1.4 安防监控系统智能化的产品设计
1.4.1 安防监控系统智能化产品基本的构成与特点
1.基本构成
智能系统通常由硬件和软件两大部分组成，硬件组成如图1-2所示。软件主要包括监控程序、中断服务程序及实现各种算法的功能模块。监控程序是系统软件的中心环节，它接收和分析各种命令，管理和协调整个程序的执行；中断服务程序是在人机交互通道或其他外围设备提出中断申请，且由计算机响应后直接去执行的程序，以便完成需要实时处理的任务；功能模块用来实现系统的数据处理和控制任务，包括各种智能功能算法和控制算法等。
图1-2 智能系统的硬件结构图
1）微型计算机
微型计算机是智能系统的核心，它通常由CPU、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、输入/输出端口（I/O）和定时器/计数器（CTC）等单元组成。
2）前向通道
前向通道是微型计算机与前端设备相连接的单元，是系统的信息输入通道。前向通道与前端设备现场相连，是各种干扰串入系统的主要通道。前向通道是一个模拟与数字混合电路单元，各种传感器的输出信号（模拟量、数字量或开关量）经前向通道变成满足微型计算机输入要求的信号，故有形式多样的信号变换、调节电路，如信号放大、整形、滤波、A/D转换等。前向通道性能的优劣将影响整个系统的性能。
3）后向通道
后向通道是系统终端设备的控制单元，是信息输出的通道，大多数需要功率驱动。后向通道靠近终端设备的现场，有些伺服驱动伺服控制系统的大功率负荷引起的干扰易从后向通道进入微型计算机，故后向通道的隔离对系统可靠性影响极大。后向通道根据输出控制的不同，有多种多样的电路，如模拟电路、数字电路、开关电路等。
4）人机交互通道
人机交互通道是操作者对系统进行干预以及了解系统运行状态和运行结果的单元，主要有键盘、显示、语音电路等。智能系统的人机对话设备都是按最小规模配置的，以满足用户需要为目的。
5）数据通信通道
数据通信通道是智能系统与其他系统间交换信息的接口，通常是串行通信口。
尽管智能系统基本结构相同，但不同用途或者基于不同探测传感原理而设计的智能系统，其具体结构还是有相当大的差异的，其差异主要表现在前端设备和终端设备上。例如，智能视频监控系统就具有如图1-3所示的基本结构。目标场景图像经前端摄像设备光电转换输出，再经前向通道到信号处理部分进行分析处理，识别出目标后输入后向通道输出终端显示、录像并驱动声光报警。若识别的是火灾苗头，输出信号通过执行机构驱动消防淋头喷水。此外，信号处理部分还输出控制信号经前向通道去控制前端装置的有关环节，如切换灯源，控制云台移动及自动对准目标，控制镜头的自动调焦、自动光圈等。因此，微型计算机应用于智能系统是通过前向通道和后向通道渗透到系统的各个组成部分的。
图1-3 智能视频监控系统的基本结构
2.主要特点
1）具有自动校准能力
智能系统采用软/硬件相结合的方法进行自动校准，如零点校准、非线性校准、γ校正等。当传感器的特性呈非线性时，智能系统则可能将传感器的传感特性以数学模型编入程序或者利用表格与插值相结合的方法，实时地修正数据。
2）具有自动分析处理视频数据的能力
微机具有很强的分析和运算能力，智能系统可完成前端设备输入信息的复杂的数据处理，这是非智能系统难以比拟的。智能系统能从原始探测数据中提取反映被测对象特征的信息，并将经加工处理后的数据恢复成原来的物理量形式或终端设备所需的形式输出来。
3）具有自动识别跟踪异常目标的能力
前端设备输入的信息经加工分析处理后，智能系统能自动识别出影响安全的异常的目标，并自动定位跟踪，同时显示、录像、自动预/报警等。由于智能系统具有好的软件算法，对各种恶劣环境等不利的干扰均能不断修正，从而可有效消除或减小误差，以提高识别精度。
4）具有自适应能力
智能系统能根据被测对象或工作环境的变化自动修正算法。如智能激光干涉仪能跟踪气温、气压和湿度等环境参数的变化，修正激光波长，保证仪器的精度不受环境变化的影响。
5）具有自检和自诊断能力
智能系统通常都具有自检和自诊断能力，能自行测试系统各部分的运行是否正常，一旦发现故障，还能诊断出是哪一部分出了故障，并能在显示装置上显示故障的类型和部位。
6）具有对外接口的功能
智能系统带有RS-232或RS-485标准接口，能方便地与其他仪器或计算机组成自动测试系统。
7）具有良好的用户界面
微型计算机的应用给用户提供了丰富的信息，用户可从键盘上输入命令和数据，从显示器读取数据，还可以借助打印机记录数据、图表，并且系统可以直接显示输出汉字，操作者只要从中文菜单中“点菜”即可，操作者能迅速掌握仪器与系统的操作方法。
1.4.2 安防监控系统智能化产品的设计原则
智能视频监控系统与非智能视频监控系统在结构和性能方面有所不同，不仅要求设计者熟悉光学系统、电子电路、精密机械结构、光电传感、信号处理等方面的知识，而且要熟悉微型计算机的硬件接口和软件设计。
智能化产品的设计原则如下。
1.从整体到局部的设计原则
在设计智能视频监控系统时，首先要根据系统功能和设计要求提出系统设计的总任务，并进行系统的总体框图设计，然后将总体框图分解成一个个独立的框图，再继续往下分，直到足够简单且易于实现为止。
对智能系统而言，可把系统的总体框图划分为光学系统、机械结构、电子电路、光电传感、信号采集与分析处理、驱动与控制、微型计算机及其接口等子框图，这些子框图既相互独立又相互关联。基于此，可以把总设计任务分割成上述各子任务，各个子任务又可再细分，各子任务完成后，再将它们有机地集合起来，便可完成总设计任务。
2.经济性原则
为了获得较高的性能价格比，设计智能视频监控系统时不应盲目追求复杂的高级方案。在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单的方案，因为方案简单意味着结构简单，可靠性高，成本低。
在考虑系统的经济性时，除了要考虑降低系统的研制成本和生产成本外，还要估计系统的使用成本，包括使用期间的维护费、备件费等，综合考虑后，再选择适当的方案。
3.可靠性原则
可靠性指标除了用完成功能的概率表示外，还可以用平均无故障时间、故障率、失效率或平均寿命等来表示。在选择智能系统的光学系统结构、机械结构、执行机构的方案时，要考虑所选用的机构的可靠性，必要时，可采取适当的保证措施。电路及微机系统的可靠性主要考虑所用器件质量的优劣，选择元器件时，要保证元器件的负载、速度、功耗、工作环境等技术参数有一定的安全量，并对元器件进行老化和筛选测试。
为了提高系统的可靠性，还可以采用“冗余结构”的方法，即在设计时安排双重结构（主用件和备用件）的硬件电路，当某部件发生故障时，备用件自动切入，从而保证系统的长期连续运行；对软件而言，应尽可能地减少软件故障，并可采取相应的软件保护措施。
4.操作与维护的原则
设计智能视频监控系统时，还应当考虑操作方便，尽量降低对操作人员的专业知识要求。系统的控制开关或按键不能太多、太复杂，操作程序应简单明了，同时应有详细易懂的操作提示。
智能系统应有很好的维护性，系统结构要规范化、模块化，并配有现场测试模块和故障诊断程序，一旦发生故障，可有效地对故障进行定位。
1.4.3 安防监控系统智能化产品的研发步骤
设计研制智能系统大致上可以分为制定方案、实施方案和性能测定三个阶段，下面对各阶段的工作内容和设计方法做一简要的叙述。
1.制定方案
1）编写设计任务书
在制定设计任务书之前，首先要进行大量的调查研究。调查内容主要包括两个方面：一方面是现场条件、测控对象数学模型、技术配备、用户的各种要求、国际标准规定等；另一方面是国内外同类系统或类似系统技术指标的比较、应用情况及中外情报资料、专利查询等。在调查研究的基础上，编写出设计任务书，其内容包括主题任务、研究内容、技术指标等项，其中技术指标开始可以提得较粗，但必须切合实际，过高或过低都不能达到预期的目的。
2）拟定初步方案
根据设计任务书的要求，研究可能实施的几种设想、规划，并加以比较，选择一种可行的、较佳的方案作为初步方案。在初步方案中，对整个系统的结构、主要部件、技术要求、可能应用的开发手段及规划进度等要有说明。
3）方案可行性论证
方案可行性论证要求论证贯穿整个设计工作的指导思想、技术原则是否正确，论证系统的可靠性采用先进技术的必要性和可行性，论证达到起码技术指标的基本方案和留有余地的较佳方案，论证系统的可靠性、性能价格比等。在方案可行性论证的过程中，必然要进一步完善系统设计方案。但更重要的是要避免工程进行中出现方案错误或不合理而导致任务无法进行，或者造成报废返工。
4）方案制定
在方案可行性论证得到肯定审核后，再进一步制定总体实施方案，应明确方案达到的总目标、总体技术指标、总体结构（软/硬件）方案及总预算、总进度等。
2.实施方案
在方案实施过程中，需要涉及系统各部分的软/硬件设计及各部分调试和总体调试等任务。由于智能系统是以微型计算机为核心的系统，其软/硬件通常交错在一起。硬件尚未齐备，要在其上运行软件进行电子调试是不可能的；反之，软件尚未调试好也无法支持硬件的调试。所以，在设计研制过程中，要按一定的方法和步骤，并根据情况配备适当的开发工具或模拟装置，使设计顺利进行。现就其中一些主要步骤说明如下。
1）确定系统规模大小
系统总体方案确定之后，首先要估计系统软/硬件规模的大小，核算硬件核心部件选型、容量、对外的I/O口数、通道数、模块数等。
2）软/硬件权衡分配
在既定的总体规模中，再进一步权衡哪些功能用硬件来完成，哪些功能用软件来完成。原则上说，不少硬件实现的功能软件也能实现，反之亦然。一般来说，硬件处理速度快、实时性好，但应变灵活性小，扩展功能要改动或增加部件；而软件处理速度慢，但应变灵活性大，增加功能时只需要对软件进行适当的修改即可。如要对监控系统的图像进行处理，有两种方法：一种是数字处理，即将待处理的图像离散成数字量输入计算机，计算机利用各种图像处理算法对采集的图像进行处理；另一种是光学处理，即利用光学器件进行傅里叶变换、滤波、相关、卷积等图像处理。前者主要借助软件运算，灵活性大，精度高，但实时性差，后者具有二维并行处理能力，速度快，容量大，实时性好，但不够丰富多样。在系统中，究竟采用哪种方法或者如何将两者结合起来应用，都是系统设计时要考虑的。
目前，由于DSP与SoC芯片的发展，安防智能视频监控系统多使用数字图像处理的方式。
3）硬件设计、制作和调试
软/硬件功能确定后，应先明确硬件的技术指标，再着手硬件设计、制作和调试。智能系统的硬件包括光学、光电、电子、精密机械、微型计算机及其接口等。视频监控系统的光学系统多为选用。精密机械首先根据系统的总体要求，确定机械部分的总体结构，绘制机械装配图，再拆画零件图，然后送机械加工厂制造、装调。微型计算机及其接口设计包括微型计算机应用系统选型、光电传感线路和信号采集线路设计、信号输出与控制接口设计等。不管是哪类线路设计，基本过程都是相似的，即先进行原理、时序设计，然后绘制电路印制板线路图，再送工厂加工线路板。制成线路板后，要借助现成的电子测试设备、仿真设备，对制作的线路板进行功能测试，保证线路正确。在研制微型计算机及其接口时，尽量选用商品化的微机模板、专用模板，以简化研制工作。
4）软件设计与调试
软件设计首先要做好软件任务分析，为软件设计做一个总体规划，并将软件划分为多个功能模板，并定义好每一个功能模板的功能和接口（输入/输出定义），然后着手编程。软件模块的调试一般要借用与目标系统相同机型的高中档微机系统或采用专门的微机开发系统作为工具，这类系统必须具有编辑源程序、语法排错、交叉汇编或编译、模块链接等功能，以便对软件进行初调。
5）光、机、电、计算机联调
经过前述步骤，光、机、光电、电、计算机及其接口都已通过单独调试，再将它们装配到一起，进行光、机、电、计算机联调。在联调时，可按先局部后整体的顺序进行调试，逐步排除故障。
3.性能测定
研制阶段只是对硬件和软件分别进行了初步调试和模拟试验。样机装配好后，还必须进行整机试验，对系统的软/硬件进行全面测试，以确定系统是否达到预定的性能指标，并写出测试报告。
1）测试性能指标
安防监控系统智能化产品样机联调完成后，必须对其性能指标进行测试与记录。
2）试运行
完成测试后还要投入现场做试运行，以考察其性能指标是否有变化，并验证其可靠性。如未达到设计的指标，要查出原因，直到满意为止。
3）编写产品使用说明书
完成样机后，要编写设计文件，总结研制工作，并为用户编写使用说明与维护资料。
4.上报科委并召开新产品鉴定会
一般，新产品完成后要进行情报检索与专利申报，并同时上报科委与召开至少有5位副高职称以上的本行专家参加的新产品鉴定会。鉴定会专家签字通过后，即可申报相应奖项。如产品生产销售，还需按要求抽样送上级主管产品鉴定中心进行产品等级鉴定。