一、無線傳感網絡傳輸協議綜述

　　1、無線傳感網絡協議棧的構成

　　無線傳感器網絡協議棧由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層5 部分組成，和互聯網協議棧的五層協議相對應。

　　無線傳感網絡協議棧

　　物理層：數據收集、采樣、發送、接收，以及信號的調制解調；

　　數據鏈路層：媒體接入控制，網絡節點間可靠通信鏈路的建立，為鄰居節點提供可靠的通信通道；

　　網絡層：發現和維護路由；

　　應用層：提供安全支持，實現密鑰管理和安全組播；

　　傳輸層：為端到端的連接提供可靠的傳輸、流量控制、差錯控制、QoS 等服務，即便是在OSI 模型中也只有該層是負責總體數據傳輸和控制的，因此非常重要。

　　2、傳統協議的不足之處

　　傳統IP 網絡主要使用協議棧中傳輸層的UDP 和TCP 協議控制數據傳輸。UDP 協議是面向無連接的傳輸協議，不提供對數據包的流量控制及錯誤恢復；TCP 協議則提供了可靠的傳輸保證，如利用滑動窗口和AIMD 等機制進行擁塞控制，以及使用重傳進行差錯控制。但TCP 協議卻不能直接用于WSN，主要原因如下：

　　（1） TCP 協議遵循端到端（end-to-end）的設計思想，數據包的傳輸控制任務被賦予網絡的端節點上，中間節點只承擔數據包的轉發。而WSN 以數據為中心，中間節點可能會對相關數據進行在網處理（In-network Processing），即根據數據相關性對多個數據包內的信息進行綜合處理，得到新的數據包發送給接收端，直接使用TCP 協議會導致將此視為丟包而引發重傳。

　　（2） TCP 協議建立和釋放連接的握手機制相對比較復雜，耗時較長，不利于傳感器節點及時反饋被監測對象的相關信息。WSN 網絡拓撲的動態變化也給TCP 連接狀態的建立和維護帶來了一定的困難。

　　（3） TCP協議采用基于數據包（packet-based）的可靠性度量，即盡力保證所有發出的數據包都被接收節點正確收到。在WSN 中，可能會有多個傳感器節點監測同一對象，使得監測數據具有很強的冗余性和關聯性。只要最終獲取的監測信息能夠描述對象的真實狀況，具有一定的逼真度（fidelity），并不一定要求數據包傳輸的完全可靠，這種方式也被稱為基于事件的（event-based）可靠性度量。

　　（4） TCP 協議中數據包重傳通過端節點之間的ACK 反饋和超時機制來保證。傳感器網絡數據包中所含的數據量相對較小，大量ACK 包的傳輸會加重傳輸負載和能量消耗。并且，每次ACK 確認和數據包重傳都要從發送端發出經歷多跳傳輸路徑到達目的端，引發整條路徑上所有節點的能量消耗。

　　（5） WSN 中非擁塞丟包和多路傳輸等引起的數據包傳輸亂序，都會引發TCP 協議的錯誤響應，使得發送端頻頻進入擁塞控制階段，導致傳輸性能下降。

　　（6） TCP 協議要求每個網絡節點具有獨一無二或全網獨立的網絡地址。在大規模的WSN 中，為了減少長地址位帶來的傳輸消耗，傳感器節點可能只具有局部獨立的或地理位置相關的網絡地址或采用無網絡地址的傳輸方案，無法直接使用TCP 協議。

　　3、WSN 傳輸協議研究進展

　　當前對于無線傳感器網絡傳輸協議研究的工作還是側重于擁塞控制和可靠保證。該研究將擁塞控制分為流量控制、多路分流、數據聚合和虛擬網關等；可靠保證則包括數據重傳、冗余發送。

　　流量控制中，ERST、PORT 和IFRC 協議是基于報告速率調節的擁塞控制協議；Fusion、CCF 是基于轉發速率調節的擁塞控制協議，適合要求數據逼真度較高的網絡；Buffer-based、PCCP、CODA 則是基于綜合速率調節的擁塞控制協議。ERST 考慮了可靠性和能耗的因素，通過調整報告速率來減輕擁塞；PORT 協議則將報告速率調整問題建模為優化問題，解決ERST 的不足；IFRC 則著重保證信道帶寬能更公平地被相鄰多個節點所分享。

　　Fusion 采用了令牌桶機制，節點要按照一定規則積累令牌，且發送一次數據就消耗一個令牌；CCF 用速率比較的方法，擁塞發生時節點將自身轉發速率與父節點告知的轉發速率比較，以其中較小的值來轉發數據包。

　　Buffer-based 采用基于緩沖區的輕量級控制機構。發送數據包之前，要求節點監聽鄰居節點的緩沖區溢出否；PCCP 對數據流賦與不同的加權優先級，來保證調整公平性；CODA 結合了開環和閉環控制方式來解決擁塞。網絡流量突發導致局部短暫擁塞時就啟用開環控制。同時，若某被監測事件的發生頻率低于設定的信道吞吐量，源節點即可自行調整報告速率，否則就啟動閉環擁塞控制。

　　多路分流就是通過多路轉發來分散流量，解決擁塞問題。其中，ARC 協議是利用網絡中的冗余節點構建新的轉發路徑，CAR 與ARC 方法相近，BGR 則是在地理路由中增加方向偏離范圍，以此來擴大轉發路徑的可選范圍。

　　數據聚（融）合的必要性和重要性前文已述。協議包括CONCERT 和PREI。前者采用適應性聚合，后者將網絡劃分為大小相同的網絡，對來自同一網格的數據進行聚合。

　　可靠性方面，數據重傳協議包括網關向節點、節點向網關和雙向可靠保證3 類；冗余發送則包括拷貝發送（AFS、Rein form、MMSPEED、GRAB）和編碼冗余。

　　PSFQ、GARUDA 是網關向節點的。前者用緩發快取進行控制，后者則建立層次結構，進行階段性丟包恢復。RMST、RBC 是節點向網關的。前者是基于單路由協議設計的，除了原有的由數據源到網關的方向之外，增加了后向路徑，用于反饋丟包。BRTM 是雙向可靠保證的。

　　此外還有5 種隨機投遞傳輸協議并分別對它們建模分析，在仿真對比的基礎上做出了相關結論。這些協議包括：

　　1）逐跳可靠傳輸協議HHR、帶應答的逐跳可靠傳輸協議

　　HHRA 后者是前者的一個變體。HHR 是最簡單的該類協議。協議中，某轉發節點將同一數據包向其下一跳轉發節點進行多次發送。只要下一跳節點收到重發數據包一份副本，它就會繼續發送。HHRA 則要求轉發節點等待來自接收者的應答包。若收到應答包，則終止本跳后續副本的轉發。

　　2）逐跳廣播傳輸協議HHB、帶應答的逐跳廣播傳輸協議

　　HHBA 后者是前者的一個變體。HHB 中，轉發節點向其多個下一跳鄰節點多次發送同一數據包。若任何一個鄰節點成功接收到至少一個數據包，它就繼續以一定概率轉發此包。HHBA 則引入應答機制來增加傳輸可靠性，并減少傳輸時能量的消耗。

　　3）Rein form協議

　　該協議在多條隨機路徑上同時發送一個數據包的多個副本，以此來產生數據冗余，提高傳輸可靠性

　　4）基于分簇的協同傳輸協議。分析了傳輸效能和網絡吞吐量的改善。協議分為四步：1）分簇，即確定簇頭并在各簇內確定協同傳輸的節點；2）簇內信息傳輸；3）簇內協同節點向匯聚節點發送數據；4）匯聚節點接收和檢測信號。該協議的主要問題是協同節點間的同步。研究者相信，這種技術可用于無線自組織網、無線局域網及無線傳感器網等多種場合

　　5）實時傳輸協議。主要研究了SPEED 協議，并在TinyOS1.1.11 和Crossbow 公司的Micaz 節點搭建的平臺上進行了實驗。

　　總結：

　　WSN的傳輸控制協議在以下幾個方面還有待進一步深入研究：

　　1） 設計跨層協作的傳輸控制協議。在WSN 中傳輸控制任務不能僅僅依靠傳輸層來完成， 傳感器節點協議棧中的各個層次應在傳輸層控制機制的協調下進行充分的交互與協作，共同支持和保證數據的可靠傳輸。

　　2） 提高傳輸控制協議的綜合控制能力。在WSN 應用過程中，網絡中擁塞和丟包的現象可能會同時發生并互相影響，網關和節點之間也會頻繁的進行數據交互。目前的控制協議大多只對單個數據流方向上的一種問題（擁塞或丟包）進行處理，新的傳輸控制協議應提供全面的綜合控制機制。

　　3） 基于多優先級的控制策略。網絡中出現不同的數據流對可靠性的要求可能會不同，需要在協議設計時考慮對優先級問題的處理。

　　4） 傳輸控制協議需要提供公平性保證。在確保傳輸效率的同時，網絡中的多個數據流應按照事先定義的公平性原則分享無線信道進行數據傳輸。

　　5） 支持WSN 中以數據為中心的設計方案。WSN 以數據為中心的特點帶來了一些新的設計方案，如無獨立地址的節點設計、數據的在網處理和分簇網絡結構等，新的傳輸控制協議需要提供對這些方案的支持。

　　6） 提供對節點移動性的支持。目前，WSN 傳輸控制協議基本都假定傳感器節點和網絡是靜態的。但在戰場、物流等應用中，節點的移動會給網絡傳輸帶來更多不可靠因素，加重丟包現象的發生，需要設計更高處理效率和更快處理速度的控制協議。

　　二、基于無線傳感網絡的太陽能LED路燈狀態傳感器節點的設計

　　隨著太陽能LED路燈在城市照明系統中的廣泛應用，如何節約能源、提高路燈能源的利用率己成為急需解決的問題。太陽能LED路燈涉及到光伏電池、LED燈頭、蓄電池和路燈控制系統，能否最大效率地利用太陽能和延長LED燈頭的使用壽命，是目前迫切需要解決的問題。ZigBee技術以其功耗低、通信可靠、網絡容量大等特點為路燈自動控制領域提供了較合適的解決方案［1-3］。

　　本文研究了ZigBee技術及JN5139混合信號微控制器，從無線傳感器網絡的基本單位出發，采用照度傳感器、溫度傳感器、直流電壓傳感器和電流傳感器分別采集光伏電池電流電壓、蓄電池電流電壓、LED燈頭溫度和照度等數據，設計了基于JN5139模塊的具有全功能設備（FFD）的靈活多變、性能優越的太陽能LED路燈狀態傳感器節點，為組建高性能的無線傳感器網絡做了基礎性的工作。將ZigBee技術結合傳感器技術組成網絡，解決其他控制方法中存在的問題：選擇亮度傳感器實時采集LED燈頭照度，降低了特殊環境、特殊時間誤開誤關的幾率，擺脫了人工干預。

　　1 太陽能LED路燈狀態傳感器節點的結構

　　傳感器節點基本結構如圖1所示，主要包括傳感器、信號調理電路、A/D轉換器、微處理器、射頻通信模塊、定位模塊和電源模塊等。傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據；無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制信息和收發采集數據；能量供應模塊為傳感器節點提供所需的能量。

　　2 傳感器節點的功能

　　一般的ZigBee網絡由3種節點組成：協調器、路由器和終端設備。協調器是網絡的中心節點，負責網絡的組織和維護；路由器負責網絡內數據幀的路由；而終端設備則是實現具體功能的單元。本節點設計為全功能節點（FFD）設備，起到路由的作用，同時負責本地太陽能LED路燈狀態等參數的數據采集，可實現如下功能：

　　（1）傳感器節點能定時向監測分中心發送太陽能LED路燈狀態測量數據；

　　（2）傳感器節點能響應監測分中心的要求，實時采集太陽能LED路燈狀態數據；

　　（3）當傳感器節點檢測到數據超過閾值或者自身能量較低時，發送報警消息；

　　（4）能按照時間自動存貯太陽能LED路燈狀態數據，同時可以查詢某一時刻的太陽能LED路燈狀態數據；

　　（5）微型化、低功耗、低成本，具有高可靠性、穩定性和安全性。

　　3 傳感器節點的硬件設計

　　傳感器節點是由全功能設備（FFD）構成，其結構框圖如圖1所示。

　　3.1 微處理器模塊

　　作為ZigBee網絡中的節點，低功耗設計尤為重要。經過詳細的器件功耗比較之后，選取JN5139混合信號微控制器作為處理器模塊的核心。JN5139是集成了uFl天線的高功率模塊，可以在最短的時間內在最低的成本下實現IEEE802.15.4或ZigBee兼容系統。該表貼模塊利用Jennic的JN5139無線微控制器來提供完整的射頻和RF器件的解決方案。模塊提供了開發無線傳感器網絡所需要的豐富的外圍器件。模塊特性：集成uFl天線插槽；兼容2.4 GHz、IEEE802.15.4和ZigBee協議；2.7 V~3.6 V操作電壓；睡眠電流（包括睡眠定時器處于活動狀態）2.8 μA;接收靈敏度-100 dBm.MCU特性：16 MHz 32 bit RISC CPU;96 KB RAM， 192 KB ROM;4個輸入端口，12 bit ADC，2個11 bit DAC，2個比較器，2個應用級定時器/計數器，2個串口（一個用于系統在線調試），1個SPI接口，支持5個片選。能夠組建健壯的、安全的低功耗無線網絡應用。

　　3.2 傳感器及調理電路模塊

　　蓄電池電流和電壓檢測電路的設計原理圖如圖2所示。電流檢測電路由霍爾電流傳感器TBC10SY和取樣電阻、電平調整電路、跟隨器電路、濾波電路等組成；電壓檢測電路由取樣電路、跟隨器電路、濾波電路等組成。需要注意的是電流檢測電路中充電電流和放電電流方向相反，需要通過電壓提升電路將負電壓值轉換為正值，并在程序中予以處理。

　　光伏電池電流和電壓檢測電路的設計原理圖如圖3所示［4］。將串入光伏電池供電電路的精密小電阻上的信號作為電流檢測信號，采用集成運放ICL7650制作差分放大電路，這樣可以最大限度地減少對被測電路的影響。將并入光伏電池的大電阻分壓器上獲取小信號作為電壓信號，同樣采用集成運放ICL7650制作差分放大電路。為了消除干擾，采用兩個等值電阻分別接于放大器的兩個輸入端和地之間，同時在放大器輸出端增加濾波電路，經過濾波后的電流和電壓信號輸出到控制器JN5139的A/D轉換接口。

　　LED燈頭照度檢測電路如圖4所示。照度檢測采用On9658集成傳感器，傳感器獲取的信號經過放大器放大和濾波后輸出到控制器JN5139的A/D轉換接口。

　　LED燈頭溫度檢測電路如圖5所示。蓄電池溫度采用SHT11集成溫度傳感器。

　　4 傳感器節點的軟件設計

　　4.1 軟件系統的總體設計

　　軟件系統的主要功能包括傳感器數據采集與處理、無線收發和節點定位等，采用模塊化設計。傳感器數據采集與處理模塊主要設置蓄電池狀態信號的采集參數并控制采集；無線收發模塊通過設置寄存器控制對命令或數據的接收和發送；節點定位模塊對節點進行實時定位。傳感器節點設計為全功能設備（FFD），同時具有路由功能，其程序流程圖如圖6所示。在任務隊列中加入主任務進行數據采集、報警檢測和自身能量檢測并調用ZigBee發送任務；產生JN5139引腳中斷時，CPU轉去執行ZigBee接收中斷服務程序。如果是采集命令，則立即執行數據采集和發送；如果是路由包，則立即執行路由更新。

　　4.2 節點定位算法設計［5］

　　節點采用基于接收信號強度指示定位算法實現的精確定位。已知發射節點的發射信號強度，接收節點根據收到信號的強度計算出信號的傳播損耗，然后根據信號傳播模型公式將傳輸損耗轉化為距離，再利用三邊測量法計算出未知節點的位置。在實際定位中，要保證未知節點處于3個以上發射信號強度和位置坐標已知的參考節點的通信范圍內，未知節點根據接收信號強度計算出信號的傳播損耗，進而計算出節點位置。

　　本文介紹了基于無線傳感網絡的高精度太陽能LED路燈狀態傳感器節點的設計，在實際測試過程中，系統運行穩定，測量結果符合實際，完全達到了對信號高精度的采集與無線傳輸，取得了較好的監測效果。該系統結合無線傳感網絡具有的低功耗、低成本和節點多等優勢，在無線通信技術遠距離、高可靠性等關鍵問題解決過程中的應用會越來越廣泛。

　　三、基于無線傳感網絡的視頻監控系統設計與實現

　　摘要：針對傳統的視頻監控系統存在監控盲區、工作效率低等問題，本文基于無線傳感網絡定位技術，設計了一個人群異常活動視頻監控系統。本文首先依據無線信號接收強度指示（RSSI）方法，通過實驗獲取到接收信號強度指示和接收距離的函數關系，并通過曲線擬合技術獲取被監視人員的運動軌跡，然后利用濾波技術過濾軌跡噪聲數據。其次，提出了非安全域的設計思路，系統若發現被監控人員出現在非安全域，則自動觸發報警并對現場進行錄像。最后，設計并實現了一個原型系統，包括底層傳感器節點硬件編程、中間層消息處理和上層數據處理等模塊。實驗結果表明，該系統能夠對人員的活動位置進行較精確的定位，當出現異常活動時，自動觸發報警。

　　0 引言

　　視頻監控系統在各行業重點部門或重要場所進行實時監控的過程中發揮著重要的作用。

　　管理部門可通過其獲取圖像或聲音等有效信息，并對突發性異常事件的過程進行實時監視和記錄，以幫助現場取證和及時布置警力處理案件。

　　隨著互聯網的普及、計算機、圖像處理、傳輸技術的飛速發展， 視頻監控技術也有長足的發展。高智能、高效率、高安全性的視頻監控系統已經成為國內外發展的必然趨勢。

　　目前，針對視頻監控系統的研究主要集中在數據傳輸和終端顯示上。文獻利用GPRS對公共照明視頻監控系統捕獲到的數據進行傳輸并在終端進行顯示。文獻設計了一種具有自組織跳轉數據傳輸功能的無線監控系統。文獻提出了一種基于ZigBee 無線通信技術的設備監控系統。然而現有視頻監控系統的終端僅依靠工作人員頻繁切換監控畫面對現場進行監控，這不僅降低了監控系統的工作效率，而且使未被切換到的畫面成為監控盲區，此外，現有監控系統很少具備自動報警功能，這也是視頻監控系統需要重點研究的方向。

　　本文基于無線傳感網絡定位技術，設計一個人群異常活動視頻監控系統。該系統能夠對人員的活動位置進行較精確的定位，當出現異常活動時，自動觸發報警功能，系統工作人員只需要在接到報警信息后處理現場，從而提高系統的工作效率。本文從系統關鍵技術與難點問題入手，首先針對接收信號強度指示和距離的理想狀態關系模型在實際應用中存在的問題，通過設計實驗，獲取大量數據，并對其采用曲線擬合技術得到接收信號強度指示和距離的關系。然后針對傳感器節點位置信息因受節點供電不穩定等因素影響而產生噪聲數據的問題，設計了一種基于期望值和閾值的濾波技術過濾噪聲數據。其次，提出了非安全域的設計思路，系統若發現被監控人員出現在非安全域，則自動觸發報警。最后，設計并實現了一個原型系統，包括底層傳感器節點硬件編程、中間層消息處理和上層數據處理等模塊。

　　1 系統關鍵技術與難點問題

　　1.1 獲取 RSSI 和距離值的對應關系

　　接收信號強度指示（RSSI，Received Signal Strength Indicator）通過信號在傳播過程中的衰減來估計節點之間的距離［8］。由于信號在傳播過程中信號強度會降低，根據接收機接收到的信號強度，可以估計發射機的距離。無線信道的數學模型如式（1）。

　　式（1）中，d 是發射機和接收機之間的距離， d0 是參考距離； np 是信道衰減指數；一般取值2-4； p0 是距離發射機d 0 處的信號強度；P（d）是距離發射機d 處的信號強度； p0 可以通過經驗得出，或者從硬件規范定義得到。由此方程可以通過信號強度P（d）求出d 。

　　然而，信道因受到多徑衰減（Multi-path Fading）和非視距阻擋（Non-of-Sight Blockage）的影響而具有時變性，在特定環境中，嚴重偏離上述模型，通過接收到的信號強度估計出的距離d 有很大的誤差。

　　因此，理想狀態下RSSI 值和距離的關系不適用本系統。本文必須找到RSSI 值和距離在實驗環境下的函數關系，這是本文所作工作的一個重點也是難點。通過研究分析，本文設計了獲取RSSI 和距離在實驗環境下關系的實驗，實驗方案如圖1 所示。

　　圖1 RSSI 和距離關系獲取實驗方案

　　距離為d 時，三個TestNode 節點分別向RevNode 發送40 個數據包，RecvNode 節點提取出接收到的120 個數據包中的RSSI 值并求其平均值，如此實驗重復10 次，再對所有平均值求均值，如圖2 所示。

　　圖2 距離為1米時2號錨節點的RSSI值

　　由此易知，每個距離d 就對應著一個RSSI 均值，對所有數據匯總后，得到如下RSSI和距離之間的關系如圖3 所示。

　　圖3 距離和RSSI之間的關系

　　1.2 曲線擬合

　　本文利用曲線擬合中的指數擬合和多項式擬合的辦法找函數關系。通過一系列實驗并計較得到三次多項式擬合效果最好。擬合得到的函數表達式如式2 所示。

　　圖4 所示為三次多項式與指數擬合得到的距離與RSSI 關系對比圖，從圖中可以明顯看出，利用三次多項式擬合出來的曲線和實際情況更吻合。

　　圖4 三次多項式與指數擬合得到的距離與RSSI 關系對比

　　1.3 校正處理

　　無線傳感器節點因受環境因素較大，故在用接收到的RSSI 值進行計算前因先進行RSSI值校正處理。首先，設定RSSI 取值的最小和最大臨界值，當實驗測量到的RSSI 值遠遠小于最小臨界值則令其等于最小臨界值，或者RSSI 遠遠大于最大臨界值時則令其等于最大臨界值，如果RSSI 和臨界值相差不大，則根據從實驗過程中得到的經驗對該RSSI 值進行適當校正，使該RSSI 值回到臨界區域內部。

　　1.4 濾波

　　第一步：設定RSSI 的期望值，如式（3）式所示：

　　其中， R 0 是預期的RSSI 值，R 是實際得到的RSSI 值， R 1 是前一次得到的RSSI 值，R2是在此之前的第二次得到的RSSI 值，α、β、γ 分別是R， R1 ， R2 在期望值中所占的權重，分別將其設置為0.6，0.25，0.15。

　　第二步：設定閾值，閾值是在大量實驗基礎上進行總結再設定的，該系統中設為0.5。

　　第三步：除噪，若期望值0 R 和當前值R 差的絕對值小于設定的閾值，就讓令上一次的值作為當前值，R= 1 R ，同時2 R = 1 R;若期望值和當前值差的絕對值已經大于閾值，則令期望值作為當前值，R= R 0 ，同時， R2 = R 1 ， R 1 = R 0 ;實驗結果表明：通過以上濾波處理，不僅減小了節點不穩定帶來的軌跡震蕩，節點的軌跡變化曲線更加趨于平緩。

　　1.5 串口數據提取

　　在串口通信協議中一個串口通信數據幀的格式如圖5所示：

　　圖5 串口通信數據幀的格式

　　Sync 是一個數據幀的起始和結束標志符，用0x7E 來表示該標志符。緊跟在起始Sync后面的是Type標志符。CRC用來表示冗余校驗碼，其中，參與冗余校驗的字段為TOS MsgHeader 和Payload，這兩個字段存放的是網關收到的一個傳感器節點發出的完整的路由包。

　　最后面的一個Sync 用來表示幀的結束。

　　在實驗過程中，串口接收到的原始數據如圖6 所示：

　　圖6 串口原始數據

　　通過對上表中數據分析得知：表中第一條數據中0x7E 表示一個數據幀的起始，0x42 表示一個數據幀的Type，不要求接收方對發送方回復一個確認包。從第二行第五個數據開始時對上層應用有用的字段，在進行上層開發時，可以從該處提取出串口中的數據，其中0x0100，表示數據包的ID 號，緊跟其之后的是兩個字節0x3A00 表示接收到的數據包的序列號，接下來的0x 0200 表示錨節點的ID 號為2，0x0500 表示Move 節點的ID 號為5，0x0800 表示從2 號錨節點獲取到的5 號Move 節點的RSSI 值為8， 接下來的0x 0300 表示錨節點的ID號為3，0x0500 表示Move 節點的ID 號為5，0x0C00 表示從3 號錨節點獲取到的5 號Move節點的RSSI 值為0x0C， 接下來的0x 0400 表示錨節點的ID 號為4，0x0500 表示Move 節點的ID 號為5，0xF800 表示從4 號錨節點獲取到的5號Move節點的RSSI值為0Xf8，接下來的F207FE 為CRC 字段，最后一個7E 為數據幀的結束字段。通過以上分析，可以快速從串口通信數據中提取所需的字段，為上層開發奠定基礎。

　　2 系統設計

　　2.1 系統架構

　　系統由底層（硬件層），中間層（串口消息解析層），上層（數據處理層）系統的構架如圖7所示。

　　圖7 系統架構

　　2.2 底層模塊設計

　　底層模塊通過Move 節點發送數據到Node1，Node2，Node3 節點，Node1，Node2，Node3節點分別從Move 節點中取出RSSI 值并將這些值連同自身的SOURECE_ADDRESS 值封裝到數據字段并通過Forward 節點轉發給Sink 無線網關節點。底層模塊結構如圖8 所示：

　　圖8底層結構2.3 中間層模塊設計

　　該層主要負責接收來自底層的串口消息，該層的重點就是對串口數據包的內容進行解析，獲取數據包中節點的RSSI 值、錨節點ID 號等信息，并將其交給上層進行處理。

　　2.4 上層模塊設計

　　本文將該基于無線傳感網絡的人群異常活動視頻監控系統的上層模塊分為以下六個子模塊：

　　串口配置模塊：該模塊主要對串口的各項參數進行配置，在不同的網關連接上PC 機時配置不同的串口，使該系統的可擴展性增強。

　　實時監控模塊：該模塊主要負責將無線傳感網絡中移動節點的軌跡信息實時顯示在監控畫面當中；用戶通過點擊顯示樣例軌跡了解軌跡的概念；通過清除軌跡操作清除屏幕上的所有軌跡信息；此外，用戶可以通過調整顯示刷新周期，對軌跡數據的動態刷新周期進行設置；如果刷新周期設置過長，則通過手動刷新按鈕刷新軌跡以實時觀察移動節點的估計信息。

　　歷史回放模塊：該模塊主要根據用戶的設置回放移動節點的歷史軌跡。用戶根據自己的要求回放具體時間移動節點的軌跡信息，如回放一天、一天的一段時間；幾天、幾天里面的一段時間或者一個精確時間的被監控人員的軌跡信息。此外，該模塊提供設置回放周期功能，用戶根據自己的需求設置每次回放的移動節點位置信息的個數和回放周期，系統將反饋給用戶查詢的時間段內數據庫中所有記錄的條數，用戶通過系統能清楚地知道需要回放的記錄條數以及待回放的記錄條數。

　　歷史數據查詢模塊：該模塊主要負責歷史數據的查詢功能，模塊包括人員位置/軌跡一般查詢、人員位置 /軌跡高級查詢、歷史警報信息查詢三大功能。其中，人員位置/軌跡高級查詢，主要根據用戶輸入的時間段信息查詢人員的軌跡信息，用戶根據需求查詢一天、一天的一段時間、幾天、幾天的一段時間或者是一個精確時刻的軌跡信息。此外，該部分還提供了一些其他功能，如用戶在顯示軌跡區域單擊一個點，該單擊點的在繪圖區域的坐標、該坐標對應的實際區域中的坐標及查詢人員在該實際坐標出現的次數都將被列出來顯示。歷史數據查詢模塊的另外一個重要功能就是歷史警報信息的查詢功能。該功能允許用戶查看所有的警報信息，即被監測人員所出現的所有非安全區域的信息。此外，系統提供用戶根據需要刪除部分選定的警報信息的功能。

　　非安全域設置模塊：該模塊主要負責非安全域的設置。非安全域的正確設置對系統的自動報警功能及系統的可靠性起著極其重要的作用。所以只有擁有設置權限的用戶才能進行非安全域的設置。如果被監控的人員出現在非安全區域，系統將觸發警報。非安全域即定義一個非安全域的中心和非安全域的半徑，所有處在該非安全域中的點將觸發報警功能。該模塊允許擁有權限的用戶根據實際需要對非安全域進行修改，添加，刪除和查詢等操作。

　　人員信息指南模塊：該模塊主要實現了對歷史數據的統計工作。用戶根據需求查詢指定區域內出現的時間，此外，該模塊還提供查詢指定時間內被監控人員出現區域的功能。在指定區域出現的時間查詢窗體中，用戶設置需查詢的區域或者根據輸入要查詢的時間段，查詢結果將顯示所有查詢到的記錄條數，此外，該部分還提供了其他的一些功能，如用戶可以獲得被監控人員每個小時時段出現的次數以及每個小時時段在每天的24 小時中所占的比例，這樣根據查詢的結果用戶很容易獲取在指定區域被監控的人員出現的最頻繁的時間。在指定時間內位置信息查詢功能中，用戶輸入要查詢的時間段，得到查詢結果后，用戶單擊任意一條查詢結果，就可獲取該單擊點對應時刻和對應地點被監控人員出現的次數。

　　報警并錄制現場模塊：報警并錄制現場模塊：該模塊提供報警和對現場進行錄像功能，系統在發現人員出現在非安全域時自動觸發報警并對現場進行一段時間的錄像操作。此外，系統還提供解除警報或結束現場錄制的功能。

　　3 系統實現

　　3.1 系統開發環境

　　本系統需要使用攝像頭、micaz 節點及無線網關。圖9所示為該系統中使用的主要硬件設施，從左至右依次為micaz 節點、無線網關，攝像頭。無線網關與PC 機通過串口連接，micaz 節點之間通過無線方式進行相互之間的通信，攝像頭負責對現場進行錄像。

　　圖9 硬件設施

　　3.2 系統展示

　　圖10顯示了系統整體運行主界面，用戶可以通過該界面進入到各個子模塊界面當中進行相關操作。

　　圖10 系統運行主界面

　　圖11 顯示了被監控人員的軌跡信息的實時監控畫面：

　　圖11實時軌跡監控

　　圖12 歷史數據回放

　　圖13 非安全域設置

　　圖14 人員在指定區域出現的時間查詢

　　圖15 歷史軌跡高級查詢

　　圖16 報警并錄制現場

　　4 結束語

　　本文基于無線傳感網絡定位技術，設計一個人群異常活動視頻監控系統。針對傳統的視頻監控系統中存在監控盲區等問題，本文設計的系統通過傳感器節點射頻芯片的接收信號強度對人員進行定位；通過設立非安全域監視和識別人員的異常活動，當異常活動出現，便自動報警并對現場進行錄像。本文設計的系統有效地避免了監控盲區的出現，同時自動報警功能讓監控系統的工作效率得到提高。展望未來，視頻監控系統的安全性、高效性以及智能化仍將是一個重點研究方向。
?