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          多傳感器集成技術助力智能安防建設

          發布日期:2015-05-18    瀏覽次數:1542

           傳感器(英文名稱:transducer/sensor)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。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。

           

            傳感技術同計算機技術與通信技術一起被稱為信息技術的三大支柱。從仿生學觀點,如果把計算機看成處理和識別信息的大腦,把通信系統看成傳遞信息的神經系統的話,那么傳感器就是感覺器官。

           

            隨著傳感器技術、數據處理技術、計算機技術、網絡通訊技術、人工智能技術和并行計算的軟硬件技術等相關技術的發展,多傳感器信息融合技術已受到了廣泛關注。隨著科學技術的進步,多傳感器信息融合至今已形成和發展成為一門信息綜合處理的專門技術,并很快推廣應用到工業機器人、智能檢測、自動控制、交通管理和醫療診斷等多種領域。我國從20世紀90年代也開始了多傳感器信息融合技術的研究和開發工作,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用系統的開發,現在多傳感器信息融合技術越來越受到人們的普遍關注。

           

            多傳感器信息融合技術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化組合處理,最終產生對觀測環境的一致性解釋。在這個過程中要充分地利用多源數據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、多方面組合導出更多有用信息。這不僅是利用了多個傳感器相互協同操作的優勢,而且也綜合處理了其它信息源的數據來提高整個傳感器系統的智能化。

           

            多傳感器融合系統具有四個顯著的特點:

           

            1、信息的冗余性:對于環境的某個特征,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的穩定性,從而能夠避免因單個傳感器失效而對整個系統所造成的影響。

           

            2、信息的互補性:不同種類的傳感器可以為系統提供不同性質的信息,這些信息所描述的對象是不同的環境特征,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。

           

            3、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熱處理機制,從而使系統具有更快的處理速度,提供更加及時的處理結果。

           

            4、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的。

           

            信息融合作為對多傳感器信息的綜合處理過程,具有本質的復雜性。在信息融合處理過程中,根據對原始數據處理方法的不同,信息融合系統的體系結構主要有三種:集中式、分布式和混合式。

           

            1、集中式:集中式將各傳感器獲得的原始數據直接送至中央處理器進行融合處理,可以實現實時融合,其數據處理的精度高,算法靈活,缺點是對處理器要求高,可靠性較低,數據量大,故難于實現。

           

            2、分布式:每個傳感器對獲得的原始數據先進行局部處理,包括對原始數據的預處理、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、可靠性和延續性好,但跟蹤精度沒有集中式高。

           

            3、混合式:大多情況是把上述二者進行不同的組合,形成一種混合式結構。它保留了上述兩類系統的優點,但在通信和計算上要付出較昂貴的代價。但是,此類系統也有上述兩類系統難以比擬的優勢,在實際場合往往采用此類結構。

           

            最近,多功能集成化傳感器研究受到國內外的廣泛關注,化學分析、生物保護等方面的集成傳感器相繼問世。隨著MEMS技術的發展,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構形式,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,容易實現補償和校正等優勢,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展的一個方向。

           

            此外,引進中間件技術也是實現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據結構不一致,為了實現接入不同類型、不同廠家的傳感器,系統要解決異構感知數據的接入和處理問題,以及各層之間交互協議的轉換與解析問題,而中間件是實現底層硬件設備與應用系統之間數據傳輸、過濾、數據轉換以及交互協議的轉化與解析的一種中間程序。

           

            中間件技術與系統的應用是順應目前安防市場發展形勢之舉。目前已有的安防系統主要由以下特點:

           

            安防系統軟件主要是由安防設備廠商所提供的專用C/S架構軟件。通常情況下,這種軟件只能識別該設備廠商的一款或者幾款產品,無法兼容其他廠商的產品,其內部通信協議與信息格式完全封閉,導致可擴展性差。并且由于C/S架構軟件自身所具有的使用前安裝和無法統一升級等缺點,一旦設備提供商有新的產品上市了,原先的軟件也無法兼容該產品,只能是先對系統進行升級,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、維護、升級的成本都大大提高,系統的兼容性與可擴展性差。

           

            有些安防系統是僅針對某一類型安防設備的單一系統,或者是集成了多個子系統,但各個子系統之間獨立工作。每一個子系統都要單獨監控的話,將耗費大量的人力物力;并且同一事件引起各個系統獨立報警,導致監控人員認為是兩次不相關的報警,這也將給監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,只要在可以聯網的環境下,通過瀏覽器即可查看實時的警情信息;可維護性好,如果系統進行更新升級,只需要對服務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,而不是各個子系統單一工作;不同類型的傳感器之間可以協同報警,從而提供更為全面的報警信息;智能化程度高,監控人員不用再7*24時間監視著視頻墻,一旦有異常情況出現,系統會自動進行分析,并以圖像、聲音、短信的方式通知監控人員,同時會對報警時段進行錄像,這樣就無需事后從大量監控視頻中尋找異常畫面。針對這些需求,利用中間件技術實現多傳感器集成功能的安防系統應運而生,此處以基于web技術的多傳感器協同報警安防系統設計為例,簡要闡述系統設計應用相關要素。

           

            本系統體系架構包含感知層、傳輸層與應用層。

           

            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、擁有不同數據格式和通信協議的。在本系統中,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是否有人經過,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的溫度信息,可用以檢測環境是否有異常;攝像頭則用于探測畫面中是否有異常情況出現,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:由網關節點組成。傳輸層在應用層與感知層之間起到一個傳遞信息的功能。網關節點通過數據適配中間件和網關中間件來實現傳感器感知數據的信息獲取和下發控制命令功能。

           

            應用層:由安防系統和web應用組成。Web應用包括PC端和移動終端上的應用。安防系統通過平臺中間件實現數據資源的開放,同時也實現了安防系統對傳輸層設備、感知層設備的向下尋址功能。

           

            感知層與傳輸層之間通過數據適配中間件接口進行通信;傳輸層與應用層之間通過網關中間件接口進行通信;而應用層中的安防系統與web應用之間通過平臺中間件接口進行通信。

           

            系統中設計三種中間件:數據適配中間件,網關中間件和平臺中間件。從功能上說,它們向下為多種設備的異構感知數據提供統一的接入格式和能力,并進行數據的存儲和整合;向上以統一接口的方式開放設備資源的能力,提供對感知層設備數據的一致性訪問,同時為各層之間的交互協議提供了轉換和解析。

           

            數據適配中間件:為使不同廠家、不同型號、不同用途、擁有不同數據格式的傳感器都可以接入到系統中,系統引入數據適配中間件。針對不同的傳感器設備提供相應的數據獲取與處理模塊,將獲取到的各種異構數據按照統一的格式進行封裝;數據適配中間件也可以按照一定的規則解析安防系統的控制命令,進而根據傳感器的唯一標識分發給各感知層設備。

           

            網關中間層:網關中間件在系統中具有唯一標識,它的作用包括:負責感知層與應用層之間的信息傳遞,將數據適配中間件封裝好的數據發送給平臺中間件;按照事先規定好的規則解析安防系統的控制命令;負責感知層與傳輸層之間的交互協議的轉換與解析。它使用socket連接進行向上和向下的消息傳遞。

           

            平臺中間層:安防系統通過平臺中間件實現對感知數據的接收和處理功能,以及對網關、感知層設備的向下尋址功能。同時還負責傳輸層與應用層之間交互協議的轉換與解析。

           

            本系統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,為設備提供方和資源使用方提供了一種新型的安防軟件架構,助力實現智能安防。

           

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

           

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