×H/h；

步骤30：计算沿(x,y,f)方向，与光心点(0,0,0)的距离为d的点的坐标。同步骤3所描述的获取方法；

步骤40：:根据单目摄像头坐标系与地图坐标系之间的转换关系(旋转矩阵和平移向量)，计算出被监控目标在地图坐标系中的坐标。同步骤4描述方法相同。

五、所述服务器匹配标签卡与被监控目标的过程为以下两种方式之一：

1、服务器对基站传输的不同时刻各个标签卡与单基站的距离信息分别拟合成对应标签卡的距离变化曲线，对摄像头传输的图像进行处理之后得到的若干被监控目标与摄像头光心点之间的距离信息拟合成对应的目标距离变化曲线，在同一坐标系下，对所述的目标距离变化曲线与所述的标签卡距离变化曲线进行采样，统计一段时间的距离信息，得到对应的向量(di0，di1…din)和(Dj0，Dj1…Djn)；计算上述两个向量之间的余弦相关度；如果余弦相关度大于阈值，则认为被监控目标i与标签卡j匹配，两者为同一目标；其中i，j是大于等于1的正整数；n是自然数；din表示在tn时刻下第i个被监控目标与摄像头光心点之间的距离；Djn表示在tn时刻下第j个标签卡与单基站之间的距离。

2、服务器根据单基站传输的标签卡的实时位置坐标以及对摄像头采集的画面数据处理得到的被监控目标在地图坐标系中的坐标，比较两个位置的距离，当该距离小于一定的测试阈值，则认为该标签卡是由该被监控目标所携带。

尽管已经示出和描述了本实用新型的两种实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于电子围栏的监控管理系统，其特征在于，包括单基站、N个标签卡、一个单目摄像头、服务器以及报警单元，所述单基站与单目摄像头安装在同一位置，单基站与服务器连接，所述N个标签卡与单基站以无线通讯的方式连接，所述单目摄像头与服务器连接；其中N为自然数；

单目摄像头用于采集监控区域的画面图像，通过有线或无线网络上传至服务器实时处理；

单基站与N个标签卡进行无线通讯，用于获取各个标签卡与基站之间的距离或标签卡的位置坐标，将距离信息或坐标数据传输至服务器，并接收服务器下发的控制指令；

所述标签卡由被监控目标携戴，且具有唯一标识，包括标签卡ID和进入电子围栏的权限信息；

服务器处理摄像头传输的图像数据，提取被监控目标的深度信息，并且匹配监控区域存在的标签卡，根据匹配结果触发报警单元做出响应；还用于获取被监控目标在监控区域的位置坐标，结合标签卡具有的唯一标识，获取被监控目标的身份和进入电子围栏的权限，计算被监控目标与电子围栏边界或区域的相对位置，判断被监控目标是否进入电子围栏边界或区域，根据判断结果触发报警单元做出响应；

报警单元用于响应报警指令。

2.根据权利要求1所述的电子围栏监控管理系统，其特征在于所述报警单元与服务器连接，服务器根据匹配结果或判断结果直接下发指令至报警单元，报警单元根据指令做出响应。

3.根据权利要求1所述的电子围栏监控管理系统，其特征在于报警单元与单基站电性连接，服务器根据匹配结果或判断结果下发指令至单基站，由单基站控制报警单元做出响应。

4.根据权利要求1、2或3所述的电子围栏监控管理系统，其特征在于所述单基站包括供电模块、控制处理器、无线收发模块、网络接口单元、报警接口电路、射频天线；所述射频天线与无线收发模块电性连接，无线收发模块、供电模块、报警接口电路以及网络接口单元均与控制处理器连接。

5.根据权利要求4所述的电子围栏监控管理系统，其特征在于所述无线收发模块包括无线测距模块，用于与N个标签卡进行无线交互式测距。

6.根据权利要求5所述的电子围栏监控管理系统，其特征在于所述无线收发模块还包括鉴相器，鉴相器与第一射频天线和第二射频天线连接，用于获取信号到达第一第一射频天线和第二射频天线的相位差。

7.根据权利要求5或6所述的电子围栏监控管理系统，其特征在于所述供电模块包括DC直流供电模块、AC交流供电接口、POE供电接口；并采用所述三种方式之一为单基站提供电源。

8.根据权利要求7述的电子围栏监控管理系统，其特征在于网络接口单元包括无线WiFi通信单元和以太网接口；所述单基站通过无线WiFi通信单元或网线与服务器连接通信。