基于ODMA网络的楼宇环境监测系统设计

田晓燕，陈 雷，刘志强

(1.河北大学电子信息工程学院，河北保定071002;2.中国通信建设集团设计院有限公司(第一分公司)，河北保定071000)

楼宇环境监测是楼宇自动化的重要组成部分，主要对楼宇温度、湿度、烟感等环境信息进行监测，同时针对楼宇出入口、内部过道以及一些重要场所人员出入情况进行采集，必要情况下进行自动报警。目前，在市场中占据主导地位的监测系统绝大多数还是采用传统的有线方式，存在布线复杂、监控范围受环境制约大、可扩展性小等缺点。无线通信技术在楼宇监测领域的应用以WiFi为主，然而每一个WiFi热点都需要通过有线方式接入Internet，使其应用受到一定的限制，如室外等特殊场所很难部署、可移动性差、覆盖范围小等。

ODMA是一种无线自组网技术，第三代合作伙伴项目(3rd Generation Partnership Project，3GPP)把其定义为一种Ad-hoc多跳中继协议。ODMA物理层采用802.11g协议，数据传输速率为0～54 Mbit/s［1-3］。ODMA网络是由一组带有无线收发装置的节点组成的一个临时性多跳自治系统，网络构建不需要基站，其组网灵活、多跳通信、智慧选径、易于扩展等特性完全具备在楼宇环境监测中应用的特点。本文设计了基于ODMA网络的楼宇环境监测系统，通过搭建合理的ODMA通信网络平台，结合楼内现有的Internet网络，实现视频与温度、湿度、烟雾、火焰环境信息的采集与传输;利用LabView软件完成上位机设计，实现参数设置、信息的存储与显示、本地及远程报警功能;通过利用图像处理算法，实现了目标入侵智能检测，完成重要场所人员出入情况的采集、统计。

1 系统组网方案

本系统由上位机服务器、本地资源管理系统(Local Resource Management System，LRMS)、ODMA设备及采集节点构成。考虑到ODMA网络进行无线多跳通信时，跳数越多，信号衰减越大、延时越大，同时多楼层通信时由于楼板的阻碍会使信号有较大的衰减，所以不同楼层之间的通信利用现有的Internet完成。系统组网方案如图1所示。

图1 监测系统组网方案

ODMA设备包括A、B和CD三种，硬体均采用华硕RTN56U，区别在于内置软件算法不同。A代表Access，为接入设备，可实现摄像头、PC机、信息采集点或其他终端设备的接入。该设备为一种ODMA-WiFi设备，提供有线接入和WiFi接入两种方式，终端设备可以以有线方式和A相连接入ODMA网络，也可以利用WiFi以无线方式通过A接入ODMA网络。B代表Seed，为中继设备，实现ODMA网络接力通信的功能，B同A及其他B之间实现MAC层的无线通信。CD代表Concentrator和Gateway，为协议转换和网关服务器，它以有线方式上行至以太网，并下挂多个B设备，将B传输的MAC层数据转换为TCP/IP协议包。B与CD之间的有线带宽最高可达千兆，ODMA网络容量的扩充可通过增加CD下挂的B来实现。

上位机服务器完成系统参数设置、采集数据的存储和分析等功能，必要时进行本地和远程报警。

LRMS为ODMA网络管理系统，可实现不同CD之间信息的互通，并对整个网络中各个节点的运行状况进行监测。

2 楼宇环境监测系统的实现

2．1 系统总体结构

基于ODMA的楼宇环境监测系统实现结构如图2所示。

图2 监测系统实现结构

系统主要由4个部分组成:多传感器数据采集模块、视频采集模块、上位机和GSM模块。系统通过多传感器采集模块采集室内环境信息(温度、湿度、火焰和烟雾)，通过摄像头采集视频信息，再将采集到的信息通过ODMA网络送至上位机，由LabView监控终端接收、存储和分析，实现环境和视频信息实时监控。平台可以实现各环境参数的临界点设置，必要情况下进行现场报警，同时通过GSM模块向客户端发送报警短信实现远程报警。

2．2 环境数据采集单元

环境数据采集单元属于楼宇监测系统的终端末梢设备，负责完成各监测节点的温度、湿度、火焰和烟雾的实时监测及网络数据传输［4］。

系统采用W7100A作为控制器，嵌入硬件TCP/IP协议栈，可以实现基于 TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP和 IGMP等协议的以太网通信功能。同时，W7100A芯片包含一个单片机MCU内核，该内核与8051单片机兼容。W7100A可以保证远程通信的可靠性和稳定性，传输速率为30 Mbit/s，可广泛用于各种信息采集，环境监测和远程信息传输等领域。在本系统中，MCU实现数据处理的功能，即控制温度传感器、湿度传感器、火焰传感器和烟雾传感器采集数据并与TCP/IP内核进行数据交换;TCP/IP内核完成数据传输的功能:收发网络数据以及与MCU交换数据。

温度传感器选用DS18B20探头，单总线连接方式，测量分辨率可达2-4℃;湿度传感器选用DHT11，测量分辨率为1%RH;烟雾传感器采用MQ-2，使用数字开关量输出接口DO，烟雾浓度未达到设定阈值时输出为高电平，超过阈值时输出为低电平;火焰传感器采用远红外火焰探头，灵敏度可调，也采用数字开关量DO输出。

环境信息采集主要分为两个等级:温湿度信息采集时间间隔5 min;火焰、烟雾监测采集时间间隔5 s。如果当前监测到异常数据，监测节点会将该事件的数据、类别、时间等相关信息及时上传至监控中心进行报警。定时采集的数据由当前节点CPU直接保存至EEPROM，监控中心可随时进行历史数据读取。

环境信息采集流程如图3所示。

图3 环境信息采集流程图

2．3 视频采集单元

鉴于ODMA网络有足够带宽，因此在视频方面优先采用高清监控方案。采用了海康威视公司的DS-2CD2312(D)-I型高清网络半球形摄像机，该摄像机为130万像素日夜型高清网络相机，最高可输出720p实时视频，同时配有点阵式红外灯方便夜间照明。该相机支持二次开发，可通过相机提供的SDK接口函数，将摄像机接入本系统。

本系统除了传统视频监控功能外，还增加了目标入侵智能识别告警功能，即在楼道、室内等重要区域布防，通过图像识别技术，发现入侵目标后进行抓图，同时生成图像索引，放入数据库中存档，方便事后查阅，同时完成人员出入情况的统计。本系统视频部分流程如图4所示。

图4 视频采集流程图

其中，高清网络摄像机输出的经H.264编码的视频流通过网络送到本地终端，本地终端通过网络处理模块进行视频流接收，同时调用SDK接口函数中的解码函数，对视频流进行解码，得到YV12格式的原始图像。对于原始图像，系统调用智能图像分析算法模块，对图像进行目标入侵分析。本系统采用了混合高斯背景建模(GMM)对原始图像进行背景建模和前景目标检测［5-7］;对检测到的目标采用了Mean-Shift方法进行跟踪［8-10］，一旦发现目标侵入布防区域，即调用SDK中的抓图函数，抓取当前帧图像，存成JPG格式文件，并生成图像索引，放入数据库中存档。最后，对解码后的YV12格式的原始图像，转换成RGB格式图像，并在终端进行显示。系统配置模块一方面可配置智能图像分析算法模块的参数，另一方面可调用相关SDK函数，来配置前端高清摄像机的采集参数。

2．4 基于LabView的环境监测与智能视频综合平台

系统上位机的设计基于LabView软件完成，主要包含8项功能［11］:

1)通信测试，测试上位机及上位机与下位机间的通信是否正常;

2)参数设置，对环境变量的阈值、数据库文件存储路径、摄像机采集参数等进行设置;

3)ODMA网络配置，完成ODMA网络的连接配置，搭建合理的ODMA网络;

4)环境监测，对温度、湿度、烟雾和火焰信息进行实时监测与显示;

5)视频监控，实时显示视频监测点的视频;

6)入侵检测，对入侵监测图像文件进行查询、显示;

7)报警管理，通过蜂鸣器进行本地报警，并通过GSM模块实现远程报警，同时对报警信息进行显示，并对处理结果进行反馈;

8)数据库管理，对采集到的环境信息、入侵检测信息及报警信息进行存储、查询，必要时对数据进行统计、生成报表等。

3 系统测试

本系统在河北大学新校区C2楼一楼过道、一楼ODMA实验室、一楼现代通信网综合实验室、二楼资料室、二楼实验室A、二楼实验室B进行实际组网测试，对系统性能、可靠性、稳定性进行验证。

通过LRMS内嵌的Web服务器可完成ODMA网络配置，并能实时观测网络中各节点的在线情况，如图5a、5b所示。多路视频实时预览，不丢帧、不跳帧、播放流畅，如图5c所示。通过环境监测可实现监测点的温度、湿度、火灾、烟雾的实时检测，并实现与视频的联动，当出现异常报警时，弹出视频监控画面，如图5d、5e所示。通过越线监测完成人员出入情况的统计，如图5f所示。

图5 系统测试结果(截图)

4 总结

本文将ODMA网络与楼宇内现有Internet相结合，搭建了楼宇环境监测系统，既充分利用了ODMA网络组网灵活的特点，又避免了多楼层通信信号衰减大的问题，实现了监测点视频与温度、湿度、烟雾、火焰环境信息的采集与传输。利用LabView软件完成上位机设计，实现参数设置、信息的存储与显示、本地及远程报警功能。通过利用图像处理算法，实现了目标入侵智能检测，完成重要场所人员出入情况的采集、统计。

［1］ 3GPP TSG-RAN.Opportunity driven multiple access［EB/OL］.［2014-11-20］.http://en.wikipedia.org/wiki/Opportunity_Driven_Multiple_Access.

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