鄒向陽(yáng)，鄒和輝，劉戎

（1.空軍空降兵學(xué)院，廣西桂林541003；2.桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林541004）

基于物聯(lián)網(wǎng)與三維可視化的彈藥庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

鄒向陽(yáng)1，鄒和輝2，劉戎1

（1.空軍空降兵學(xué)院，廣西桂林541003；2.桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林541004）

為滿(mǎn)足部隊(duì)彈藥庫(kù)監(jiān)測(cè)的信息化、智能化、實(shí)時(shí)化、可視化應(yīng)用需求，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)與三維可視化技術(shù)的彈藥庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案。通過(guò)綜合分析彈藥庫(kù)實(shí)際監(jiān)測(cè)需求以及應(yīng)用特點(diǎn)，充分利用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，依托云架構(gòu)下的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析、展示技術(shù)，構(gòu)建多平臺(tái)可視化彈藥庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了彈藥庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)、功能和設(shè)計(jì)方案，為建設(shè)新型彈藥庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了新的思路與方向。

彈藥庫(kù)，物聯(lián)網(wǎng)，三維可視化，ZigBee，Node.js

0 引言

彈藥庫(kù)是用于儲(chǔ)存彈藥類(lèi)特殊危險(xiǎn)品的特種倉(cāng)庫(kù)。彈藥品具有易燃、易爆等特性，在其受到高溫、摩擦、振動(dòng)、碰撞、曝曬等因素的作用下時(shí)，極易引發(fā)不安全事故。對(duì)彈藥庫(kù)的實(shí)時(shí)安全監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)是保證彈藥庫(kù)安全、彈藥性能良好的重要策略之一。目前，部隊(duì)彈藥庫(kù)數(shù)量多、分布廣、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、監(jiān)管力量薄弱、信息化水平落后，迫切需要提高彈藥庫(kù)的監(jiān)測(cè)管理工作。

在彈藥庫(kù)監(jiān)測(cè)中，主要的監(jiān)控要素有視頻圖像監(jiān)控、溫濕度監(jiān)測(cè)、紅外探測(cè)、離子煙霧監(jiān)測(cè)、雷擊監(jiān)測(cè)等［1］。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式一般采用傳感器-單片機(jī)-PC架構(gòu)的單機(jī)模式，這種方式架構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，但也存在一系列的弊端：其一，監(jiān)測(cè)要素單一無(wú)法滿(mǎn)足部隊(duì)信息化發(fā)展的需求；其二，數(shù)據(jù)傳輸采用有線(xiàn)方式，增加了彈藥庫(kù)布線(xiàn)難度、維護(hù)成本以及傳感地的放置地點(diǎn)；其三，基于PC端的本地查看，這種方式無(wú)法遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看，并且局限于PC客戶(hù)端。

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速并廣泛用于公共安全、智能交通、工農(nóng)業(yè)和軍事等領(lǐng)域。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，三維可視化與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合受到普遍重視，且必將成為發(fā)展趨勢(shì)。物聯(lián)網(wǎng)與三維可視化技術(shù)的融合在國(guó)內(nèi)智能場(chǎng)館、智能變電站、智能礦井等方面已經(jīng)取得初步的應(yīng)用成果［2］。

1 系統(tǒng)整體方案

1.1 彈藥庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)彈藥庫(kù)的安全監(jiān)測(cè)要素，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的架構(gòu)搭建。該系統(tǒng)主要是依托ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)、云計(jì)算架構(gòu)下的數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、分析、展示等技術(shù)，以及三維可視與虛擬仿真技術(shù)的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈藥庫(kù)安全監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、各系統(tǒng)報(bào)警聯(lián)動(dòng)，做到彈藥庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的信息化、智能化、可視化、實(shí)時(shí)化為一體的綜合安全管理系統(tǒng)。系統(tǒng)整體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

從數(shù)據(jù)信息的流向劃分，該系統(tǒng)可以劃分為四部分：彈藥庫(kù)房數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái)以及終端展現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)安全穩(wěn)定的傳感器網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)可靠的測(cè)量手段，以及精確的誤差消除辦法來(lái)獲取彈藥庫(kù)房?jī)?nèi)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息；網(wǎng)絡(luò)傳輸采用有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)相結(jié)合的方式將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒?wù)器云端。例如對(duì)于大數(shù)據(jù)的傳輸如視頻數(shù)據(jù)采用有線(xiàn)傳輸?shù)姆绞剑瑢?duì)于小數(shù)據(jù)的傳輸如溫度、濕度、入侵檢測(cè)數(shù)據(jù)采用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸方式，這既能保證通訊網(wǎng)絡(luò)的高效靈敏、反應(yīng)快捷，又能保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠；數(shù)據(jù)處理平臺(tái)引入Node.js技術(shù)，主要完成用戶(hù)請(qǐng)求、數(shù)據(jù)接入以及數(shù)據(jù)的分析融合，為各子系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)提供數(shù)據(jù)支持，并為三維可視化提供數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)展示終端構(gòu)建可跨平臺(tái)（智能手機(jī)、平板電腦、電視、電腦等）多信息介質(zhì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示終端，為安全管理以及應(yīng)急指揮提供方便而強(qiáng)有力的決策支持。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)分為采集層、處理層、應(yīng)用層和對(duì)外接口，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things）是通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)［3］?！拔锫?lián)網(wǎng)”被稱(chēng)為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。目前，關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)還沒(méi)有一個(gè)廣泛認(rèn)同的體系結(jié)構(gòu)，具有代表性的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)一般認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)可以分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層［4-5］。ITU在2005年的互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》中描述了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的4個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)——RFID技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能技術(shù)、微縮事物的納米技術(shù)［6］。在我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)階段關(guān)注的技術(shù)主要有傳感器、云計(jì)算、RFID等領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)一般系統(tǒng)架構(gòu)以及在信息處理與傳遞過(guò)程用到的關(guān)鍵技術(shù)如下頁(yè)圖3所示。

感知層作為物聯(lián)網(wǎng)的核心，可進(jìn)一步分為數(shù)據(jù)感知子層和通信延伸子層。數(shù)據(jù)感知子層主要是通過(guò)各種傳感器獲取物理世界的數(shù)據(jù)，并通過(guò)通信延伸子層的藍(lán)牙、紅外、ZigBee等近距離傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。網(wǎng)絡(luò)層主要依托因特網(wǎng)、電信網(wǎng)、各種專(zhuān)用局域網(wǎng)等來(lái)實(shí)現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)的傳遞、存儲(chǔ)、共享等。應(yīng)用層包括應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件和各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供信息處理、計(jì)算等通用基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施、能力及資源調(diào)用接口，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在眾多領(lǐng)域的各種應(yīng)用。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與關(guān)鍵信息技術(shù)

2.1 三維可視化技術(shù)

三維可視化技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)還原現(xiàn)實(shí)世界中的物體，并能夠表示三維物體的復(fù)雜信息，使其具有實(shí)時(shí)交互能力的一種可視化技術(shù)［7］。三維可視化技術(shù)中的關(guān)鍵核心技術(shù)是三維建模技術(shù)。目前三維建模方法很多，但歸納起來(lái)主要有：基于幾何建模與繪制（Geometry-Based Modeling and Rendering，GBMR）、三維掃描儀、基于圖像建模與繪制（Image-based Modeling and Rendering，IBMR）［8］。其中基于圖像建模與繪制相對(duì)于基于幾何建模與繪制來(lái)說(shuō)，是一個(gè)比較新的領(lǐng)域，由于其建模容易、繪制速度快、真實(shí)感強(qiáng)、交互性好，IMBR已成為三維建模領(lǐng)域的熱點(diǎn)。IMBR的建模過(guò)程主要可分為相機(jī)標(biāo)定（Camera Calibration，CC）、圖像建模（Image-Based Modeling，IBM）、圖像繪制（Image-Based Rendering，IBR）3個(gè)階段。相機(jī)標(biāo)定主要是對(duì)數(shù)字圖像序列進(jìn)行特征提取與匹配，進(jìn)而確定相機(jī)的投影矩陣。圖像建模通過(guò)投影重構(gòu)、可見(jiàn)外光、空間雕刻等方法來(lái)生成模型的表面。圖像繪制通過(guò)視點(diǎn)插播、視圖變換、全光函數(shù)等方法來(lái)實(shí)時(shí)生成逼真的場(chǎng)景與動(dòng)畫(huà)。IBMR的技術(shù)流程如圖4所示。

2.2 ZigBee WSN技術(shù)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)形成一個(gè)多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它融合傳感器技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，具備數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理功能，廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域［9］。ZigBee/IEEE802.15.4作為新的近距離無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，由于其具備低功耗、高可靠性、自動(dòng)組網(wǎng)、安全等特點(diǎn)，為WSN的發(fā)展提供新的契機(jī)。

圖4 基于圖像建模與繪制（IBMR）技術(shù)流程

根據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，其工作頻段為868 MHz～868.6 MHz（868 MHz頻段），902 MHz～928 MHz（915MHz頻段），2400MHz～2483.5MHz（2.4 GHz頻段），其數(shù)據(jù)傳輸率分別為20 kb/s，40 kb/s，250 kb/s，傳輸距離為10 m～75 m［10］。868 MHz頻段在歐洲使用，915 MHz頻段與2.4 GHz頻段作為ISM頻段，其中915 MHz頻段在北美使用，2.4 GHz頻段全球使用。與其他現(xiàn)有近距離通信技術(shù)相比，ZigBee具有最低成本與功耗，特別是其自組織網(wǎng)和動(dòng)態(tài)路由通信方式，能夠充分保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸以及網(wǎng)絡(luò)自愈和擴(kuò)展。ZigBee主要采用了三種組網(wǎng)方式：星型網(wǎng)（Star）、網(wǎng)狀型網(wǎng)（Mesh）和簇型（Cluster tree），其中星型和簇型都可以看作是網(wǎng)狀型的特例，ZigBee網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 ZigBee網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 Node.js技術(shù)

Node.js是一個(gè)為實(shí)時(shí)Web（Real-time Web）應(yīng)用開(kāi)發(fā)而誕生的平臺(tái)，它從誕生之初就充分考慮了在實(shí)時(shí)響應(yīng)、超大規(guī)模數(shù)據(jù)要求下的架構(gòu)的可擴(kuò)展性。這使得它摒棄了傳統(tǒng)平臺(tái)依靠多線(xiàn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)高并發(fā)的設(shè)計(jì)思路，而采用了單線(xiàn)程、異步I/O、事件驅(qū)動(dòng)式的程序設(shè)計(jì)模型［11］。Node.js的異步機(jī)制是基于事件的，所有的磁盤(pán)I/O、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)都以非阻塞的方式請(qǐng)求，返回的結(jié)果由事件循環(huán)來(lái)處理。其機(jī)制如圖6所示。

圖6 Node.js機(jī)制示意圖

該機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是CPU和內(nèi)存在同一時(shí)間集中處理一件事，同時(shí)盡可能讓耗時(shí)的I/O操作并行執(zhí)行。對(duì)于低速連接攻擊，Node.js只是在事件列隊(duì)中增加請(qǐng)求，等待操作系統(tǒng)的回應(yīng)，因而不會(huì)有多線(xiàn)程開(kāi)銷(xiāo)，很大程度上可以提高服務(wù)器應(yīng)用的健壯性，防止惡意攻擊。

隨著雅虎、微軟、LinkedIn以及國(guó)內(nèi)的淘寶、阿里巴巴開(kāi)始大量采用該技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，已經(jīng)證明了該技術(shù)在處理高并發(fā)，實(shí)時(shí)性和開(kāi)發(fā)速度上的卓越優(yōu)勢(shì)，同時(shí)由于云服務(wù)平臺(tái)的前端同樣大量使用JavaScript，所以在調(diào)試時(shí)服務(wù)器系統(tǒng)和前端可以用同一種語(yǔ)言調(diào)試，大大提高了解決問(wèn)題的速度。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是視頻服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，采用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，前端攝像機(jī)采集的影像訊號(hào)，經(jīng)過(guò)高效壓縮芯片壓縮編碼，透過(guò)內(nèi)部總線(xiàn)傳送到網(wǎng)絡(luò)上，用戶(hù)可以直接在PC計(jì)算機(jī)上通過(guò)瀏覽器觀看視頻、圖片，授權(quán)用戶(hù)還可以透過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制攝像機(jī)鏡頭和云臺(tái)，或?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行配置操作。

3.2 環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)

通過(guò)在彈藥庫(kù)布置若干個(gè)溫度傳感器，數(shù)據(jù)信息通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)關(guān)上傳到云端服務(wù)器，服務(wù)器保存數(shù)據(jù)信息以便分析并且為三維可視化提供數(shù)據(jù)接口。通常規(guī)定彈藥庫(kù)最高溫度不超過(guò)30℃，最大濕度不超過(guò)70%，設(shè)定彈藥庫(kù)的正常溫度在15℃～26℃，正常濕度45%～65%。

3.3 聯(lián)動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

聯(lián)動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)以三維可視化平臺(tái)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)。當(dāng)彈藥庫(kù)房?jī)?nèi)的等離子煙霧傳感器、溫度傳感器檢測(cè)、濕度傳感器、有毒氣體傳感器檢測(cè)監(jiān)測(cè)到異常，環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)濕度、溫度，同時(shí)觸發(fā)環(huán)境信息異常警報(bào)，視頻攝像頭根據(jù)傳感器的IP追蹤相關(guān)區(qū)域狀況，三維可視化平臺(tái)將相關(guān)信息及時(shí)通知管理人員，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控以及三維可視化平臺(tái)的聯(lián)動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

彈藥庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是彈藥庫(kù)的重要組成部分。基于物聯(lián)網(wǎng)與三維可視化技術(shù)的彈藥庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以三維場(chǎng)景為主要展示形式，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與三維可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)報(bào)警以及三維可視化，完成彈藥庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成，提升了彈藥庫(kù)信息化水平，為彈藥庫(kù)安全、自動(dòng)化管理系統(tǒng)提供了案例與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)然，彈藥庫(kù)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不斷完善與改進(jìn)將是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，還需要不斷地探索和研究，從數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程控制、三維可視化等方面開(kāi)展研究，發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)、三維可視化等新興技術(shù)與系統(tǒng)的高效無(wú)縫結(jié)合，引領(lǐng)彈藥庫(kù)不斷加快實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息化、實(shí)時(shí)化、智能化、可視化建設(shè)步伐。

［1］張伯虎，楊金柱，李旭霞.基于多傳感器的彈藥庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)［J］.安防科技，2007（1）：52-53.

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Research of Ammunition Depot Real-time Monitoring System Based on IoT and 3D Visualization Technology

ZOU Xiang-yang1，ZOU He-hui2，LIU Rong1
（1.Air Force Airborne Academy，Guilin 541003，China；2.Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

In order to meet the application demand for informatization，intellectualization，real-time and visualization of the ammunition depot in troops，the paper proposes a real-time monitoring project based on the Internet of Things and visualization technology.In the project，with the backing of data acquisition，transmission，storage，analysis and display in cloud architecture and full use of ZigBee，a new wireless sensor network，a real-time visual monitoring system，which can be run on multiple platforms，is constructed through synthetic analysis of the actual monitoring requirements and the application characteristics.The paper elaborates the architecture，the function-constructing project and 3D visual platform of the monitoring system and makes an exploratory study of the real-time monitoring.

ammunition depot，internet of things，3D，ZigBee，Node.js

TP393

A

1002-0640（2015）01-0030-04

2013-11-18

2014-02-07

軍隊(duì)重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目

鄒向陽(yáng)（1964-），男，湖南新化人，博士，教授。研究方向：電子對(duì)抗、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。