（计算机应用技术专业论文）环绕智能环境下手机家居监控系统设计与实现.pdf

摘要 环绕智能( a m i a m b i e n ti n t e l l i g e n c e ) 是把人用各种不被察觉的嵌入在周围 的计算技术和网络技术包围的一种概念，最早由欧洲信息社会咨询组于2 0 0 1 年 提出。它提出了一种新的人机交互模式，强调计算的可移动性和嵌入性以及无处 不在性。在环绕智能的研究在欧洲美洲越来越快的展开的时候，北京工业大学嵌 入式软件与系统研究所承接了国家2 1 1 项目“环绕智能与嵌入式系统”。本文设计 的“手机家居视频监控系统”就是整个环绕智能与嵌入式系统中的一个子系统。 手机家居视频监控系统从a m i 的概念、理论和技术框架出发，提出了在环 绕智能环境下面向家居和部分办公环境的监控应用新概念。设计了一种以智能手 机为监控终端，以g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 链路为网络载体，监控 服务器统一管理众多网络摄像头并桥接手机和其它智能服务的监控体系。系统同 时体现了“监”与“控”的概念，不仅提供了传统监控应用查看视频图像的功能，还 提供了通过手机终端和监控服务器随时随地的访问局域环绕智能系统中其它智 能服务系统的功能。系统的意义不仅在于解决了传统监控技术在家居应用中成本 高，灵活性和扩充性差等一些问题，还在于通过便携的手机监控终端实现了局域 环绕智能系统向广域环绕智能系统的延伸，为环绕智能的应用理论做出了新的贡 献。 系统构建了手机终端与摄像头之间多对多访问的监控架构，并为此设计了专 门的摄像头管理机制和监控请求管理机制，使得系统在满足良好扩充性的同时达 到系统性能的最优。系统深入分析g p r s 网络通信原理及性能特点，设计了一套 适合在带宽资源有限且信道上下行不对称的g p r s 网络上传输的基于字节流的 应用层协议用来控制手机监控终端和监控服务器之间的交互；并且在监控数据的 数据流控制上设计了帧编号机制和变步长图像帧选择机制，解决了多对多监控架 构下的效率问题和数据一致性问题，以及g p r s 链路状态不稳定性的自适应问 题。系统还针对智能手机设备特点设计了诸如p t z ( p a n t i l t z o o m ) 控制平滑效 果和图像自适应缩放等方法来优化监控图像的显示效果。最后本文在对系统的功 能测试和性能分析中验证了系统在稳定性、容错性以及压力环境下的良好性能； 分析了系统进一步提升系统性能的策略。 关键词环绕智能；家居应用；视频监控；g p r s ；智能手机 a b s t r a c t a m b i e n ti n t e l l i g e n c e ( a m l ) i sac o n c e p tt h a th u m a n sa r es u r r o u n d e db y c o m p u t i n g a n d n e t w o r k i n gt e c h n o l o g yu n o b t r u s i v e l y e m b e d d e di nt h e i r s u r r o u n d i n g s ， i tw a sf i r s td e v e l o p e db yt h ei s t a ga d v i s o r yg r o u dt ot h ee u r o p e a n i n2 0 0 1 i tc a m eu pw i t hab r a n dn e wi n t e r a c t i o nm e t h o db e t w e e nh u m a n sa n d c o m p u t e r sa n df o c u s e do nm o b i l ec o m p u t i n g ，e m b e d d e dc o m p u t i n ga n du b i q u i t o u s c o m p u t i n g w h e nt h er e s e a r c h e so fa m ia r ed e p l o y e df a s t e ra n df a s t e r , b e i j i n g u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g ye m b e d d e ds y s t e ma n ds o f t w a r ei n s t i t u t eu n d e r t o o kt 1 1 e n a t i o n a l2 1 1p r o j e c t “a m b i e n ti n t e l l i g e n c ea n de m b e d d e ds y s t e m ”t h e “c e l l p h o n eb a s e dh o u s e h o l dv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ”d e s c r i b e di nt h ed i s s e r t a t i o ni s as u b s y s t e mo f t h e “a m b i e n ti n t e l l i g e n c ea n de m b e d d e ds y s t e m ” a c c o r d i n gt oa m ic o n c e p t ，p r i n c i p l ea n dt e c h n i c a l ，w ed e s i g n e dam o b i l ev i d e o s u r v e i l l a n c e s y s t e mf o rh o u s e h o l da n do f f i c eo r i e n t e da p p l i c a t i o n i tt a k e s i n t e l l i g e n te e l lp h o n e sa ss u r v e i l l a n c et e r m i n a l s t a k e sg p r sl i n ka sn e t w o r kc a r r i e r , a n dt h es u r v e i l l a n c es e r v e ri st h em a n a g e ro fi pc a m e r a sa n di sa l s ot h eb r i d g ew h i c h c o n n e c te e l lp h o n e sa n dt h eo t h e ri n t e l l i g e n ts y s t e m sw i t h i na m ie n v i r o n m e n t t h e s y s t e mr e p r e s e n t sb o t h “v i e w ”a n d “c o n t r o l ”c o n c e p ti ns u r v e i l l a n c ea p p l i c a t i o n i t n o to n l yp r o v i d e su s e r st h es u r v e i l l a n c ei m a g e sb u ta l s oe n a b l e st h e mt og e to t h e r i n t e l l i g e n ts e r v i c e s i na m ie n v i r o n m e n t a sw e l la sr e s o l v i n gs u r v e i l l a n c e a p p l i c a t i o n sc o s t ，f l e x i b i l i t y , e x p a n d a b i l i t yp r o b l e m si u h o u s e h o l du s a g e ，t h e s i g n i f i c a n c eo ft h es y s t e mi sa l s oc r e a t ean e wm e t h o db yw h i c hu s e r sc a na c c e s s l o c a la r e aa m is e r v i c e sf r o mw i d ea r e ae n v i r o n m e n tb yae e l lp h o n e i nt h es y s t e mw eb u i l tac e l lp h o n e sa n dc a m e r a s m a n y t o m a n ys u r v e i l l a n c e s t r u c t u r e ，a n dd e s i g n e ds p e c i a lm e c h a n i s ma b o u tc a m e r a sm a n a g e m e n ta n d s u r v e i l l a n c er e q u i s i t i o nm a n a g e m e n t a f f e rr e s e a r c h i n gg p r sn e t w o r ki nd e p t h ， w ed e s i g n e dt h ep u r ec h a r a c t e r sb a s e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw h i c hw a sf i tf o r g p r sn e t w o r kw i t hi i m i t e db a n d w i d t ha n da s y m m e t r yu p l o a da n dd o w n l o a d c h a n n e l s f o rt h es u r v e i l l a n c el m a g e s w ed e s i g n e dt h ef r a m ei n d e x i n g m e c h a n i s ma n dt h ev a r i a b l es t e ps f r a m es e l e c t i n gm e c h a n i s mt oo p t i m i z et h e p e r f o r m a n c ea n dd a t ac o n s i s t e n c y , a n dt of i ti nw i t ht h eu n s t a b l eg p r sn e t w o r k i n a d d i t i o n ，s y s t e md e s i g n e dm a n yo t h e rm e c h a n i s m st oo p t i m i z e t h ev i e w i n g p e r f o r m a n c ec o n s i d e r i n gt h ef e a t u r e so fe e l lp h o n ed e v i c e s ，s u c ha ss m o o t he f f e c to f p t zc o n t r o l l i n ga n dt h ei m a g e s a u t oa d a p t i v es c a l i n g f i n a l l y , w ep r o v e dt h e s t a b i l i t y , e r r o rt o l e r a n c ea n dt h ee m c i e n c yu n d e rs t r e s s a n dt h e nw ep o i n t e do u tt h e r e m a i n i n gp r o b l e m sa n dt h ep o s s i b l es o l u t i o n sb ya n a l y s i s k e y w o r d sa m b i e n ti n t e l l i g e n c e ；h o u s e h o l da p p l i c a t i o n ；v i d e os u r v e i l l a n c e ；g p r s ； i n t e l l i g e n tc e l lp h o n e 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 繇邋吼塑生塑了日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学问论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丞嫠 导师签名日期：塑生! 目了月 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 9 9 1 年，前x e r o xp a r c 首席科学家m a r kw e i s e r 在( ( s c i e n t i f i ca m e r i c a n ) ) 上 发表的一篇( ( t h e c o m p u t c r f o r t h e2 1 s t c e n t u r y ) ) 和后续的几篇文章提出了一种新 的计算模式。他指出我们熟悉的计算机的使用方式最大弊端就是计算工具本身吸 引了太多注意力，而好的工具应该是不会吸引我们很多注意力的，比如几千年来 人类习惯于用笔和纸作为帮助思考问题的工具，但人们在用它的时候却从来都不 太会去注意笔和纸本身。从这个理念出发，他提出了“无处不在的计算( u b i q u i t o u s c o m p u t i n g ) ”的思想【i 】，即强调把计算机嵌入到生活、工作环境或日常工具中去， 让计算工具本身从人们的视线中“消失”，让人们注意力的中心回归到要完成的 任务本身【2 l 。 “环绕智能( a m b i e n ti n t e l l i g e n c e ，a m i ) ”就是“无处不在计算”思想的 发展p l 。欧洲信息社会咨询组i s t a g 在2 0 0 1 年提出了“环绕智能信息社会”的构 想，进一步提出了环绕智能构想及其实现的可行性技术路线。i s t a g 第六框架计 划( i s t f p 6 ) 从应用的角度给出了一个“环绕智能空间”( a m is p a c e ) 的概念【4 】， 将环绕智能的应用划分为面向人体、家庭、工作、车辆四个领域【5 】；并通过无缝 的环境管理，将这些不同范围的应用系统连接起来。这样，a m i 便真正的成为了 人类日常生活中的各种环境之下，“环绕”在人们周围的“智能”的服务系绀。 这些服务子系统之间具有一定的交互能力，人和各种可携带设备可以“透明地” 在它们之间移动，从而实现“消失计算”的目标 7 1 。 在人类进入2 1 世纪的新的历史时期，环绕智能的新概念将会在许多方面引 领着人们向着更为先进的工作、生活方式发展，人们将越来越重视环绕智能的 相关技术和产品的研究开发，因此，我们希望通过自己的研究和探索，在该领 域内进行深入研究，力求把握住环绕智能的核心要素，提炼出关键性技术，为 将来的实际应用打下坚实基础。 对环绕智能的研究通常分为两个阶段，首先是小范围( 家庭，办公室) 内 的局域环绕智能系统，然后将各个局域环绕智能系统通过各种网络技术无缝的 连接，逐渐实现广域环绕智能系统。项目组目前已经实现了局域环境下环绕智 能系统，而手机家居监控系统作为其中的一个子系统，正是从局域环绕智能系 统到广域环绕智能系统的一个初步延伸。 1 2 国内外研究现状 m a r kw e i s e r 在提出了u b i q u i t o u sc o m p u t i n g 这种新型的计算模式之后【8 】， 很长一段时间内，它仅仅是停留在理论和原型研究阶段。到了九十年代末期， 就开始有大量的面向环绕智能的研究出现了，许多相关的研究计划纷纷启动， 目前已经成为一个极具活力和影响力的研究领域。其重要标志是分别从1 9 9 9 年 和2 0 0 0 年开始的u b i c o m p ( u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) 国际会议和p e r v a s i v e c o m p u t i n g 国际会议、2 0 0 2 年i e e ep e r v a s i v ec o m p u t i n g 期刊的创刊。之后许 许多多的机构开始涉入环绕智能的研究。比较有代表性的有p h i l i p sr e s e a r c h 对 环绕智能领域中的嵌入式存储器、i c 设备进行的研究【9 】以及h o m e l a b 项目 1 0 】； 此外，还有m i t 的i n t e l l i g e n tr o o m 项目j 和o x y g e n 项目、g e o r g i at e c h 的 a w a r eh o m e 项目、c m u 的a u r a 项卧1 甜、s t a n f o r d 的i n t e r a c t i v ew o r k s p a c e 【1 3 1 ， 以及i b m 的b l u es p a c e ，u i u c 的a c t i v es p a c e 等。 在国内，直到2 0 0 2 年才出现系统地面向“a m i ”关键字直接进行研究的单 位。此后国内也有越来越多的科研单位加入到环绕智能的研究中，比如北京工业 大学的环绕智能与嵌入式系统项目，清华大学的s m a r tc l a s s r o o m t ”j 项目等。 虽然环绕智能的研究近年来不断升温，但总体来说，国内外对环绕智能研 究尚处于起步阶段，多是有关结构性的研究，理论研究缺乏完善齐备的、高度 结构化的实验环境和专用嵌入式设备的支持，现有的实现各种概念的原型系统 基本属于现有技术的系统集成，距理想的环绕智能应用系统解决方案的远景目 标尚有一定距离。 1 3 课题主要研究内容及意义 本课题来源于北京工业大学嵌入式系统与软件研究所承接的北京工业大学 “十五2 1 1 工程”项目“环绕智能与嵌入式系统”的子系统“手机家 居视频监控系统”。旨在开发一个环绕智能环境下的面向个人用户家居应用的视 频监控子系统。系统要求体现出灵活性，移动性，和智能性，为环绕智能系统 增加一种全新的监控服务。 视频监控作为环绕智能系统提供给用户的一项重要服务，使用户可以在异 地他乡看到家中的亲人，或足不出户就可以查看在看到自己车库中的汽车或厂 房中的货源，等等。监控服务在安防，看护等方面发挥着不可替代的作用，它 提供给用户更多的便利和更高的生活质量。传统的监控技术以视频采集设备为 中心，往往要求用户在特定的监控室，或别的特定的条件下( 比如在一台能连 入i n t e r n e t 的p c 前) 进行监控。而环绕智能系统的精神是以用户为中心，要让 第1 章绪论 用户彻底摆脱监控服务在空间上束缚，于是提出了“移动监控系统”的需求， 利用用户随身携带的手机为监控终端，让用户随时随地的体验监控服务带来的 便利。环绕智能环境下的监控系统与普通的监控应用相比，还有更高一个层次 的要求。即要求用户不再是单纯的被动的观看监控画面，更能主动的通过手机 主动的访问环绕智能系统中的其它服务，不仅能对监控过程中发现的问题及时 做出处理，还能灵活方便的体验多方位的智能化服务。 本课题研究的重点是如何在环绕智能大环境下利用日益成熟的无线移动通 信技术和移动通信设备，开发一个面向个人用户的应用成本低廉，使用灵活简 便，能够随时随地提供智能服务的移动监控系统。由此我们总结出本课题的4 个主要研究内容： 1 从环绕智能概念、理论和技术框架出发，提取环绕智能环境下的监控应 用需求，定义基于智能手机终端的环绕智能家居监控应用新概念。 2 设计环绕智能背景下新型监控服务系统整体架构，解决传统监控技术在 家居应用中的不足。 3 针对已设计的监控架构，为监控服务器和手机监控终端的交互设计一套 应用层通信协议，控制数据的传输和智能服务的访问。 4 优化监控效果，解决现有手机监控在g p r s 带宽利用率和g p r s 链路不 稳定性适应性差的问题。并研究如何使监控画面一种连贯流畅的方式展现给用 户，达到用户满意的监控效果。 另外本课题为了解决传统监控的滞后性，还设计了一个短信报警机制，作 为监控系统的一个补充功能，使得监控系统更加智能化。 1 4 论文组织结构 本文共分为7 部分，主要内容如下： 第1 章介绍了课题研究背景、课题来源、监控技术发展现状、主要研究内 容及研究意义。 第2 章介绍环绕智能环境下的新监控服务模型。首先介绍了现有环绕智能 系统提供的服务环境，然后分析了现有髓控技术在家居应用中的局限，并结合 现有系统环境提出了同时体现监与控两种概念的新型家居监控应用模型。 第3 章在第2 章提出的应用模型的基础上，描述了环绕智能下手机监控系 统的几个具体应用场景，根据这些场景确定了系统需要满足的功能要求。然后 在需求的基础上设计了以监控服务器为控制中心和环绕服务接入点的总体架 构，并对监控系统中的核心机制进行了设计。 第4 章进一步细化了手机监控终端监控服务器之间的交互过程，在第3 章 北京工业大学工学硕士学位论文 的总体设计的基础上，为手机监控终端和监控服务器之间的交互设计了一套基 于字节流的通信协议。 第5 章介绍了整个手机家居监控系统的实现。首先对系统的功能模块进行 划分，给出了系统的静态模型。然后对系统做了用例分析，结合用例在一些细 节的设计上做了叙述并列出了主要部分的代码框架。 第6 章给出了系统的功能测试和性能分析，包括性能测试，稳定性测试和 压力测试，并给出了实际应用中的部分贴图。最后对测试结果做了分析，指出 了系统进一步提升性能的策略。 结论部分对课题的研究成果和意义进行了总结并对未来的研究方向和目标 进行了展望。 第2 章环绕智能环境下新型监控服务的提出 这一章中就要引出环绕智能服务下监控技术的同时体现“监”与“控”的 新型应用模型。首先我们先介绍一下项目组现有的环绕智能系统环境。 2 1 现有环绕智能系统实验环境概述 项目组的a m i 平台系统是一个能提供信息服务，多媒体服务，智能家居控 制服务，监控服务等等智能服务的大系统。从系统划分上来讲，它包含了a m i 控制中心系统，手持a m i 控制器系统、红外中控系统、人脸朝向识别系统、蓝 牙定位感知系统、智能家居控制系统，网络媒体系统、嵌入式语音识别系统、 手机家居监控系统几个子系统。每个子系统都是一个提供特定功能的系统，他 们互联互通，共同组成一个完整的环绕智能综合系统。他的整体架构如图2 - 1 所示： 图2 1 环绕智能系统总体架构图 f i g u r e2 - la m ls y s t e mo v e r a l la r c h i t e c t u r e a m i 控制中心系统是智能服务的入口，来自外部的对智能服务的请求都是 首先发给a m i 控制中心然后由a m i 控制中心进行相应转换再转发。 智能家居控制子系统是为了方便用户控制家电等日常家居设备的系统。目 前可被其控制的家电分为两种，一种是通过红外中控系统进行控制的，如对电 视、录摄像机、v c d d v d 等的控制、调节和监测；另一种是通过d d c ( 直接 数字控制器d i r e c td i g i t a lc o n t r o l l e r ) 和b a c n e t ( 楼宇自动控制网络数据通讯 协议ad a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rb u i l d i n ga u t o m a t i o n a n dc o n t r o l n e t w o r k s ) 协议进行控制的，如微波炉，电冰箱等。 a m i 手持控制器子系统是基于个人数字助理( p d a ) 的一套软件系统，可 以通过p d a 对智能家居，网络媒体等予系统进行访闯【l ”。 f o 人脸朝向识别及交互系统其主要功能是：实时计算出人脸朝向信息；根 据人脸的朝向自动调整投影方向；根据人脸信息实现其他类型交互；作为其他 人脸研究及人机交互项目的试验平刽1 6 , 1 7 。 嵌入式语音识别系统的主要功能是：准确地采集用户的语音信号，正确识 别针对特定人、孤立词、中小词汇量的语音命令，有效地控制游戏、玩具等消 费娱乐电子设备。 蓝牙定位感知系统是局域环境下用户体现智能服务的开始。用户进入一个 局域环境，用户佩戴的蓝牙设备将用户的个人信息传达给环境，环境根据用户 身份开启个性化服务。 网络媒体系统是让用户通过手持式a m i 控制器，控制网络媒体的播放，并 能提供反馈信息。可以播放的网络媒体类型包括：网页、音频、视频等内容。 该接口能够生成相应的x m l 消息发给a m i 控制中心和网络媒体服务器处理。 而手机监控系统作为环绕智能系统中的一个子系统，不仅提供了远程视频 监控的监控数据获取，控制摄像头转动，保存抓拍图像等功能，更能发挥其便 携性的特点，让用户随时随地访问环绕智能系统中的其他子系统提供的服务。 2 1 1 智能服务子系统的访问接口 每个智能子系统都提供了自身独特的智能服务，它们的内部实现原理和对 外接口都各自不同，为了使智能服务请求者不必陷入各个子系统的工作机制细 节，环绕智能项目组在系统中将a m l 控制中心设计成为对外提供服务的统一接 口，它将各个子系统的访问细节抽象成格式统一的x m l 格式的接口，使得请 求智能服务的用户可以透明的访问各个子系统智能服务，这种设计使得服务请 求者一端可以进行统一便利的程序开发，也为系统新功能的灵活扩充留下了广 阔的空间。 对最终的手机端的应用来说，远程控制家中的家电设备是其中一个最具有 实用价值和现实意义的应用，也是下文实现部分的重点，因此我们简要讲述一 下访问智能家居控制子系统的原理，借以体现整个环绕智能系统服务请求的框 架。 1 智能家居控制子系统工作原理 智能家居控制子系统中分为几个部分：服务请求者，a m i 控制中心，适配 器( a d a p t e r ) ，d d c ，红外中控设备，家电。其物理连接结构如图2 2 所示； 图2 - 2 环绕智能家居控制系统物理结构图 f i g u r e2 - 2p h y s i c a lv i e wo f a m is m a r th o m es y s t e m a m i 控制中心是服务请求的入1 ：3 。服务请求都是以x m l 1 8 1 的格式发送给 a m i 控制中心，控制中心解析其含义，将服务请求分为对红外可控家电的控制 和非红外可控家电的控制，并根据x m l 消息的意义构造出发送给a d a p t e r 的 u d p 数据包。而a d a p t e r 作为所有家电设备对外的接口，将具体的控制命令重 新打包成b a c n e t 控制数据包给d d c 控制模块，或者生成红外中控系统可以识 别的命令发送给红外中控主机。设计a d a p t e r 的目的主要是为了今后对固定的 功能模块迸封装做准备，即把a d a p t e r 和d d c 结合在一起，实现对经过电路改 造的微波炉、电冰箱等设备的集中控制。d d c 控制模块解析b a c n e t 协议包， 完成电冰箱的底层控制和微波炉的底层控制。中控主机和其他的一些外围设备 组成的红外中控系统，根据a d a p t e r 发来的控制命令，生成相应的红外控制码 或者串口控制命令即可控制红外可控家电了。其逻辑层次图如图2 0 所示： 显示状态信息用户命令输入 提取反 馈信， 生成 x m l 生成 反馈 u d p 数据包 提取 反馈 信息 解析 数据包 服务请求者 磊i 5 杀五鬲甄i _ l a ”控制中心模块 白色家电控制命令i1 黑色家电控制命令 a m l a d a p t e r 模块 解析u d p 控制命令数l 解析u d p 控制命令数 据包据包 提取控制命令提取控制请求 生成b a c n e t 控制数据 包 d d c 控制模块 1 = 解析b a c n e t 数据包 生成底层控制指令 智能电冰箱ll 智能微波炉 根据控制请求 生成控制命令 中控模块 根据控制命令生成底 层控制指令 电视l d v dl t v b o x 媒体输出控制设各 图2 - 3 环绕智能家居控制系统逻辑层次图 f i g u r e2 - 3l o g i c a ll a y e r sv i e wo f a m ls m a r th o m es y s t e m 如上所述，服务请求是通过x m l 格式的协议发送给a m i 控制中心的。而 对于a m i 控制中心是如何生成相应的u d p 命令包发送给a d a p t e r 以及往后的工 作，服务请求者实际上并不需要关心。这样请求方只需要知道a m i 控制中心定 义的x m l 协议格式就可以了，而无需了解其内部机制。 其它的几个子系统虽然内部工作用到的技术和实现的方式都颇为复杂并各 不相同，但他们的入口都是a m i 控制中心。在此就不再一一介绍了。 2 2 现有监控技术在家居应用中的局限 在定义环绕智能环境下的新型监控服务概念之前，我们有必要先介绍一下 传统的监控技术及其在家居监控应用中的局限，借以对比环绕智能系统环境下 的监控系统针对家居应用的优势以及对监控技术的理论推进。 2 2 1 现有监控技术综述 监控技术的发展经历了模拟监控到数字监控再到智能监控，本地监控到远 程监控再到移动监控的发展过程。 1 本地监控 最早期的产品，多以摄像机与监视器( 电视) 一对一监视系统为主，连接 方式是靠视频电缆一对一直接相连，有多少个摄像机就有多少个监视器，是闭 路监控系统发展的最初级阶段。后来人们发明了视频切换器，使得一个监控器 可以监控多个摄像机。随后的监控系统又加入了云台控制器，使摄像机的监控 范围得到了很大的提高。这时的监控系统采用的是模拟信号，在信号衰减和信 号传输成本方面的局限使这种监控系统只能监控有限的一个区域【l9 1 。 九十年代末，随着数字视频技术的发展，数字信号渐渐的代替了传统监控 系统中的模拟信号。数字信号稳定不易衰减的特点，可以长距离传输。利用数 字图像处理技术，可以大大的减少传统视频监控对传输介质的苛刻要求。加之 网络技术的日益发展，数字监控突破了传统信号线的限制，可以方便快捷的通 过各种网络连线实现远程监控。另外，现代数字信号处理技术又为数字监控加 入了更智能的应用，比如自动动作检测，火险识别等，数字监控已经进入了智 能监控的阶段。 现有的数字监控系统主要分为本地监控和远程监控这两种应用模式。本地 监控系统已经非常成熟、性能稳定，在实际工程应用中得到广泛应用，特别是 在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛。通常的应用模式是一件监控室设 有数十个数百个大屏幕，由专门的工作人员不间断的检查操作着每一个监控画 面。这种监控系统的优点是画面质量优秀，解决方案成熟。缺点是成本高昂， 北京工业大学工学硕士学位论文 系统扩充性差，监控范围太小。为了克服本地监控系统的缺点，业界出现了远 程监控系统。按照摄像头和监控终端的拓扑关系分为“基于视频服务器的网络 监控系统”和“摄像头和监控终端直连的监控系统” 2 0 1 o 2 远程监控 基于视频服务器的网络监控系统是目前市场上应用最广的一种远程监控系 统方案。它的摄像头都连接在视频服务器上，根据解决方案的不同，视频的a d 转换的数字信号处理可以在摄像头端完成也可以由视频服务器完成。视频服务 器的主要作用是负责视频数据的采集和压缩。视频服务器的优势是其相对强大 的运算能力可以运行一些相对复杂的应用，比如动作检测，人数统计，火险检 测等等。一台视频服务器可以支持多达数十台摄像设备，适合大规模的监控应 用。缺点是对视频服务器的依赖比较高，对一些小规模应用，成本也偏大。目 前市场上北京可视通电子技术有限责任公司，神州科贸，h u p e r l a b 等厂商均有 类似的系统方案。 为了满足小型用户的监控需求，各大监控厂商开发了可以直接通过终端访 问摄像设备的监控系统。这种监控系统脱离的视频服务器的限制，减少了系统 成本。相应的，摄像设备的功能更加强大了，摄像设备变成了整个系统的核心。 摄像设备必须具有接入网络的功能，因此被称为网络摄像机。网络摄像机中往 往嵌入一个网络服务器，这样用户就可以通过终端在任何能接入互联网的地方 访问该摄像机。这种体统的优点是能很好的满足小规模监控的需求，部署灵活， 成本低廉。缺点是不适合大规模监控应用，也不适合监控系统的统一管理。目 前松下，趋势科技，美国v e o 等厂商已经具备了比较成熟的系统方案及产品。 但值得注意的是，目前这种摄像机提供的都是p c 平台上的监控接口，适用于 网络带宽较大，监控终端处理能力较强的应用。而对采用移动通信网络的监控 终端如手机这类手持设备没有很好的支持。 3 手机监控 近年来移动通信技术日益成熟，其广大的覆盖范围是任何有线网络都不能 比拟的，而且它的传输速度也已经足以应付简单的监控需求。所以今年来出现 了一些基于g p r s ，c d m a i x 这些2 5 g 移动通信网络的监控技术和解决方案。 移动监控的主要优点是可扩充性强，可灵活方便地进行安装部署，提供高可靠 性，保证不间断的视频监控。缺点是受移动网络带宽的限制，不能得到高质量 的监控画面，这也限制的移动监控系统在很多领域的应用。现有的移动监控方 案都比较简单，多是传输单幅监控图像，不能提供给用户满意的服务。此外， 纵观市面上所有的移动监控相关方案和产品，普遍存在网络资源利用不高、无 线链路自适应性差的问题。 l o 2 2 2 现有监控技术在家居应用中的不足 经过上述分析，我们看到，在家居监控的应用背景下，传统的模拟信号的 视频监控成本太高也太不灵活；基于p c 监控终端的监控方案使用户只能在能 接入以太网或w l a n 的p c 前进行监控，限制了用户的监控自由。而在手机监 控方面，在目前的针对手机的监控应用中，现有的提供w e b 访问的摄像头对 采用移动通信网络的监控终端的支持较差，提供的监控功能往往过于简单，通 常只是以h t t p 或彩信的方式提供单张的图片，而不具备视频传输的能力，不 能满足监控需求，而且普遍存在网络资源利用不高、无线链路自适应性差的问 题。 另外由于传统的监控技术大多针对企业，机构的大规模监控应用设计，在 成本和灵活性方面不满足家居监控的需要。 传统监控技术中还有很重要的一点局限是：用户只能看监控图像，而不能 主动的对监控点发生的状况有所控制。而在环绕智能环境下，这个问题将得到 很好的解决。 总结一下，目前监控技术面临的问题主要有： 传统监控在灵活性，扩充性，移动性有天生的缺陷 现有移动监控功能过于简单，网络资源利用不高、无线链路自适应性 差 监控概念的局限，只体现了监看，没有主动的控制 针对上述问题，我们结合环绕智能系统架构引出家居监控的新应用模型。 2 3 环绕智能环境下家居监控服务模型 环绕智能环境下的家居监控服务首先要弥补传统监控技术在家居应用上部 署不灵活，扩充性差的不足，而且要让用户摆脱时间地域的局限。另外要让用 户充分利用环绕智能系统中提供的各种各样的智能服务，让智能服务走出现有 的局域环境，为用户提供随时随地的服务。环绕智能系统中的各个子系统都是 互联互通的，可以相互之间调用对方的智能服务，这样，作为监控终端的手机 就可以借助提供给它视频服务的监控服务器作为局域环绕智能环境的入口，进 而请求环境中的其它智能服务。这样用户不仅能通过手机看到视频图像，还能 进行网络媒体，智能家电等等智能化控制。这充分体现了环绕智能各个服务之 间的互联互通性，和环绕服务的无处不在性，如图2 - 4 所示。 控制 & 国 图2 4 环绕智能环境中的家居监控应刖模型 f i g u r e2 - 4n e wa p p l i c a t i o nm o d e lo fh o m es u r v e i l l a n c ei n a m ie n v i r o n m e n t 2 4 本章小结 本章先对现有的环绕智能系统环境做了概述，对其重要子系统的工作原理 和访问入口做了描述，指出了外界访问环绕智能系统中智能服务的可行性和具 体方法。接着本章介绍了现有监控技术及他们在家居监控应用中的不足，由此 引出了在环绕智能环境下的同时具备“监视”和“控制”的家居监控新概念。 第3 章系统总体设计和核心监控机制设计 在第2 章提出了环绕智能环境下的监控应用新概念之后，第3 章我们来讲 述如何在设计中体现这一概念。本章首先细化了系统的需求，然后做出了系统 的总体设计。在设计时首先给出了系统的总体框架，然后为满足特定监控需求 设计了一系列重要的管理和控制机制。 3 。1 手机家居监控系统的应用场景描述及功能定位 在研究系统的功能需求之前，我们先描述一下系统规划的几个应用场景： 1 ) 用户a 一家人正在外地旅游，家中无人看管。而家里由于邻居装修而 导致水管漏水，水遍布房间。幸好a 每天都通过自己的手机访问安装家中的网 络摄像头观看家中的情况，及时发现了这一情况。于是a 打电话给物业公司， 帮助解决了问题。 正在旅途中，a 接到了客户的一个电话，说要三天后要从a 购买一批货物。 a 立刻打开手机访问库房中的摄像头观看库存情况，发现库存不足。于是a 马 上联系自己的货源补充库存，在三天后返回时恰好满足了客户的需要。 2 ) a 在自己办公室里安装了摄像头以便自己随时检查办公室境况。而这天 a 的办公地点换到了别的房间，a 于是拔下摄像头的网线，将它接在新办公室 网口上，就这样完成了监控点的重新部署。 3 ) a 的儿子在家里做的一个建筑模型完成了，兴致勃勃的打电话给a 和a 的妻子，于是a 和妻子同时打开手机观看儿子房间的摄像头，一家人共同分享 快乐。 4 ) 傍晚5 点，a 正在收拾东西准备回家，看到窗外烈日炎炎。a 打开手机 进入智能家居控制子系统，用手机将空调的温度调制2 5 度，然后启动热水器。 a 突然想到要在回家时喝上一杯冷饮，但不知冰箱里是否喜欢的饮料。a 便用 手机查询自己冰箱里的东西，很高兴的发现有一瓶橙汁，于是a 把冰箱温度调 至4 度。 晚上，a 正在看电视，突然想起9 点有个同学聚会，a 急匆匆开车赴约。 途中他想起匆忙忘记关掉电视机。a 从容的打开手机，轻点几下，把电视机关 掉。 5 ) a 正在路上，突然一条短信发来，a 打开手机，发现是家中的摄像机发 出的报警信号。a 立刻打开监控程序查看家中有什么事情发生，发现窗户大开， 而且一个陌生人在家中。a 打电话报警，并取出触发警报时拍下的陌生人的图 北京工业大学工学硕士学位论文 片交给警察，警察根据图片侦破了此案。 通过以上描述，我们看到在环绕智能环境下的家居应用中对监控应用有这 样的需求： 随时随地的访问部署的监控点 监控地点可以灵活部署而且可以方便的调整 支持多个用户对同一摄像头进行同时访问 用户可以在一部手机上方便的进行监控点切换 变传统的被动观看监控图像到主动控制。提供手机终端访问智能服务 的途径 需要有一种主动报警机制能及时地通知用户警报信息 3 2 手机家居监控系统的体系结构设计 3 2 1 手机家居监控系统总体描述 1 监控服务器系统 为了满足监控点的灵活部署，我们的系统采用可以通过i n t e m e t 直接访问的 网络摄像头( i pc a m e r a ) 。这种摄像头可以通过安装了特定程序或控件的p c 机 通过浏览器直接得到监控数据。但是由于这种摄像头是专为拥有带宽充足的网 络和强大运算能力的p c 监控终端设计的，用智能手机作为监控终端直接访问 时会遇到很多问题，甚至根本不可能。于是系统引入了监控服务器系统。监控 服务器系统运行在p c 机上，它通过宽带网络访问各个监控点的摄像头，并且 屏蔽摄像头之间品牌差异带来的接口不同的问题，为手机监控终端提供统一的 访问接口。监控服务器系统需要对监控数据进行特别的控制，以防止多个用户 同时访问多个摄像头时产生的一系列问题，还要对g p r s 通信链路上的视频传 输做出优化。 2 连接智能服务的纽带 而为了实现手机控制器对环绕智能其它服务的访问，手机必须能够与提供 特定服务的子系统交互。在a m i 系统环境中提供了一个访问其他智能服务的接 口，即a m i 控制中心，要想访问子系统，只要向a m i 控制中心发送相应的x m l 消息就可以了。但是手机终端的资源限制使得除了必须的视频图像处理之外， 应尽量减少它的运算负担，所以不准备将生成以及解析x m l 消息的任务放在 手机端。 这样，手机与a m i 控制中心的交互就有两种方案，一种方法是专门为a m i 控制中心另外添加一套针对手机访问的接口，即a m i 控制中心不光解析x m l 第3 罩系统总体设计和核心监控帮l 制设计 消息，还接受另一种由手机终端传来的简单字节流消息；另一种方法是用一个 转换器把手机的访问指令转换成a m i 控制中心现有的x m l 消息格式，这样就 能保留a m i 控制中心原有的设计不变。考虑到手机作为一个广域范围的访问者， 应该尽量避免对原有局域系统的影响，所以本系统采用了第二套加入转换器的 方案。 这样监控服务器就责无旁贷的承担起了这个消息格式转换的责任。他将手 机发来的对其它智能服务的请求，按照系统定义的格式转换成x m l 消息，再 发给a m i 控制中心。由此监控服务器成为局域环绕智能系统的入口，是手机终 端连接其它智能服务的纽带。 3 手机终端和监控服务器的通信协议 要实现监控点的实