基于物联网的远程视频监控系统设计

余 雷,许宏科，胡 欣

(长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710064)

基于物联网的远程视频监控系统设计

余 雷,许宏科，胡 欣

(长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710064)

物联网技术在智能建筑行业的应用无处不在。该系统采用LABVIEW为开发软件，设计以办公楼为对象的视频监控虚拟实验系统，实现视频监控安防系统的功能。系统具有仿真楼内各设备的运行及人员活动的实时监视和事后查询功能；完成基于物联网的远程视频监控虚拟实验系统软件的设计开发。系统的前端为视频摄像输入，后端是显示、记录和控制装置。通过控制装置对前端摄像机和后端显示及记录设备进行控制，实现对前端摄像机、镜头、云台的控制，对后端显示、记录设备的控制，与入侵报警系统和火灾报警系统的联动控制，采用视频数据文件回放技术，实现视频监控数据的回放。

物联网；视频监控；智能建筑；虚拟实验

0 引 言

随着社会的迅速发展，视频监控系统在社会的各个行业都得到了广泛应用，尤其是在智能建筑领域，安防系统、停车场系统、消防控制系统等都有相关应用。视频监控系统在日常生活、消防安防以及商业等领域的需求都在逐步增加。视频监控系统也成为各行业重点部门或重要场所安防监控的物理基础，管理部门可以通过视频监控来获取视频图像等信息，对发生的异常事件进行及时监视。

另外，随着全球信息技术革命的深入和3G网络的建设，“物联网”(IOT)正逐渐成为各国构建经济社会发展模式的先导领域。物联网被称为世界信息产业的第三次浪潮，同时也代表了下一代信息发展的方向。2011年以来“智慧城市”成为物联网应用的热点，而智能建筑也成为“智慧城市”的重要组成部分，通过与物联网的结合，得以提升建筑的智能化水平。

文中试图将物联网技术和传统的视频监控系统相结合，用户可以远程使用互联网进行远程视频监控，建立基于物联网的远程视频监控系统。

1 物联网与视频监控系统

物联网—“The Internet of Things”，顾名思义就是“实现物物相连的互联网络”。物联网通过光学识别、射频识别、传感器、全球定位系统等技术，实时采集任何需要监控互动的物体或过程，实现物与物、物与人之间的链接。物联网有两个方面的内涵：一是物联网的核心还是互联网，是在互联网基础之上的延伸和扩展；二是用户端延伸和扩展到了任何物品之间。物联网通过在物体上部署具有感知能力的传感器、射频识别装置(RFID)、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，使物体之间可以传递信息，以实现智慧化识别、定位、跟踪、监控和管理。

智能建筑与物联网的结合是大势所趋，在物联网的概念被广泛接受以后，人们发现智能建筑中已经存在大量的物联网技术。建筑智能化系统各终端设备经过传感器网络互相连接，构成了准物联网形态或完全物联网形态，比如现在正处于热点的智能家居、网络安防、建筑设备监控、三表合一等系统。智能建筑与物联网的结合有一定的必然性。首先，智能建筑与物联网相结合，将会促进智能建筑向着系统大集成大综合方向深入发展；其次，物联网技术与智能建筑相结合扩展了相应物联网的应用范围；最后，智能建筑与物联网的结合可以促进智慧城市的发展。

在智能建筑层面物联网形态如图1所示。智能家居网络连接智能建筑中各子系统，包括水电、家居安防、窗帘、远程表具等。家居网络可以是有线，也可以是无线，可以是TCP/IP网络，也可以是非TCP/IP网络。住户和物业可以通过网络访问各种家居的智能控制。

图1 智能建筑物联网形态

视频监控系统就是通过实时检测来监控相应场景下的运动目标，并对其进行分析、定位、识别、跟踪和行为理解。它借助计算机强大的数据处理功能，利用图像处理、模式识别和计算机视觉等技术，抽取并分析视频源中的关键信息，及时发现并处理监控场景下的异常情况。传统的视频监控系统无法实现远程监控，当设备系统本身出现问题时也无法进行远程检测，而物联网通过网络可以实现远程监测、远程诊断等功能。

视频监控系统经过了四代发展，从80年代的模拟闭路视频监控系统过渡到21世纪数字化、网络化和高清化的视频监控系统。目前第四代智能视频监控平台主要通过海量的视频数据进行智能视频分析，正成为新的研究点和开发方向[1-6]。该平台通过对原始的视频图像进行背景建模、目标检测与识别、目标跟踪等一系列分析，根据预先设计的安全规则来提取视频源中的关键信息，变被动监控为主动监控，并通过网络进行传输，由以前的事后分析变为现在的事中分析和预警，提高安全系统的反应速度。近年来，基于物联网理念的视频监控系统逐渐成为主流，智能监控平台上利用感知技术与智能分析对对象进行自动感知识别。同时，视频监控在物联网技术中也变得无处不在，与其他子系统紧密融合，从而实现智能管理与决策。

在欧美等国，智能视频监控项目的研究已有很多年[7-8]。美国国防高级研究项目署设立了以卡内基梅隆大学为首的多所大学参与的VSAM系统。该系统主要用于战场和普通民用监控场景。美国ObjectVideo公司开发了一套视频分析系统用于边境安检和入侵检测。麻省理工学院开发的实时智能视频监控系统Pfinder，可以在静态复杂背景下对人体进行较为准确的实时跟踪，并能够克服短暂光照等干扰因素的扰动。伦敦大学的ADVISOR项目通过多摄像机协同监控有效进行公共交通系统管理。

在我国，智能视频监控系统目前正处于发展阶段，也有越来越多的高校和研究机构对此开展了大量的研究工作。中科院自动化研究所智能监控研究中心谭铁牛带领的研究组开发了VSTAR原型系统。该系统包括计算机视觉、模式识别、人工智能等，支持自动检测和目标识别，可应用于智能交通中的交通视频监控和行人视频监控[9]。目前可支持无线网络的智能视频监控中移动式视频监控系统正成为研究热点。林承德等[10]研究了基于3G网络的智能视频监控系统；熊俊[11]、赵华军等[12]开展关于移动式智能视频监控系统的开发。随着大数据的应用及云技术的发展，智能监控系统逐渐由传统的集中式向网络式过渡[13-18]，通过大数据和云计算强大的工作能力，实现对环境的快速响应。而且摄像头也不再是单一的监控摄像头，而是具有自主能力，能对环境做出反应和操作。移动协同式摄像头能通过多个摄像头之间的移动协同，相互配合，实现监控无死角，当有可疑目标时还能进行移动式跟踪[19-20]。

物联网技术和视频监控系统相互发展，相互促进，使得两者的结合研究目前正成为热点。智能视频监控系统使物联网有了眼睛，物联网使得智能视频监控系统有了承载平台，为平安城市添砖加瓦。

2 系统总体方案

根据实际的应用情况，按照功能模块化的思想，该系统包含四个功能模块：软件登陆、视频采集及图像获取、摄像机云台控制、视频文件播放。文中采用以LABVIEW为开发软件、以办公楼为对象的远程视频监控系统，实现视频监控安防系统的功能。系统具有仿真楼内各设备的运行及人员活动的实时监视和事后查询功能；完成视频监控虚拟实验系统软件的设计开发。系统前端为摄像输入，后端是显示、记录和控制装置。通过控制装置对前端摄像机和后端显示及记录设备进行控制，实现对前端摄像机、镜头、云台的控制，对后端显示、记录设备的控制，与入侵报警系统和火灾报警系统的联动控制。采用视频数据文件回放技术，实现视频监控数据的模拟。

系统总体模块构成如图2所示。

图2 系统总体结构图

该远程视频监控系统总体思想是用视频摄像头对监控对象进行视频捕获，捕获到的视频信息采集到计算机，由计算机进行处理并保存，并能随时调取播放采集的视频文件，可以与消防系统进行联动，对摄像机云台进行控制。整个系统可分为如下几个模块：

(1)视频采集模块：由驱动摄像头采集的程序部分对视频进行采集，然后视频处理程序对数据进行实时处理保存。

(2)云台控制模块：控制摄像机云台的转动，扩大监控的范围，提高监控的质量。

(3)消防联动模块：发生入侵和火灾时能和消防系统进行联动。

(4)视频播放模块：采用视频数据文件回放技术，实现视频监控数据的模拟。

3 系统设计

3.1 视频图像采集与保存模块

该视频采集与保存系统子部分主要使用LABVIEW视觉与运动函数NI-IMAQ dx模块，电脑需要安装Vision Acquisition Software与Vision Development Module软件，同时Windows 7中文操作系统以前版本还需另外下载ImaqDirectShowDll.dll文件，Windows 7中文操作系统以后版本由于系统中已经包含有电脑摄像头驱动程序，故不需要另外安装ImaqDirectShowDll.dll文件。

首选，通过IMAQ dx Open Camera子VI驱动打开电脑摄像头，再通过IMAQ dx Configure Grab VI配置和开始采集图像，然后通过IMAQ dx Sequence VI配置、启动、获取、停止和取消配置一系列采集。通过IMAQ dx Snap VI：配置、启动、获取和取消配置单元采集。通过IMAQ dx Close Camera VI：停止图像获取，释放获取图像所占用的资源并关闭相机。

可以通过使用Image Display控件显示抓取到的图像。但是这样并不能将连续的图像压缩后存为视频文件，只能显示所捕获的图像，没办法构成一个完整的图像采集系统。

在LABVIEW中，一般通过IMAQ AVI Create，IMAQ AVI Write Frame，IMAQ AVI Close 等子VI来实现对AVI格式视频文件的压缩保存。首先通过AVI Create子VI实现初始化，然后通过while外循环实现AVI的保存路径及编码器名称，在while内循环中就可以将捕获到的每一幅图像通过IMAQ AVI Write Frame写入AVI文件帧中。另外要特别注意IMAQ AVI Create子VI中要设置视频编码的方式。AVI文件格式是由微软公司推出的通用视频格式，它可以采用不同的编码器进行编辑，所以一般采用该格式。为了获取不同的解码器名称，使用LABVIEW自带的IMAQ AVI Get Filter Names子VI来实现。

视频采集与保存模块程序框图见图3(a)。

图3 视频采集与保存模块及摄像头转动控制程序框图

3.2 摄像头控制模块

在智能建筑视频监控系统中，摄像头的转动增大了视频监控的范围，提高了监控的有效性，同时也相对节约了视频监控系统的成本。文中摄像头转动子模块的设计主要包括摄像头转动手动与自动功能的切换控制，图像的对应移动显示和画面的切换等功能。摄像头转动控制程序框图见图3(b)。

3.3 报警联动模块

智能建筑视频监控系统本身并不具有自动消防的功能，但是在监控范围内，监控人员可以通过监控画面第一时间发现火灾隐患和可疑人员入侵，因此视频监控与报警联动的实现特别重要。该模块的设计思路是当火灾发生或有可疑入侵发生时，监控人员通过视频显示发现，同时启动视频监控的报警联动子模块进行警报，并启动相应的消防或者安防的设施。报警联动模块框图见图4。

图4 报警联动模块框图

3.4 视频回放模块

视频文件调取播放模块子程序设计，一方面调取电脑中安装的视频播放软件，另一方面获得电脑中存储的视频文件进行播放。如图5(a)所示，如果要访问ActiveX容器中对象的属性与方法，则需要通过属性节点和方法节点。通过ActiveX容器，用户就能直接将ActiveX容器与属性节点或方法节点进行连接来访问其属性和方法。

在LABVIEW中，主要在VI的前面板上嵌入ActiveX对象实现与LABVIEW控件交互。在ActiveX容器中可以插入Media player控件实现视频回放。

4 系统调试

打开软件并连接摄像头，运行界面见图5(b)。在远程监控模块中，摄像头将视频图像传输到控制主机，控制主机再将视频信号分配到各监视器及录像设备，同时可将需要传输的信号同步录入到录像机内。通过控制主机，操作人员可发出指令对云台的动作进行控制，并可通过控制主机实现在多路摄像机及云台之间的切换。

图5 视频回放框图和系统整体界面

输入模块：包括自动输入和手动输入。自动输入是摄像机自动转动采集数据作为输入；手动输入包括控制摄像机转动采集数据。无论是自动还是手动控制，该摄像机的镜头都会转动来采集数据。

控制模块：包括手/自动切换，摄像头方向的控制，画面切换，画面静止，画面休眠。

当切换到自动挡时，摄像头会自动转动，此时显示部分能看出摄像头的转动，以及画面的变化，一般情况下都处于自动状态。当切换到手动挡时，则需要利用方向按钮来控制摄像头的旋转，从而显示出不同位置的画面。控制画面的按钮又包括画面静止和画面休眠两种。当点击画面静止按钮时，将会看到显示部分的画面处于静止状态，方便人们对此时的画面进行仔细观察，当再次点击该按钮时，画面将继续变化。当不需要看监控画面时，为了节电可以点击画面休眠按钮，使画面处于休眠状态，当有需要时，再次点击该按钮则又会出现监控画面，利用该按钮既可以节能，也不影响视频监控的效果。在该部分还可以进行对画面的切换，点击切换按钮，显示部分则会出现不同监控区域的监控画面，如：点击切换按钮切换到“楼道”，在显示部分则会出现楼道的画面(见图6)。

5 结束语

文中系统采用LABVIEW为开发软件，设计了以办公楼为对象的基于物联网远程视频监控系统，实现视频监控安防系统的功能。系统具有仿真楼内各设备的运行及人员活动的实时监视和事后查询功能；完成视频监控虚拟实验系统软件的设计开发。

图6 远程视频监控系统图

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Research on Long-distance Video Monitoring Based on Internet of Things

YU Lei,XU Hong-ke,HU Xin

(School of Electronic and Control Engineering,Chang’an University, Xi’an 710064,China)

The Internet of Things technology is widely used in intelligent building industry.The system takes LABVIEW as the development software,design of virtual experiment system based on office building for video monitoring,implementation of video surveillance system.Real-time monitoring system can be used for simulation of building equipment operation and staff activities and subsequent query function,achieving design and development of virtual experiment system software for video monitoring based on Internet of Things.System front-end is camera input and the back-end is device for displaying,recording and controlling.The control device realizes the control for the front camera and the back-end device of displaying and recording,implementation of control for the front camera,lens,and PTZ,and the back-end device of displaying and recording,and linkage control with intrusion alarm system and fire alarm system.The video data file and playback technology is used to realize analog video monitoring data.

Internet of Things;video monitoring;intelligent building;virtual experiment

2015-07-01

2015-10-14

时间：2016-03-22

中央高校基本科研项目(2013jm8017)；归国留学人员科研启动项目(2013C0320118)；陕西省社会发展科技攻关项目(2013 B0320181)；陕西省自然科学基金项目(2014G1321039)

余 雷(1975-)，男，讲师，研究方向为物联网、控制科学与工程。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160322.1519.042.html

TP302

A

1673-629X(2016)04-0139-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.04.031