云计算技术在楼宇智能监控系统中的应用研究

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  【摘要】智能楼宇的安全防范问题一直都是重要的研究课题,传统的监控系统难以满足因数据信息的快速增加而带来的计算能力和存储空间需求。云计算技术以其超强的计算能力和海量的存储空间成为楼宇智能监控系统设计的最新选择。本文首先分析了监控系统和云计算技术的发展历程,然后基于其关键技术和体系架构,设计云计算技术在楼宇智能监控系统中的应用模式,最后进行了物理部署。可以看出云计算技术的快速计算能力和超大存储空间,配合分布式的体系架构,可以解决传统监控数据管理中的数据阻塞和丢失问题,并且性能稳定、成本低廉,在楼宇智能监控系统设计中具有较好的可用性。
  【关键词】云计算技术;监控系统;楼宇;云存储
  智能楼宇正成为未来建筑的发展方向,和人们生活工作息息相关的很多行为都发生在只能楼宇中,所以如何保证楼宇的安全一直都是被广泛关注的热点课题,有的樓宇雇佣保安等人员进行安全维护,但是安保人员也不可能随时关注楼宇内的安全动态。一旦楼宇出现了安全事故,诸如财物丢失等,在进行调查取证的时候,安保人员的话语很显然不能当做铁证。鉴于此,伴随着科学信息技术的发展,监控系统在楼宇安全管理中的应用越来越广泛,但是数字时代的到来,促使楼宇监控系统发生改变。一抬摄像头一小时可以获得4G的容量,那么一座现代化的高层智能楼宇中所有的摄像头,将需要很大的空间来存储监控摄像。这对于存储的设备的选择是一个巨大的挑战,而现实是基本没有足量的存储设备来满足其需要。面对这些设计难题,科学基础提出了自己的答案,那就是云计算技术。
  云计算技术一词首次出现是在2006年,它的显著特点就是强大的计算能力和服务器集成,不需要实体的存储设备,而用虚拟的存储空间实现数据的存储和管理,大大节省了存储资源和成本,这就为解决传统监控系统面临的瓶颈难题提供了解决思路。
  一、监控系统和云计算概述
  1.监控系统
  监控系统主要是视频监控,三十余年来经历了从开发出来到被广泛应用的发展历程,监控系统也从最开始的模拟监控,到初始的数字监控,再到现在的网络视频监控。与最初的独立产品不同的是,现在很多监控系统也与其他一些消防、电梯求救的产品相联系。这使得监控系统的作用更加广泛,对客观事实的复述性更强。可以预见,未来监控系统的发展方向将是数字化、经济化和快捷化。
  监控系统主要由摄像前端、传输线、记录仪、显示端等四部分组成。摄像部分是监控系统的视频收集端,传输线则是数据传输的通道,记录仪可以实现监控视频的全景呈现,并且以独特的方法记录下来,显示端的作用通过显示器将监控的视频播放出来。这样一个完整的监控系统最重要的监控形式当然还是视频,当然进一步发展,监控系统也可以是能够预警火灾的消防系统,预警电梯故障的监控系统以及监控楼宇中央空调运行情况的系统。由此可见监控系统虽然以视频监控为主,但是依旧可以发展成为更全面更智能的楼宇设备自动化控制系统,丰富监控系统的种类和功能。
  2.云计算技术
  云服务首次出现于1983年,在2006年谷歌公司埃里克史密斯提出了云计算概念,从最初的美国校园,到全世界各地,越来越多的云计算中心开发而成,云计算技术以极快的速度迅速成为各大科技公司的研究对象。
  虚拟网络中潜藏着海量可以利用的虚拟资源,这种资源我们可以称之为云空间,用户通过付费或者其他方式,来获得虚拟的资源。而计算能力就是其中的一种资源,云计算则是网络计算能力的显著代表。云计算有其显著的特点:强大的计算能力,除此之外外,虚拟性、可靠性、灵活扩展性、节能低成本等都是云计算的其他优点。
  3.监控系统存储特点与云计算关系
  监控系统的摄像部分需要存储空间来及时记录保存监控录像,前端收集的数据通过传输线传到中心存储单元,这里是一个大型的数据中心,可以方便的完成数据的筛选、排列、检索等行为,但是随着监控系统的普及,所需要的存储空间越来越大,必须开发新的存储技术来满足系统的需求。云计算技术之前主要有光前通道技术、IP网络技术以及基于以太网的数据存储,这三种存储技术存在一个共同的缺点,那就是对于监控服务器的要求较高,而且只能完成存储,不能和其他系统关联应用。鉴于监控存储必须具有足够大的空间、强大的数据传输和计算能力、高度灵活性和扩展性、足够缓存空间、高度可靠性等技术需求,云计算技术无疑是当下最适合作为监控存储的选择。
  二、云计算架构及其关键技术
  1.监控技术体系结构
  当下监控技术的体系结构主要有集中式和阶梯式两种。
  (1)集中式体系结构
  集中式体系结构主要应用C/S结构,由监控服务器和监控代理两部分组成(图1)。
  集中式体系结构的显著特点就是监控代理和监控服务器可以相互进行数据信息传递。监控代理需要时刻监听对应节点的数据信息,然后将其传递给监控服务器,同时它也要接受监控服务器的命令,并执行。监控服务器对于监控代理传输的信息进行筛选和逻辑分析,并将最终的信息结构存储特定节点中的数据库中。随即数据从节点出发,传输给监控代理,监控代理执行指令。可以看出节点是比较关键的环节,考虑监控系统的稳定性分析,集中式体系结构一般用在节点较少的监控系统中。
  该体系结构的主要优点有:首先是数据传输及时。集中式的体系结构使得数据信息的采集和传输只需要很短的时间,极少的延时保证了数据的准确处理和楼宇故障的及时处理。其次是易管理。该体系结构简单,体系两端就为明确,数据传输路程简单,容易管理。最后体系架构简单。只需将监控服务器和监控代理设置好,一个集中式体系结构就架构完成,应用简单,实用性较强,单项配合系统工作时,可以简单快速地发挥作用。
  但是该体系同样存在缺点,第一是体系对于监控服务器的依赖性过大,一旦其出现问题,那么整个系统的使用都会受到影响,可以通过为监控代理配置控制权来保证系统的流畅运行。第二是系统对节点的数量有严格的要求。如果节点较多的话,集中式体系结构将无法应付,对于很多数据信息将不能及时处理,这就会导致大量的数据堆积在缓存空间内,信息的无延时性受到严重影响。为了解决这个问题,我们可以采用阶梯式体系结构。   (2)阶梯式体系结构
  阶梯式体系结构本质上可以看做是多个集中式体系结构的有序集成,通过在集中式体系结构之上加一层针对监控代理的局部管理,也就是说总的监控节点之下设有分部的监控节点,采用分层布控原则,只要每一层的节点能够正常工作,并将数据信息传递给全局监控节点,然后总节点逻辑处理信息,反馈给各分部节点,局部节点管理将数据信息传递给各监控代理,就完成了一个完整的数据监控过程(图2)。如此一来每一个局部监控节点都可以处理好的数据信息,避免了数据的缓存和堵塞,提高了监控效率。
  阶梯式体系结构的优点:第一大大减轻了系统负载。通过将监控节点分散设置,这样就提高了处理效率,而避免了所有数据都需要总节点处理的拥挤局面,提高了网络流畅度,减少拥塞;第二是可以实现故障隔离。阶梯式体系结构的正常运行不依赖于单一的集中式体系结构,如果其中一个出现了问题,其他的子系统仍然能正常运行,不需要让监控代理监控整个系统,减少了系统运行风险。
  该体系同样存在缺点:第一如果监控系统结构比较復杂,那么阶梯式体系结构的架设比集中式体系结构的架设难度要高很多个等级;第二因为数据信息的传输比集中式体系结构多了一层结构,所以针对同样的信息,阶梯式体系结构处理的时间要多余集中式体系结构。
  2.云计算技术架构
  针对购买者具有的权限,云计算监控数据管理系统可以为用户提供数据中心及基础设施服务、平台服务、软件服务等三层服务。数据中心是云计算平台的基础硬件设施,基础设施服务只提供虚拟硬件,可以在多个虚拟服务器上提供数据存储服务,购买者根据需要的资源量付费,可以灵活控制成本和管理闲置资源,增加了云平台的利用率。平台服务层则提供远程服务形势的服务器计算资源存储,同时支持多个小组的平台连接。提供的软件可以为多个用户共享,并且可以和其他系统集成开发并流畅使用,这大大减少了传统平台的布设需求,提高效率。云计算的关键技术包括虚拟技术、分散资源管理技术、海量数据存储技术、数据并行编程技术、云平台服务等。
  三、云计算在楼宇智能监控中的应用
  1.云计算技术和楼宇视频监控
  面对现代楼宇越来越大的监控数据信息处理,云计算是必不可少的关键性技术。它可以改变传统平台在多人访问时的缓慢运行状态,这对于具有海量信息的政府机关、国际公司等具有非常显著的效果。它可以使得每一个摄像前端采集的信息不会丢失,真正解决现代楼宇监控系统的数据存储问题。
  2.楼宇智能监控系统中云计算技术的应用
  对于楼宇智能监控系统的设计,首先要考虑的就是如何选择一个具有强大、稳定存储能力的空间,来进行监控数据的逻辑运算和智能分析。云计算不仅具有海量的空间,而且还具有存储动态数据的能力。基于云计算技术的楼宇监控系统,其内嵌的系统构架中,通常有四个层面。
  首先是采集层。简单来说就是监控数据的最初采集以及处理过程,主要的获取方式为摄像前端存储。实现方式为将视频监控即服务置于监控系统中,这样一来楼宇中的监控数据就可以全部接入到一个集中的中央平台,并且可以利用网络技术灵活扩展数据采集模式。其次是传输层。其功能是将云台摄像的基础空间数据通过复杂的传输网络进行数据汇集、传输,是整个监控系统运行的基础。第三是支撑层。提供云计算监控数据管理系统的核心功能,也即是云计算技术提供的平台即服务功能以及基础设施功能,包括了保持云平台正常运行的各项硬件、软件、管理设施和数据存储系统,它可以完成对数据的汇总、分析、运算和挖掘,随即进行下一步工作。最后是应用层。将不同的监控服务布设于云平台上,通过超强的计算能力优化组合多种模式供用户选择,这种强大的组合排列功能将不同需求的服务订阅变为可能,并且灵活简单,容易执行。
  一个成熟的基于云计算的楼宇智能能够监控系统主要包括监控服务器、HadoopMaster服务器,节点,监理终端等(图3)。
  在该系统中,监控服务器的主要功能是采集、汇总、计算和分析数据信息,是系统的处理中枢;HadoopMaster服务器基于分布式基础架构,实现用户需求和文件系统的有序管理,它是一种针对Hadoop数据采集和控制的监控代理;Ganglia服务器主要针对物理层设置,任务是收集云台计算物理层面上的数据信息;节点的设备布设监控系统,而对于楼宇智能监控系统来说,云平台内部有若干的虚拟服务器,使用者通过相应的指令就可以让服务器启动相应的服务,比如查看虚拟机器的运行状态等等。监控终端也就是最终的数据呈现端口,一般是个人电脑,通过WEB网页来展示整个监控系统的运行情况。
  鉴于物理层的数据信息较多,我们选择树形的体系结构来进行监控数据的采集、管控和分析。通过Ganglia服务器,可以实现云平台中的软件集成,利用节点与节点之间的数据连接,精简数据运算模式,减少数据采集次数。所有的数据经过压缩和传输,集中到gmetad节点上,通过运行其中的监控代理,便可以筛选相应的数据信息,也即完成了物理层的数据信息采集工作。
  四、结论
  智能楼宇的安全问题一直都是受到社会大众的普遍关注,如何保证安全的透明度,保证楼宇安全透明运行,是需要不断研究和改进的课题。监控系统以期独有的还原性和真实性,成为楼宇安全防护的重要组成部分,但是现代社会的楼宇智能监控需要强大的计算能力和海量的存储空间才能实现,显然传统的监控系统难以满足楼宇智能监控的需要。利用云计算技术可以为智能监控系统的开发设计提供突破点。采用超强的云计算,和海量存储的云空间,优化数据采集空间架构,就可以实现对监控数据的合理采集。通过云计算技术在楼宇智能监控系统中的应用,合理部署物理层资源,分层构建集中式采集构架,可以看出云计算的应用汇使得监控系统更加性能优良,可靠稳定,而且云计算技术的运行环境并不苛刻,所以成本也很合理,很好的解决了目前楼宇智能监控系统设计中存在的问题,并且节约社会资源和成本,具有较好的实用性和推广性。
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