多傳感器集成技術(shù)助力智能安防建設(shè) - 全文

　　傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

　　傳感技術(shù)同計算機技術(shù)與通信技術(shù)一起被稱為信息技術(shù)的三大支柱。從仿生學(xué)觀點，如果把計算機看成處理和識別信息的“大腦”，把通信系統(tǒng)看成傳遞信息的“神經(jīng)系統(tǒng)”的話，那么傳感器就是“感覺器官”。

　　隨著傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、人工智能技術(shù)和并行計算的軟硬件技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，多傳感器信息融合技術(shù)已受到了廣泛關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，多傳感器信息融合至今已形成和發(fā)展成為一門信息綜合處理的專門技術(shù)，并很快推廣應(yīng)用到工業(yè)機器人、智能檢測、自動控制、交通管理和醫(yī)療診斷等多種領(lǐng)域。我國從20世紀90年代也開始了多傳感器信息融合技術(shù)的研究和開發(fā)工作，并在工程上開展了多傳感器識別、定位等同類信息融合的應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，現(xiàn)在多傳感器信息融合技術(shù)越來越受到人們的普遍關(guān)注。

　　多傳感器信息融合技術(shù)的基本原理就像人的大腦綜合處理信息的過程一樣，將各種傳感器進行多層次、多空間的信息互補和優(yōu)化組合處理，最終產(chǎn)生對觀測環(huán)境的一致性解釋。在這個過程中要充分地利用多源數(shù)據(jù)進行合理支配與使用，而信息融合的最終目標則是基于各傳感器獲得的分離觀測信息，通過對信息多級別、多方面組合導(dǎo)出更多有用信息。這不僅是利用了多個傳感器相互協(xié)同操作的優(yōu)勢，而且也綜合處理了其它信息源的數(shù)據(jù)來提高整個傳感器系統(tǒng)的智能化。

　　多傳感器融合系統(tǒng)特征，具有四個顯著的特點：

　　信息的冗余性

　　對于環(huán)境的某個特征，可以通過多個傳感器（或者單個傳感器的多個不同時刻）得到它的多份信息，這些信息是冗余的，并且具有不同的可靠性，通過融合處理，可以從中提取出更加準確和可靠的信息。此外，信息的冗余性可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而能夠避免因單個傳感器失效而對整個系統(tǒng)所造成的影響。

　　信息的互補性

　　不同種類的傳感器可以為系統(tǒng)提供不同性質(zhì)的信息，這些信息所描述的對象是不同的環(huán)境特征，它們彼此之間具有互補性。如果定義一個由所有特征構(gòu)成的坐標空間，那么每個傳感器所提供的信息只屬于整個空間的一個子空間，和其他傳感器形成的空間相互獨立。

　　信息處理的及時性

　　各傳感器的處理過程相互獨立，整個處理過程可以采用并行導(dǎo)熱處理機制，從而使系統(tǒng)具有更快的處理速度，提供更加及時的處理結(jié)果。

　　信息處理的低成本性

　　多個傳感器可以花費更少的代價來得到相當(dāng)于單傳感器所能得到的信息量。另一方面，如果不將單個傳感器所提供的信息用來實現(xiàn)其他功能，單個傳感器的成本和多傳感器的成本之和是相當(dāng)?shù)摹?br />

　　多傳感信息融合架構(gòu)形式

　　信息融合作為對多傳感器信息的綜合處理過程，具有本質(zhì)的復(fù)雜性。在信息融合處理過程中，根據(jù)對原始數(shù)據(jù)處理方法的不同，信息融合系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要有三種：集中式、分布式和混合式。

　　集中式

　　集中式將各傳感器獲得的原始數(shù)據(jù)直接送至中央處理器進行融合處理，可以實現(xiàn)實時融合，其數(shù)據(jù)處理的精度高，算法靈活，缺點是對處理器要求高，可靠性較低，數(shù)據(jù)量大，故難于實現(xiàn)。

　　分布式

　　每個傳感器對獲得的原始數(shù)據(jù)先進行局部處理，包括對原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理、分類及提取特征信息，并通過各自的決策準則分別作出決策，然后將結(jié)果送入融合中心進行融合以獲得最終的決策。分布式對通信帶寬需求低、計算速度快、可靠性和延續(xù)性好，但跟蹤精度沒有集中式高。

　　混合式

　　大多情況是把上述二者進行不同的組合，形成一種混合式結(jié)構(gòu)。它保留了上述兩類系統(tǒng)的優(yōu)點，但在通信和計算上要付出較昂貴的代價。但是，此類系統(tǒng)也有上述兩類系統(tǒng)難以比擬的優(yōu)勢，在實際場合往往采用此類結(jié)構(gòu)。

　　最近，多功能集成化傳感器研究受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，化學(xué)分析、生物保護等方面的集成傳感器相繼問世。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，人們可以在同一材料上制作幾種敏感元器件，制成能夠檢測多個參量的集成化多功能傳感器。多功能傳感器主要有幾種不同的工作原理及結(jié)構(gòu)形式，其中，由于集成度高、體積小，各個敏感元器件的工作氛圍相同，容易實現(xiàn)補償和校正等優(yōu)勢，將幾種不同的敏感元器件制作在同一個硅片，制成集成化多功能傳感器將是多功能傳感器發(fā)展的一個方向。

　　此外，引進中間件技術(shù)也是實現(xiàn)多傳感器集成的一個常見舉措。由于不同類型的傳感器所提供的感知數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不一致，為了實現(xiàn)接入不同類型、不同廠家的傳感器，系統(tǒng)要解決異構(gòu)感知數(shù)據(jù)的接入和處理問題，以及各層之間交互協(xié)議的轉(zhuǎn)換與解析問題，而中間件是實現(xiàn)底層硬件設(shè)備與應(yīng)用系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸、過濾、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及交互協(xié)議的轉(zhuǎn)化與解析的一種中間程序。

　　基于中間件技術(shù)的多傳感器系統(tǒng)集成中間件技術(shù)與系統(tǒng)的應(yīng)用是順應(yīng)目前安防市場發(fā)展形勢之舉。目前已有的安防系統(tǒng)主要由以下特點：安防系統(tǒng)軟件主要是由安防設(shè)備廠商所提供的專用C/S架構(gòu)軟件。通常情況下，這種軟件只能識別該設(shè)備廠商的一款或者幾款產(chǎn)品，無法兼容其他廠商的產(chǎn)品，其內(nèi)部通信協(xié)議與信息格式完全封閉，導(dǎo)致可擴展性差。并且由于C/S架構(gòu)軟件自身所具有的使用前安裝和無法統(tǒng)一升級等缺點，一旦設(shè)備提供商有新的產(chǎn)品上市了，原先的軟件也無法兼容該產(chǎn)品，只能是先對系統(tǒng)進行升級，然后讓所有用戶都重新安裝一遍，極大降低了用戶體驗，同時對于廠商來說，開發(fā)、維護、升級的成本都大大提高，系統(tǒng)的兼容性與可擴展性差。

　　有些安防系統(tǒng)是僅針對某一類型安防設(shè)備的單一系統(tǒng)，或者是集成了多個子系統(tǒng)，但各個子系統(tǒng)之間獨立工作。每一個子系統(tǒng)都要單獨監(jiān)控的話，將耗費大量的人力物力;并且同一事件引起各個系統(tǒng)獨立報警，導(dǎo)致監(jiān)控人員認為是兩次不相關(guān)的報警，這也將給監(jiān)控人員帶來許多不便，造成人力資源的浪費。

　　而我們的實際項目需求是：可以接入不同類型、不同廠家的傳感器設(shè)備，包括紅外傳感器、溫度傳感器和攝像頭;用戶體驗性好，不需要在使用軟件前先進行安裝，只要在可以聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下，通過瀏覽器即可查看實時的警情信息;可維護性好，如果系統(tǒng)進行更新升級，只需要對服務(wù)器端的代碼進行更新即可，而不是對所有客戶端的軟件進行升級;形成一個整體的安防系統(tǒng)，而不是各個子系統(tǒng)單一工作;不同類型的傳感器之間可以協(xié)同報警，從而提供更為全面的報警信息;智能化程度高，監(jiān)控人員不用再7*24時間監(jiān)視著視頻墻，一旦有異常情況出現(xiàn)，系統(tǒng)會自動進行分析，并以圖像、聲音、短信的方式通知監(jiān)控人員，同時會對報警時段進行錄像，這樣就無需事后從大量監(jiān)控視頻中尋找異常畫面。針對這些需求，利用中間件技術(shù)實現(xiàn)多傳感器集成功能的安防系統(tǒng)應(yīng)運而生，此處以基于web技術(shù)的多傳感器協(xié)同報警安防系統(tǒng)設(shè)計為例，簡要闡述系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用相關(guān)要素。

　　本系統(tǒng)體系架構(gòu)包含感知層、傳輸層與應(yīng)用層。

　　感知層由多種不同類型傳感器組成：主要用于集采異常信息，這些傳感器的類型和功能可以有很大的差異，它們可以使不同廠家的、不同型號的、不同用途的、擁有不同數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議的。在本系統(tǒng)中，我們使用紅外探測器、溫度傳感器和攝像頭三種來做示范研究。紅外探測器可以檢測某一空間內(nèi)是否有人經(jīng)過，適用于倉庫類型的場所，以檢測是否有人闖入;溫度傳感器可以檢測某一場所內(nèi)的溫度信息，可用以檢測環(huán)境是否有異常;攝像頭則用于探測畫面中是否有異常情況出現(xiàn)，包括人員的運動檢測、畫面丟失檢測、物體丟失檢測等，同時還可以利用攝像頭進行錄像。

　　傳輸層由網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成。傳輸層在應(yīng)用層與感知層之間起到一個傳遞信息的功能。網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過數(shù)據(jù)適配中間件和網(wǎng)關(guān)中間件來實現(xiàn)傳感器感知數(shù)據(jù)的信息獲取和下發(fā)控制命令功能。

　　應(yīng)用層由安防系統(tǒng)和web應(yīng)用組成。Web應(yīng)用包括PC端和移動終端上的應(yīng)用。安防系統(tǒng)通過平臺中間件實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的開放，同時也實現(xiàn)了安防系統(tǒng)對傳輸層設(shè)備、感知層設(shè)備的向下尋址功能。

　　感知層與傳輸層之間通過數(shù)據(jù)適配中間件接口進行通信;傳輸層與應(yīng)用層之間通過網(wǎng)關(guān)中間件接口進行通信;而應(yīng)用層中的安防系統(tǒng)與web應(yīng)用之間通過平臺中間件接口進行通信。

　　系統(tǒng)中設(shè)計三種中間件：數(shù)據(jù)適配中間件，網(wǎng)關(guān)中間件和平臺中間件。從功能上說，它們向下為多種設(shè)備的異構(gòu)感知數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的接入格式和能力，并進行數(shù)據(jù)的存儲和整合;向上以統(tǒng)一接口的方式開放設(shè)備資源的能力，提供對感知層設(shè)備數(shù)據(jù)的一致性訪問，同時為各層之間的交互協(xié)議提供了轉(zhuǎn)換和解析。

　　數(shù)據(jù)適配中間件：為使不同廠家、不同型號、不同用途、擁有不同數(shù)據(jù)格式的傳感器都可以接入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)引入數(shù)據(jù)適配中間件。針對不同的傳感器設(shè)備提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取與處理模塊，將獲取到的各種異構(gòu)數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的格式進行封裝;數(shù)據(jù)適配中間件也可以按照一定的規(guī)則解析安防系統(tǒng)的控制命令，進而根據(jù)傳感器的唯一標識分發(fā)給各感知層設(shè)備。

　　網(wǎng)關(guān)中間層：網(wǎng)關(guān)中間件在系統(tǒng)中具有唯一標識，它的作用包括：負責(zé)感知層與應(yīng)用層之間的信息傳遞，將數(shù)據(jù)適配中間件封裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送給平臺中間件;按照事先規(guī)定好的規(guī)則解析安防系統(tǒng)的控制命令;負責(zé)感知層與傳輸層之間的交互協(xié)議的轉(zhuǎn)換與解析。它使用 socket連接進行向上和向下的消息傳遞。

　　平臺中間層：安防系統(tǒng)通過平臺中間件實現(xiàn)對感知數(shù)據(jù)的接收和處理功能，以及對網(wǎng)關(guān)、感知層設(shè)備的向下尋址功能。同時還負責(zé)傳輸層與應(yīng)用層之間交互協(xié)議的轉(zhuǎn)換與解析。

　　本系統(tǒng)通過多傳感器中間件的運用，以及對消息交互方式和消息格式自定義等配套措施，為設(shè)備提供方和資源使用方提供了一種新型的安防軟件架構(gòu)，助力實現(xiàn)智能安防。

　　目前流行的組合傳感設(shè)備，在安防也很受青睞。傳感設(shè)備封裝中加入加速度傳感設(shè)備、陀螺儀或電子羅盤所形成的不同組合產(chǎn)品，通過在各單一封裝中整合能夠增加更多的應(yīng)用功能，并且盡可能的節(jié)約了空間及成本。在這些應(yīng)用愈來愈廣泛的領(lǐng)域推動下，這兩年來組合傳感設(shè)備市場的銷售額一直處于不斷上升的狀態(tài)，市場潛力巨大。