一种物联网远程监控系统的制作方法

1.本发明属于物联网感知领域，具体是一种物联网远程监控系统。


背景技术：

2.监控系统是人类获取信息的重要手段之一，随着社会的发展，对信息的需求逐渐增多，同时也加大了对感知设备数量的要求；但是，加大感知设备的数量，往往会面临以下挑战：
3.1)由于不同厂家生产出来的设备端结构型号差异较大，并且不同厂家的终端采用的接口、协议以及数据传输技术也大不相同，从而导致在调度时很难达到协同一致，使得监控系统的利用率低下。
4.2)每个监控系统都是由子机构独立建设的，在使用时只能到该子机构进行调度，并且每个系统的差异性较大，操作困难，极大地牺牲了时间和空间成本。
5.3)由于部分设备的建设年代较为久远，存在安全隐患，通过各个监控系统无法及时掌握监控的实时状态进行维修和更换，增加了社会安全风险。
6.4)传统的监控系统进行调度时，往往无法准确、迅速地找到所需设备，并且只能根据设备提供的信息和经验想象出设备所处的三维空间及环境，降低了信息的有效性。
7.云平台是一种基于互联网的计算机技术，随着web软件技术的成熟，硬件的升级等，云平台已经应用到许多场景中，并且万物互联时代的到来，将云平台与物联网融合发展，为现实生活和工业生产带来了便捷的重要机遇。
8.物联网远程监控系统，通过对物联网设备接入方式、设备数据传输协议及云平台管理等方面的研究，从而设计一款成本低、客户端操作便利的云上监控系统非常具有工程意义。这样的云上监控系统不仅能管理物联网设备，还能为客户端提供良好的服务，使客户端能够依托云平台对设备端进行远程监控，掌握设备的实时状态。


技术实现要素：

9.针对上述问题，本发明基于物联网云平台对监控系统进行了设计，并使用gis技术集成地理、环境和位置信息，重构出感知设备附近的三维空间结构，克服了传统监控系统的缺点，提高了调度效率，又对设备的运行状态进行实时监听，减小了维护压力，最终设计了b/s架构的一种物联网远程监控系统，极大地满足设备对联网能力和低功耗的要求；用户可以通过浏览器随时随地查看系统运行状况，并对系统运行参数进行控制。
10.所述物联网远程监控系统，包括以下模块：
11.1)、用户信息管理模块：实现用户登录、用户注册、用户权限更改与用户账户删除等功能。该模块存储用户的身份及系统使用权限等信息，在登录时对用户的个人信息进行非对称性加密，通过数字身份私钥生成签名票据信息，用户在访问服务时，系统根据提供的数字公钥进行签名解密。
12.2)、gis图形化界面模块：将地理信息、环境信息与感知设备的位置信息相结合，呈
现出感知设备所处的三维立体环境；
13.此模块存储着地理的矢量位图信息及感知设备的位置信息与物理属性，通过3d渲染的方式直观地显示出有限区域内所有感知设备的现实情况以及感知设备内部的运行状态，对异常运行的感知设备进行告警。可以根据感知设备所属地区、单位机构以及设备运行状态等不同的级联条件进行个性化筛选展示。
14.3)、设备查询模块：通过所属地区-机构树或者输入感知设备的编号、类型、位置等属性，查询到具体的感知设备；
15.4)、设备信息模块：包括感知设备状态模块、感知设备的历史记录模块和感知设备的属性模块三个二级设备信息模块，可以查询历史数据或感知设备历史操作信息。
16.二级设备信息模块将gis图形化模块的数据以电子表单的形式对感知设备的标识信息进行文字显示，可通过感知设备所属地区-机构树进行筛选，也可通过感知设备的id编号等信息查询到某一特定设备。
17.5)、设备调度模块：包括获取数据模块，解析数据模块，数据显示模块，设置参数模块以及控制设备模块；
18.设备调度模块是系统与感知设备进行信息交互的出入口，系统向感知设备发起获取数据请求，由感知设备返回数据到云平台，云平台将数据持久化并反馈给系统，系统通过统计方法分析数据情况，对数据流解析读取并将处理后的数据展示出图形化界面，继而让用户更为直观的理解数据情况，同时还可以调整感知设备的参数，向感知设备发出信令、接收设备反馈信令；
19.所述物联网远程监控系统，具体应用为：
20.步骤一、针对新用户，管理员在用户信息管理模块进行注册，并对新用户的密码进行不可逆加密并持久化到数据库。
21.注册信息包括新用户的用户名、密码和角色信息等。
22.步骤二、新用户进入登录页面进行验证，系统利用rsa加密算法生成私钥与公钥，并将公钥分发给系统的其他模块，将新用户的个人信息进行非对称性加密，通过数字身份私钥生成签名票据信息；
23.私钥与公钥的生成机制流程如下：
24.加密计算为：s＝q
r3 modn；
25.解密计算为：q＝s
r4 modn；
26.其中q为加密前明文，s为加密后密文，{r3,n}为私钥，{r4,n}为公钥；r3和r4分别为随机数；n为随机素数；
27.步骤三、当用户选择对某个模块进行调度时，系统将签名票据信息发送给该模块，此模块再通过公钥对票据信息进行解密验证，验证通过将给用户提供需要的服务内容。
28.步骤四、新用户进入主页，判断选择gis图形化模块或者设备查询模块，当选择gis图形化模块，进入步骤五；当选择设备查询模块，进入步骤六；
29.步骤五、新用户选择进入gis图形化模块显示地图三维立体场景，通过按区域划分、管理单位和生产厂商查询三种快速查询，新用户通过点击地图中的设备图标，预览各感知设备的信息并选择进入设备调度模块以及设备信息模块，进入步骤七。
30.地图三维立体场景是通过摄像头的可视区域在电子地图上的投影，具体过程为：
31.假设交截面四个顶点坐标分别为f(a1,b1),g(a2,b2),h(a3,b3),e(a4,b4)，可视区域的四个坐标为a(x1,y1),b(x2,y2),c(x3,y3),d(x4,y4)，对应的摄像头的实际可视区域的四个顶点坐标分别为a
′
(x
′1,y
′1),b
′
(x
′2,y
′2),c
′
(x
′3,y
′3),d
′
(x
′4,y
′4)；
32.根据摄像头的角度参数可计算出交截面f(a1,b1),g(a2,b2),h(a3,b3),e(a4,b4)四个顶点的坐标与面积：
33.通过摄像机的回传信息得到摄像机与水平面的夹角为β，由水平面与交截面的夹角得到中间变量μ；
[0034][0035]
其中s
efgh
为交截面四个顶点构成的面积；sa′b′c′d′
为摄像头实际可视区域的面积；
[0036]
然后，计算出摄像头的实际可视区域的坐标为：
[0037][0038]
最后，通过蚂蚁地理空间数据可视化(l7)框架在地图上显示出每个摄像头的可视区域。
[0039]
步骤六、新用户在主页选择进入设备查询模块，通过具体的编码信息选择特定的设备，访问到设备调度模块以及设备信息模块；
[0040]
设备调度模块采用不同的传输协议对设备信息流进行解析读取与发送，视频设备采用rtp/udp来传输实时信息、http/tcp传输控制信令信息，实现流式传输；
[0041]
步骤七、用户通过进入设备信息模块，对反馈设备运行状态、系统对设备发送的历史信令、系统接收历史的业务数据和设备的属性信息进行查询以及属性信息的修改。
[0042]
本发明的优点在于：
[0043]
1)、一种物联网远程监控系统，通过感知设备反馈状态码到云平台，再由远程监控系统调用状态码数据，若感知设备出现安全隐患，系统将出现告警信息，及时维修和更换，
极大的提高了设备的安全性。
[0044]
2)、一种物联网远程监控系统，将gis技术集成到监控系统中，可以通过直观图形化形式显示感知终端的地理信息、三维空间环境，有效的解决了一系列与“空间位置”相关的问题，同时可以通过图形直接进入该感知设备中进行操作，提供了更好的用户体验。
[0045]
3)、一种物联网远程监控系统，为没有能力接入物联网的感知设备提供优良的接入方式，同时将所有感知层需要上传的数据传输到物联网的云平台，并且将云平台上需要返回的数据与指令反馈给相应的感知设备，从而实现设备与云平台之间的“互联”。
[0046]
4)、一种物联网远程监控系统，整合各个子部门所建设的监控系统，消除差异性，统一接入云平台服务器，为“司令部”提供高效、快捷、一体化的调度平台。
附图说明
[0047]
图1为本发明一种物联网远程监控系统的应用流程图；
[0048]
图2为本发明摄像头的可视区域示意图；
[0049]
图3为本发明云服务器与传感器和客户端进行紧密联系的示意图；
[0050]
图4为本发明整个基于云平台的物联网远程监控系统的功能架构图。
具体实施方式
[0051]
下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细解释说明。
[0052]
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、停车场系统以及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。
[0053]
在实际的部署运行中，使用多种中间件集群技术来满足数据在平台之间的转储和传输等功能，同时为了满足各模块之间的管理问题，提出基于kurbernetes云平台的分布式架构用于处理视频流数据，并且通过服务降级、熔断、负载均衡等技术解决系统在高并发情况的性能问题。
[0054]
服务运行过程中，用户首先通过登录功能进行服务鉴权，进入用户信息管理模块对系统用户的信息、权限等进行增删改查等业务操作。然后用户可进入gis图形界面，通过虚拟现实的界面全局观察注册在系统中的摄像头运行状态以及环境信息，通过位置信息可查询到具体的摄像头，根据提供的接口进入设备调度及设备信息功能模块，同时也可直接进入设备查询模块，此模块以记录的形式显示出系统登记的摄像头表单，可通过关键字查询到具体的摄像头进入设备调度与信息模块。设备调度模块可对视频数据进行调取和解析、设备的信令控制以及设备的参数设置，实现了客户与摄像头之间的交互。设备信息模块可查询摄像头的运行状态，历史控制信令的发送及接收和设备的物理属性等信息；
[0055]
本发明将视频监控系统作为应用场景之一，设计基于云平台远程视频监控系统。
[0056]
第一步，将公共安全视频监控联网系统接入物联网网关，摄像头支持gb/t28181要求，采用sip传输信令协议，用于创建、修改和释放一个或多个参与者的会话(视频、信令等)。系统具有仿真有限区域内各设备的运行及人员活动的实时监视和事后查询功能。
[0057]
系统前端为摄像输入，后端是显示、记录和发送控制信令。采集摄像头基本属性、所属机构、附近的地理、位置等信息持久化到云平台服务器，利用gis技术重构出虚拟城市三维结构图，并对摄像头突出显示，通过此模块或设备查询模块就可直接进入设备调度模块进行视频的查看、回放等操作以及摄像头的镜头以及云台的控制，又可通过设备信息模块对历史视频、历史信令以及告警详情信息进行查阅，实现了管理视频监控一体化的要求。
[0058]
本发明根据监控系统的需求与物联网的三个层次：感知层、网络层、应用层，提出了基于web软件开发、gis、通信等技术的云平台的物联网远程监控系统，包括以下模块：
[0059]
1)、用户信息管理模块：实现用户登录、用户注册、用户权限更改与用户账户删除等功能。该模块存储用户的身份及系统使用权限等信息，在登录时对用户的个人信息进行非对称性加密，通过数字身份私钥生成签名票据信息，用户在访问服务时，系统根据提供的数字公钥进行签名解密。此模块还可根据角色权限开放给用户不同程度的服务，例如：超级管理员可以访问系统所有服务，游客身份仅能访问到gis图形化服务等。
[0060]
2)、gis图形化界面模块：将地理信息、环境信息与感知设备位置信息相结合，呈现出设备所处的三维立体环境；
[0061]
用户身份验证成功后，访问该模块，此模块存储着地理的矢量位图信息及感知设备的位置信息与物理属性，通过3d渲染的方式直观地显示出有限区域内所有感知设备的现实情况以及设备内部的运行状态，对异常运行的设备进行告警。可以根据感知设备所属地区、单位机构、设备运行状态等不同的级联条件进行个性化筛选展示。
[0062]
3)、设备查询模块：通过设备所属地区-机构树或者输入设备的编号、类型、位置等属性，查询到具体的感知设备；
[0063]
4)、设备信息模块：包括感知设备状态模块、设备历史记录模块和设备属性模块，可以查询历史数据或设备操作的历史信息。
[0064]
二级设备信息模块将gis图形化模块的数据以电子表单的形式对设备的标识信息进行文字显示，可通过设备所属地区-机构树进行筛选，也可通过设备id编号等信息进行查询具体到某一特定设备。
[0065]
5)、设备调度模块：包括获取数据模块，解析数据模块，数据显示模块，设置参数模块以及控制设备模块；
[0066]
设备调度模块是系统与感知设备进行信息交互的出入口，系统向感知设备发起获取数据请求，由感知设备返回数据到云平台，云平台将数据持久化并反馈给系统，系统通过统计方法分析数据情况，对数据流解析读取并将处理后的数据展示出数据的图形化界面，继而让用户更为直观的理解数据情况，同时还可以调整感知设备的参数，向感知设备发出信令、接收设备反馈信令；
[0067]
所述物联网远程监控系统，如图1所示，具体应用为：
[0068]
步骤一、针对新用户，管理员在用户信息管理模块进行注册，并对新用户的密码进行不可逆加密并持久化到数据库。
[0069]
首先，需要拥有添加用户权限的管理员在物联网远程监控系统的用户信息管理模块进行用户信息的注册，分别提供新用户的用户名、密码和角色信息等。然后系统对用户的密码信息进行不可逆加密并持久化到数据库，防止黑客攻击获取到用户的明文密码。
[0070]
步骤二、新用户进入登录页面进行验证，系统利用rsa加密算法生成私钥与公钥，
并将公钥分发给每个服务模块；当用户选择对某个服务模块进行调度时，系统会将携带用户身份信息的票据信息发送给该服务模块，此模块再通过分发的公钥对票据信息进行解密验证，若验证通过将会提供给用户需要的服务内容。
[0071]
验证通过后，系统将对非对称私有密钥、用户id和用户名等身份信息利用加密算法生成个性化的票据信息，再提供公开密钥给系统中的每个服务模块，方便用户调用服务模块时进行身份与权限的验证；
[0072]
其中本系统采用rsa算法为基础构建系统私钥与公钥的生成机制，算法流程如下：
[0073]
1)随机生成四个大素数a,b,c,d，令n＝a
·
b,m＝c
·
d,m＝n
·
m。
[0074]
2)分别计算m和n的欧拉函数值φ(n)＝(a-1)
·
(b-1),φ(m)＝(c-1)
·
(d-1)，
[0075]
并计算φ(m)＝φ(n)
·
φ(m)。
[0076]
3)生成一个随机数r1使得公因子gcd(r1,φ(n))＝1，并且r1满足1＜r1＜φ(n)；
[0077]
同理，生成另一个随机数r2使得公因子gcd(r2,φ(m))＝1，并且r2满足1＜r2＜φ(m)
[0078]
4)此时计算然后选择一个随机数r3使得公因子gcd(r3,φ(m)
·
e1)＝1且r3满足1＜r3＜φ(m)
·
e1。
[0079]
5)继续计算r4＝r
3-1
mod(φ(m)
·
e1)，此时{r3,n}就构成了私钥，{r4,n}构成了公钥
[0080]
加密计算为：
[0081]
解密计算为：
[0082]
其中q为加密前明文，s为加密后密文，r3,r4,n为上述密钥参数，{r3,n}为私钥，{r4,n}为公钥；n为随机素数；
[0083]
步骤三、新用户进入主页，通过主页左侧的菜单选择进入两个不同的功能模块中：gis图形化模块和设备查询模块进行选择，判断选择gis图形化模块或者设备查询模块，当选择gis图形化模块，进入步骤四；当选择设备查询模块，进入步骤五；
[0084]
两个功能模块都能准确定位到某一特定设备并进入其下级模块。
[0085]
步骤四、用户选择进入gis图形化模块显示地图三维立体场景；通过按区域划分、管理单位和生产厂商查询三种快速查询，预览各感知设备的信息并选择进入设备调度模块以及设备信息模块，进入步骤六。
[0086]
gis图形化模块涉及到将摄像头的可视区域在电子地图上投影出来，如图2所示，具体流程如下：
[0087]
首先，计算出摄像头的可视区域与地图交截面各个顶点的坐标，并计算出交截面的面积：
[0088]
假设交截面四个顶点坐标分别为f(a1,b1),g(a2,b2),h(a3,b3),e(a4,b4)，可视区域的四个顶点坐标分别为a(x1,y1),b(x2,y2),c(x3,y3),d(x4,y4)，对应的摄像头的实际可视区域四个顶点坐标为a
′
(x1′
,y1′
),b
′
(x
′2,y
′2),c
′
(x
′3,y
′3),d
′
(x
′4,y
′4)；
[0089]
根据摄像头的角度参数可计算出交截面f(a1,b1),g(a2,b2),h(a3,b3),e(a4,b4)四个顶点的坐标与面积。
[0090]
摄像头可视区域abcd的面积为：ad/cd＝k/g，k/ad＝f/h；
[0091]
其中，ad是交截面的宽，cd是交截面的高，k是摄像机ccd的宽，g是摄像机ccd的高，h是摄像机到交截面的距离，f为摄像头当前的焦距。
[0092]
然后，将可视区域的面积计算出来可投影到水平地图上就得到了摄像头实际的可视区域面积。
[0093]
通过摄像机的回传信息可知摄像机与水平面的夹角为β，由得到水平面与交截面的夹角θ，进一步计算中间变量μ：
[0094]sefgh
为交截面四个顶点构成的面积；sa′b′c′d′
为实际可视区域的面积；
[0095]
交截面与实际可视区域面积存在以下关系式：
[0096][0097]
可得摄像头实际可视化区域坐标为：
[0098][0099]
根据已知的四个顶点坐标f(a1,b1),g(a2,b2),h(a3,b3),e(a4,b4)，通过上述公式计算可得a
′
(x1′
,y1′
),b
′
(x
′2,y
′2),c
′
(x
′3,y
′3),d
′
(x
′4,y
′4)四点坐标，得到坐标后就可通过蚂蚁地理空间数据可视化(l7)框架在地图上画出每个摄像头得可视区域。
[0100]
当用户需要在地图上直观地观察设备情况，可选择进入gis图形化模块，此模块整合了接入本系统中所有的设备并在地图上以图标的形式显示出来，为了方便用户查找，在页面中提供了三种快速查询的方式，分别是按区域划分、管理单位和生产厂商查询。
[0101]
通过查询条件可在地图中显示满足条件的设备图标，点击某个设备图标将以弹窗的形式预览设备的部分信息并选择进入设备信息和设备调度三级模块。行政区域查询主要包括区查询(如：西城区)。管理单位查询主要是指接入系统的管理单位如：街道“七小”门店、各个社区监控设备、政府委办局自建监控设备和酒店、工地等重点场所监控设备。设备厂商查询，主要通过厂商名称来查询监控摄像头，目前市场主要有大华、煌火、景阳、海康、中星、威乾、雅安等厂商。
[0102]
步骤五、新用户在主页选择进入设备查询模块，通过文本列表的展示形式进行某一特定设备的准确定位；新用户从设备查询模块中，通过具体的编码信息选择特定的设备，访问到设备调度模块以及设备信息模块；
[0103]
设备查询模块通过行政区域以及该区域下的管理单位进行设备列表的查询、设备的添加和删除。该模块还提供用户通过具体的编码信息进行查询特定设备功能，可进入某一特定设备的三级设备信息和设备调度模块。
[0104]
设备调度模块采用不同的传输协议对设备信息流进行解析读取与发送，视频设备采用rtp/udp来传输实时信息、http/tcp传输控制信令信息，实现流式传输；
[0105]
用户选择特定的设备访问三级设备调度模块，此模块采用不同的传输协议对设备信息流进行解析读取与发送，比如：视频设备一般采用rtp/udp来传输实时信息、http/tcp传输控制信令信息，实现流式传输，介绍如下：
[0106]
实时传输协议rtp(real-time transport protocol)与实时传输控制协议rtcp(real-time transport control protocol)。
[0107]
前者是一种用于网络上针对多媒体数据流的传输协议，适合一对一、一对多传输情况，目的是提供时间信息并实现流同步。它不作为独立网络层实现，而是应用程序一部分，使用udp来传输数据，但也可在tcp、atm等协议上工作；后者能为按顺序传输的数据包提供可靠传输机制，并和rtp一起提供流量控制、拥塞控制服务。rtp会话期间，各客户端周期性传输rtcp包。该包中含有已传输的数据包数量、丢失的数据包数量等信息，服务器可根据此信息动态改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。上述二者配合使用，能以有效的反馈和最小的开销实现传输效率最佳化，特别适合实时数据传输。
[0108]
实时流协议rtsp(real-time streaming protocol)。realnetworks和netscape共同提出的rtsp协议定义了一对多应用程序如何有效通过ip网络传输多媒体数据。其体系结构位于rtp和rtcp之上，使用tcp或rtp完成数据传输。与请求由客户端发出、服务器作出响应的单向方式http相比，rtsp是双向的，使用时客户端和服务器均可发出请求，且提供操纵播放、快进、快倒、暂停及录制等命令的方法。
[0109]
资源预订协议rsvp(rresource reserve protocol)。由于音频、视频数据流比传统数据对网络的延时更敏感，要通过网络传输高质量音频、视频信息，除带宽要求外，还包括其他方面。rsvp作为网络资源预订协议，通过预留部分网络资源方式，能在一定程度上为流媒体的传输提供良好的服务质量qos。
[0110]
用户可通过云台控制监控摄像头，进行实时视频播放、旋转、放大、缩小等操作。
[0111]
步骤六、用户进入设备信息模块，对反馈设备运行状态、系统对设备发送的历史信令、系统接收历史的业务数据和设备的属性信息进行查询以及属性信息的修改；
[0112]
设备物理属性可显示设备的以下信息字段：
[0113][0114][0115]
上述字段包含每个接入系统设备的属性信息，其中gb编码符合国家gb28181编码规范，该编码方式共六个码段，分别是行政区划代码(9位)、行业代码(2位)、类型代码(3位)、网络标识码(1位)、摄像头分类代码(1位)和序号(5位)由21位十进制数字字符构成，既系统编码＝中心编码+行业编码+类型编码+网络标识码+分类代码+序号。
[0116]
本发明通过云服务器搭建应用服务层的运行环境，通过前后端分离的系统架构，满足应用层的清晰可靠性、稳定性以及高并发性能，后端负责对云平台进行消息订阅，完成数据地处理，并将数据存入数据库中，同时与前端建立通信接口，前端则负责将界面渲染到浏览器提供给浏览器，包括设备状态信息以及监控数据信息等，并响应与转发用户控制命令到后端服务器。
[0117]
本发明应用当今物联网行业的解决方案，基于物联网云平台对监控系统进行了设计，并使用gis技术集成地理、环境、位置信息重构出感知设备附近的三维空间结构，克服了传统监控系统的缺点，提高了调度效率，又对设备的运行状态进行实时监听，减小了维护压力，最终设计了b/s架构的物联网监控系统，极大地满足设备对联网能力和低功耗的要求。用户可以通过浏览器随时随地查看系统运行状况，并对系统运行参数进行控制。
[0118]
由图3所示，云服务器处在整个系统最关键的位置，可以与传感器与客户端进行紧密的联系，即云服务器既可以接收传感器的数据并进行持久化，同时服务器可以提供基于http协议的接口，用户可以通过接口向云服务器进行交互获取对应数据，还能够根据web端发送指令反馈给传感器，以达到控制传感器的目的。
[0119]
整个基于云平台的物联网远程监控系统的功能架构图如图4所示。监控系统主要分为用户信息管理、设备管理功能模块，其中设备管理包括本发明重要创新功能gis图形化功能实现，通过图形化界面显示设备的环境信息并提供设备管理接口，同时还可通过关键
字查询功能进入设备管理接口，以达到控制传感器、传感器信息查询以及告警信息处理等目的。