Автоматизована система аналізу даних відеоспостереження

Яцун, Микола Павлович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6410

Title:	Автоматизована система аналізу даних відеоспостереження
Authors:	Міценко, Сергій Анатолійович Яцун, Микола Павлович
Issue Date:	Jun-2024
Abstract:	У результаті виконання кваліфікаційної роботи розроблено автоматизовану систему аналізу даних відеоспостереження. Основні досягнення даної роботи включають. Проведено детальний аналіз сучасних аналогових та цифрових систем відеоспостереження, що включає вивчення їх архітектури, функціональних можливостей, переваг та недоліків. Розглянуто приклади впровадження відеоспостереження у різних галузях, таких як охорона, транспорт, медицина та промисловість. Виявлено основні тенденції розвитку систем відеоспостереження, зокрема перехід від аналогових до цифрових систем та інтеграція інтелектуальних технологій для аналізу відеоданих. Спроектовано архітектуру комп’ютеризованої системи відеоспостереження, що включає використання модуля ESP32-CAM як основного апаратного компонента. Розроблено схему з'єднання ESP32-CAM з іншими елементами системи, зокрема з камерою OV2640, яка забезпечує якісне відеозображення. Обґрунтовано вибір компонентів системи з урахуванням їх технічних характеристик та вимог до системи відеоспостереження. Впроваджено алгоритми обробки відеоданих у реальному часі для виявлення аномалій та підозрілих подій, що дозволяє оперативно реагувати на загрози. Розроблено інтелектуальні алгоритми для аналізу відеоданих, зокрема для розпізнавання облич, виявлення руху та аналізу поведінки об'єктів. Використано методи машинного навчання та штучного інтелекту для підвищення точності виявлення інцидентів. Таким чином, розроблена автоматизована система аналізу даних відеоспостереження показала свою ефективність і може бути використана для підвищення рівня безпеки на підприємствах та в інших сферах діяльності людини.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6410
Appears in Collections:	174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані системи та компоненти)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Б_151_2024_Яцун.pdf Restricted Access		2.54 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ
СИСТЕМ
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
освітнього ступеня «бакалавр»

на тему: АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА АНАЛІЗУ ДАНИХ
ВІДЕОСПОСТЕРЕЖЕННЯ

Виконав: здобувач вищої освіти 2 курсу,
групи АКІТС-2299
спеціальності 151 Автоматизація та
комп’ютерно-інтегровані технології
Микола ЯЦУН
(ім'я та ПРІЗВИЩЕ)
Керівник Сергій МІЦЕНКО
(ім'я та ПРІЗВИЩЕ)
Рецензент
(ім'я та ПРІЗВИЩЕ)

Черкаси 2024 року

ЗМІСТ

СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ ............................................ 3
ВСТУП ............................................................................................................................ 4
1 КОМПЛЕКСНИЙ АНАЛІЗ СИСТЕМ ВІДЕОСПОСТЕРЕЖЕННЯ ..................... 6
1.1 Аналогові системи відеоспостереження ........................................................... 6
1.2 IP-відеоспостереження ........................................................................................ 9
1.3 Відеокамери у мініатюрному форматі ............................................................. 13
1.4 Приховані бездротові веб-камери з підтримкою WiFi та GSM ..................... 16
1.5 Технології передачі інформації ........................................................................ 18
2 АРХІТЕКТУРА КОМП'ЮТЕРИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ
ВІДЕОСПОСТЕРЕЖЕННЯ ........................................................................................ 30
2.1 Аналіз архітектур та проектування системи відеоспостереження ............... 30
2.2 Обґрунтування вибору та аналіз технічних характеристик модуля ESP32-
CAM .................................................................................................................... 35
2.3 Характеристики камери OV2640 ..................................................................... 40
2.4 Схема системи відеоспостереження з можливістю ідентифікації облич .... 43
3 ОПТИМІЗАЦІЯ АНАЛІЗУ ДАНИХ АВТОМАТИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ
ВІДЕОСПОСТЕРЕЖЕННЯ ........................................................................................ 48
3.1 Інтелектуальний моніторинг даних відеоспостереження ............................. 48
3.2 Оптимізація зберігання даних відеомоніторингу ........................................... 50
3.3 Моделювання розташування камер відеоспостереження ............................. 56
ВИСНОВКИ ................................................................................................................. 60
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ .................................................................... 62

ЧДТУ.242273.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Яцун Автоматизована система Літ. Лист. Листів
Перевір. Міценко аналізу даних 2 62
Реценз. відеоспостереження.
Н. Контр. Пояснювальна записка ЧДТУ, АКІТС-2299
Затверд. Лукашенко

СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ

CCD (Charge-Coupled Device) – Спеціалізована аналогова інтегральна
мікросхема, що складається з світлочутливих фотодіодів, виконана на основі
кремнію
CCTV (Closed-Circuit Television) – Закрита система відеоспостереження
DVR (Digital Video Recorder) – Цифровий відеореєстратор
FOV (Field of View) – Поле зору
FPS (Frames Per Second) – Кадрів в секунду
HTTPS (Hypertext Transfer Protocol Secure) – Безпечний протокол передачі
гіпертексту
NVR (Network Video Recorder) – Мережевий відеореєстратор
PoC (Power over Coax) – Живлення через коаксіальний кабель
PoE (Power over Ethernet) – Живлення через Ethernet
PTZ (Pan-Tilt-Zoom) – Поворот-нахил-збільшення
SMB (Server Message Block) – Протокол передачі повідомлень на сервер
VMS (Video Management System) – Система управління відео
АЦП – Аналого-цифровий перетворювач
КС – Комп’ютерна система
ЛКМ – Локальна комп’ютерна мережа
ПЗ – Програмне забезпечення
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 3
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ВСТУП

Актуальність теми. Головна мета використання систем відеоспостереження
полягає в підвищенні рівня безпеки. Основною функцією таких систем є здійснення
нагляду за конкретними об'єктами або суб'єктами та, у разі необхідності, виявлення
подій, що відбуваються на місці спостереження. Візуальний огляд є більш
ефективним способом забезпечення контролю над територією і дозволяє докладно
проаналізувати ситуацію з різних точок зору. Прагнення захистити власність та
близьких змушує використовувати передові системи охоронної безпеки. Проте
використання таких систем не обмежується лише сферою безпеки, але також
застосовується у різних галузях, зокрема у сфері медицини, де вони
використовуються для постійного моніторингу пацієнтів у важкому стані, а також
у сфері дорожнього руху для фіксації порушень і упізнання номерів транспортних
засобів.
Актуальність автоматизованих систем аналізу даних відеоспостереження в
сучасному світі пояснюється зростанням об'ємів відеоданих, які потребують
обробки та аналізу для забезпечення безпеки, ефективності та оптимізації
діяльності в різних сферах життя. Ці системи дозволяють автоматизувати процеси
виявлення аномальних подій, відстеження об'єктів та осіб, аналіз поведінки та
забезпечення оперативного реагування на потенційні загрози. В умовах постійно
зростаючого обсягу відкритих та закритих просторів, які потребують нагляду,
автоматизовані системи аналізу даних відеоспостереження стають необхідним
інструментом для забезпечення безпеки та ефективності в різних сферах,
включаючи громадський транспорт, промисловість та громадську безпеку.
Мета роботи – впровадження системи відеоспостереження, що включає
вибір необхідного обладнання, встановлення камер, а також інтеграцію з
існуючими системами безпеки та контролю.
Для досягнення поставленої мети потрібно вирішити наступні завдання:
− Аналіз потреб в системі IP-відеоспостереження, визначити основні цілі та
очікувані результати від впровадження системи.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 4
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− Розробка технічного завдання для системи відеоспостереження,
включаючи параметри, такі як кількість камер, їх розташування, вимоги
до якості зображення та систему зберігання записів.
− Дослідження ринку систем відеоспостереження та вибір найбільш
підходящих виробників обладнання.
− Створення проекту системи відеоспостереження, що включає план
розстановки камер, налаштування мережі, інтеграцію з існуючими
системами безпеки.
Об'єктом дослідження є процеси збору, обробки, зберігання та аналізу
відеоданих з метою підвищення рівня безпеки та оперативності реагування на
інциденти.
Предметом дослідження є автоматизована система аналізу даних
відеоспостереження

Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 5
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1 КОМПЛЕКСНИЙ АНАЛІЗ СИСТЕМ ВІДЕОСПОСТЕРЕЖЕННЯ

У сучасному світі відеоспостереження стало невід'ємною частиною
комплексних систем безпеки. Сучасні системи відеоспостереження не лише
транслюють і записують відео, але й можуть автоматично реагувати на
нестандартні ситуації. Вони поділяються на аналогові та цифрові. Аналогові
системи використовуються для невеликих приміщень, де відео записується на
відеомагнітофон.
Цифрові системи, зокрема IP-системи, інтегруються в розподілені системи
безпеки, аналізують інформацію з камер і можуть автономно або за допомогою
оператора приймати рішення щодо захисту об'єкта. Цифрові системи
відеоспостереження все частіше витісняють аналогові завдяки своїм
функціональним та технічним перевагам, а також зниженню вартості, яка вже
наближається до вартості аналогових систем.
Комплектація системи залежить від вимог замовника і може включати
пристрої обробки відеосигналів, записуючі пристрої (відеореєстратори,
відеомагнітофони), відеокамери та відеомонітори. Великі системи можуть мати
додаткові керуючі і допоміжні пристрої, такі як клавіатури управління камерами,
модулятори, матричні комутатори, підсилювачі-розподільники, відеопринтери,
телеметричні приймачі та датчики.
Сучасні системи відеоспостереження – це мережі елементів, з'єднаних між
собою через радіохвилі або кабелі. Залежно від приладів, що входять до системи,
відеоспостереження поділяється на безпроводові та провідні. Вибір системи
залежить від характеристик об'єкта (розмір території, наявність пропускної
системи тощо). В цілому, цифрові системи перевершують аналогові за багатьма
показниками, хоча їх вартість може бути значно вищою.

1.1 Аналогові системи відеоспостереження
У минулому столітті система відеоспостереження складалася з аналогових
камер, моніторів і мікшерів.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 6
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 1.1 – Аналогова камера відеоспостереження PoliceCam PC-423AHD, 2 Мп

Однак сучасне охоронне відеоспостереження швидко витісняє старі системи,
і в багатьох комплексах аналогові системи вже не використовуються, оскільки
майже повністю перейшли на цифровий формат. Схема роботи аналогових систем
відеоспостереження зображена на рисунку 1.2.

Рисунок 1.2 – Схема аналогової системи відеоспостереження

Тенденція розвитку цифрових технологій ніколи повністю не витіснить
аналогову апаратуру, так само як цифрова фотографія не замінить фотодрук. Хоча
аналогові сигнали мають кілька недоліків, таких як низька завадостійкість,
неефективність, складність запису і обробки цифрових сигналів та втрата сигналу,
охоронні системи відеоспостереження все ще використовують аналогові камери.
Встановлення відеоспостереження на базі аналогових камер залишається
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 7
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

популярним. Незважаючи на недоліки аналогового відеоспостереження, воно має
певні позитивні аспекти. Основою таких систем є аналогові відеокамери, об'єднані
в мережу зі спеціальними пристроями для зберігання інформації та її виведення,
мультиплексорами і відеореєстраторами. Аналоговий сигнал з камери надходить до
відеореєстратора, що дозволяє налаштовувати режими управління системою,
записувати та виводити інформацію на монітори. Мультиплексор у цій системі
використовується для одночасної обробки та отримання сигналів з кількох камер,
що значно спрощує структуру мережі. Інформація з аналогових систем
відеоспостереження зберігається на магнітних носіях. Велика кількість
взаємодіючих приладів є недоліком такої системи, роблячи її громіздкою та
незручною порівняно з цифровими чи змішаними системами.
Відеокамера є «очима» системи, перетворюючи світловий потік в
електричний сигнал, пропорційний інтенсивності світла. Дані з відеокамери
можуть передаватися наступним пристроям через дроти (вита пара, коаксіальний
кабель, оптоволокно) або за допомогою радіозв'язку в гігагерцовому діапазоні. В
аналогових системах для ефективного управління камерами застосовуються такі
пристрої, як мультиплексори, перемикачі (квадратори) та матричні системи.
Мультиплексор є сучаснішим пристроєм, що дозволяє одночасно записувати
з кількох джерел відеосигналу і виводити на один монітор зображення з кількох
камер. Він також може включати детектор руху, на відміну від квадратора. Матричні
системи є наступним етапом розвитку мультиплексорів і використовуються на
підприємствах з великою кількістю камер та кількома операторами.
Основною відмінністю монітора для відеоспостереження від звичайного
телевізора є висока роздільна здатність та чіткіше зображення. Люмінофор, який
використовується в таких моніторах, має підвищену стійкість, оскільки зображення
може залишатися нерухомим протягом багатьох годин.
Для систем відеоспостереження зазвичай використовують спеціальні
пристрої запису, які записують на стандартну відеоплівку, але розраховані на
тривалий час запису, тому не завжди потрібна плавність зображення з частотою 25
кадрів на секунду. Найчастіше використовуються відеомагнітофони класу TLVR,
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 8
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

які дозволяють «розтягнути» стандартну тригодинну плівку до 960 годин.
Швидкість протягання плівки змінюється поетапно (3 години, 12 годин, 24 години,
48 годин тощо). Крім цього, такі системи можуть одночасно записувати зображення
з кількох відеокамер. Всі аналогові відеокамери оснащені ПЗЗ-матрицею, яка
формує відеосигнал зі світлового потоку, що проходить через об'єктив і групу лінз.
Об'єктиви для камер відеоспостереження встановлюються для збільшення
дальності роботи, покращення технічних параметрів та адаптації камери до
конкретних умов. Для спостереження за рухомими об'єктами використовують
об'єктиви зі змінною фокусною відстанню (трансфокатори), а в умовах змінної
освітленості - об'єктиви з автодіафрагмою. На приховані камери встановлюються
об'єктиви типу Pin-Hole.
Для розширення кута огляду і стеження за рухомими об'єктами камери
встановлюють на поворотні пристрої, які переміщують камеру в горизонтальному
і вертикальному напрямках, дозволяючи оператору спостерігати за великою
територією. Базовий блок здійснює постійний контроль за наявністю та справністю
всіх модулів і клавіатур у системі, а за потреби будь-який модуль може бути доданий
або вилучений. Пристрої запису відеоінформації (відеомагнітофони,
відеореєстратори, відеосервери) призначені для запису, зберігання та відтворення
зображень з камер. Цифрові відеореєстратори (DVR) записують відеоінформацію у
цифровому форматі безпосередньо на жорсткий диск. Сучасні цифрові
відеореєстратори оснащені детекторами руху, що автоматично записують відео при
виявленні руху, а також мають мережеву плату для підключення до системи
відеоспостереження через LAN/WAN. Відеореєстратори бувають одноканальними
та багатоканальними (4, 6, 8, 16 каналів). Монітори для виведення зображення і
перегляду архівів можуть бути побудовані на основі променевої трубки або РК-
матриці.

1.2 IP-відеоспостереження
IP відеоспостереження є одним з найпоширеніших методів у сучасних
системах спостереження та охорони.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 9
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 1.3 - IP-камера Hikvision DS-2CD1121-I

Майже всі великі виробники електронних товарів прагнуть зробити свою
техніку сумісною з IP. IP (Internet Protocol) забезпечує міжмережеву взаємодію,
дозволяючи підключати пристрої до мережі та взаємодіяти з комп'ютером за
допомогою програмного забезпечення. У сучасних системах безпеки
використовується IP-відеоспостереження, а також новітні системи виявлення і
аналізу об'єктів та автоматичного розпізнавання номерних знаків автомобілів.
Встановлення відеоспостереження на основі IP дозволяє об'єднати відеокамери
через існуючу мережу, а доступ до камер можна здійснити безпосередньо з
комп'ютера, просто ввівши IP-адресу камери.

Рисунок 1.4 – Схема IP-відеоспостереження
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 10
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Монтаж відеоспостереження займає небагато часу, оскільки камери швидко
встановлюються. IP-відеоспостереження можна використовувати як всередині
приміщень, так і на вулиці. Для зовнішнього спостереження необхідно
використовувати спеціальні кожухи та об'єктиви. Камери для IP-
відеоспостереження мають функції передзапису і післязапису (за сигналом
тривоги), для чого використовується карта пам'яті.
Існує декілька типів IP-відеокамер: високочутливі, купольні, панорамні, з
високою роздільною здатністю 1280х1024 пікселів та швидкістю до 30 кадрів на
секунду. Всі вони використовуються для систем безпеки та спостереження. Для
роботи в умовах підвищеної вологості і низьких температур випускаються
спеціальні кожухи для IP-камер. Існують навіть антивандальні кожухи для міського
використання.
Монтаж відеоспостереження з використанням IP зазвичай здійснюється
разом із організацією локальних мереж. Наша компанія розробляє проекти не
тільки для IP-відеоспостереження, але й комплексні рішення для організації
безпеки, такі як системи контролю доступу, автоматизовані парковки або АТС
телефонія. IP-системи відеоспостереження активно входять у повсякденне життя і
вважаються передовою технологією у сфері охоронних систем. Ці сучасні і
надзвичайно зручні системи використовуються в різних установах і об'єктах -
банках, вокзалах, школах, медичних закладах, адміністративних будівлях,
ресторанах, готелях, аеропортах, магазинах.
IP відеоспостереження представляє собою систему, побудовану на мережевих
відеокамерах і відеосерверах, які не тільки фіксують відеозображення, а й
передають цю інформацію через Інтернет, бездротову і локальну мережу.
Зафіксовану інформацію можна переглянути на будь-яких пристроях з доступом до
Інтернету.
Головна перевага IP технології полягає в можливості створення мереж
відеомоніторингу, безпеки, контролю та дистанційного керування без прив'язки до
відстані. IP-системи відеоспостереження дуже масштабовані та гнучкі, вони
дозволяють здійснювати інтелектуальний аналіз і забезпечують негайний доступ до
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 11
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

відеоданих. У майбутньому ці системи надають необмежені можливості для
модернізації програмного забезпечення. Технічні переваги створюють попит на цю
продукцію. Особливо цінується можливість віддаленого моніторингу та управління
системою безпеки практично з будь-якої точки світу. Якість зображення таких
камер дуже висока, а сигнал передається майже миттєво. За допомогою комп'ютера
і програмного забезпечення можна створити повноцінну і функціональну систему
відеоспостереження.
Програмне забезпечення для IP-відеоспостереження є програмним пакетом
для IP-пристроїв, який дозволяє керувати відеореєстратором, здійснювати запис у
різних дозволах, а також використовувати кілька пристроїв для зберігання та
архівування інформації для більш ефективного захисту. Такі програмні пакети
підтримують кілька мов і можуть автоматично оновлюватися, прикладами є
Samsung SNS-SF001, SmartecNetStation 4, AVerMedia NXU8032.
IP-камера – це цифровий пристрій, що не лише знімає відео, але також
оцифровує, стискає та передає інформацію по мережі.
IP-камера складається з таких компонентів:
− об'єктив;
− ПЗС-матриця;
− оптичний фільтр;
− плата відеозахоплення;
− блок стиснення зображення;
− вбудований веб-сервер і центральний процесор;
− оперативна пам'ять (ОЗУ);
− флеш-пам'ять;
− мережевий інтерфейс;
− послідовні порти;
− тривожні виходи/входи.
IP-камера підключається до Інтернету або локальної мережі через порти
Ethernet. Потім камері призначається IP-адреса. Завдяки програмному
забезпеченню для FTP-сервера, веб-сервера або клієнта електронної пошти, камера
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 12
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

працюватиме автономно. Це і є головною відмінністю IP-камери від звичайних
камер, які потребують безпосереднього підключення до ПК через USB порти. Крім
того, IP-камери можуть працювати з JAVA-аплетами та користувацькими
скриптами. Стиснення відеоінформації в IP-камерах може бути як програмним, так
і апаратним. Програмна компресія є дешевшою, але через високу обчислювальну
ємність алгоритмів стиснення, вона не така ефективна, особливо якщо є потреба
переглядати відео в режимі онлайн.

1.3 Відеокамери у мініатюрному форматі
Камери прихованого спостереження, встановлені у будинку, виконують
різноманітні функції, які стосуються як системи безпеки, так і інших обов'язків:
1. Вони виявляють несанкціоноване проникнення сторонніх осіб в будинок
або на прибудинкову територію, забезпечуючи ефективне стеження за
потенційними зловмисниками. Деякі модифікації навіть оснащені
сервоприводом кріплення для автоматичного обертання та системою
автоматичного фокусування на стеженні за об'єктом.
2. Через центральний блок управління, якщо виникає вторгнення,
надсилається сповіщення на мобільний пристрій власника, незалежно від
того, чи перебуває він в будинку, чи далеко від нього. Існує також
можливість автоматичної передачі сигналу тривоги в місцеве відділення
поліції, якщо центральний процесор розумного будинку підключений до
пульта екстреної служби.
3. Крім охоронних функцій, камери прихованого спостереження в системі
"розумний дім" можуть виконувати додаткові завдання:
− Вони можуть діяти як відеодзвоники, сповіщаючи мобільні пристрої
власника про прибуття машини або особи до будинку. Відповідно до
цього власник може вирішувати, відкривати ворота або дверний замок,
чи ні.
− Деякі моделі міні-відеокамер реагують на рівень освітленості,
активуючи інфрачервоне підсвічування при зниженні освітленості та
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 13
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

керуючи освітленням на прибудинковій території або всередині
будинку.
− Вони дозволяють віддалено стежити за дітьми або домашніми
тваринами, які залишилися вдома.
− За допомогою центрального блоку камера може відкривати розумні
дверні замки при наближенні мешканців до будинку та розпізнавати
номери автомобілів власника, відкриваючи перед ним в'їзні ворота.
Таким чином, мініатюрні відеокамери не лише виконують функції
прихованого спостереження, але також можуть виконувати функції звичайних
камер відеоспостереження, що підключені до системи «розумний будинок».
Особливості мініатюрних відеокамер
На сьогоднішній день існує велика різноманітність моделей камер
прихованого спостереження для встановлення у будинку. Кожна з них має свою
унікальну конструкцію та експлуатаційно-технічні характеристики. Мініатюрні
відеокамери можна класифікувати за наступними параметрами:
1. Оптична роздільна здатність у пікселях. Деякі міні-камери забезпечують
чітке відображення особи з відстані кількох десятків метрів, спрощуючи
подальшу ідентифікацію зловмисників.
2. Розміри. Чим компактніше пристрій, тим легше приховати його від
поглядів і зробити його менш помітним.
3. Кут огляду зображення. Чим ширший кут огляду камери, тим менше
пристроїв буде потрібно для забезпечення повного відеоконтролю над
охоронюваною територією.
4. Кольоровість. Камери можуть бути монохромними або кольоровими.
Перший варіант є більш бюджетним і економить обсяг трафіку при
передачі, але забезпечує меншу якість зображення.
5. Час автономної роботи від джерел живлення. Сучасні моделі можуть
працювати в режимі спостереження до 400 годин від однієї батареї, не
потребуючи підзарядки. Для економії енергії деякі камери мають датчик
руху, що активує їх лише при виявленні переміщення в зоні відстеження.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 14
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

6. Наявність інфрачервоного підсвічування для роботи в умовах обмеженої
видимості. Це визначає можливість пристрою працювати вночі або в
затемнених приміщеннях.
7. Наявність вбудованої карти пам'яті для запису зображення. Це дозволяє
пристрою автономно вести запис, не залучаючи додаткові обсяги пам'яті
на центральному сервері.
8. Спосіб кріплення - рухомий або нерухомий. Рухома відеокамера дозволяє
значно розширити кут огляду, а деякі моделі навіть забезпечують
обертання на 360 градусів.
9. Вартість. Вартість пристрою залежить від набору вбудованих функцій:
чим більш технологічна камера, тим вона дорожча.
10. Можливості інтеграції з додатковими датчиками і автономного зв'язку з
користувачем. Це значно розширює технічні можливості прихованої веб-
камери.

Рисунок 1.5 – SQ11 Night Vision

Типи та популярні моделі мініатюрних відеокамер:
1. SQ-11 NIGHT: Ця камера має кут огляду 140 градусів, може працювати
без перерви до 25 годин без підзарядки, записує в Full-HD, підтримує
передачу даних через WiFi та має нічний режим.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 15
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

2. Smart-Microcam ZX7: Забезпечує автономну роботу у режимі очікування
до 1 року. Має кут огляду 120 градусів, вбудований датчик руху та режим
нічного спостереження.
3. Q9S-Professional: Ця надмалих веб-камера має кут огляду в 155 градусів,
роздільну здатність Full-HD і вбудований датчик руху.
Приховані камери широко використовуються для різних цілей, таких як
контроль за нянею для спокою батьків, забезпечення безпеки будинку або як засіб
навчання для дистанційної роботи співробітників. Ці пристрої можуть служити
доказом у разі виникнення проблем, таких як крадіжки чи несправності, і
допомагають ефективно організувати робочий процес.

1.4 Приховані бездротові веб-камери з підтримкою WiFi та GSM
Для інтеграції міні-камери в систему розумного будинку можна скористатися
двома методами:
1. Провідний метод: цей застарілий спосіб потребує підключення камери до
центрального сервера за допомогою кабелів. Проте цей метод може бути
досить складним, оскільки не лише сама камера, але й кабельна проводка
має бути прихована для забезпечення конфіденційності та безпеки.
2. Бездротовий метод: цей варіант не вимагає провідного підключення і є
найзручнішим для з'єднання міні-камери з головним сервером розумного
будинку. Бездротові міні-камери передають зображення на центральний
блок через WiFi або GSM з'єднання. У разі використання WiFi, камера
підключається до домашньої мережі, а з GSM-з'єднанням вона
користується мобільною мережею через вбудований модуль GSM.
Міні-камери, які працюють через GSM, володіють здатністю функціонувати
як всередині будинку, так і за його межами. Це означає, що вони можуть бути
використані для відеоспостереження не лише усередині приміщень, а й на
відкритих територіях навколо будинку. Однак, для надійної роботи таких камер
необхідний стійкий сигнал мобільної мережі, оскільки вони використовують GSM-
з'єднання для передачі даних.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 16
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 1.6 – IP-камера Xiaomi MiJia 1080P 360

Незважаючи на ці переваги, міні-камери, що працюють через GSM, мають
свої недоліки. Одним із найбільших недоліків є необхідність оплати передачі даних
через мобільну мережу. Це може призвести до додаткових витрат для власника
системи відеоспостереження. Крім того, обмеження в розмірі передачі даних може
обмежити можливості використання таких камер у великих системах або при
великій кількості одночасно відправлених даних.
У порівнянні з цим, міні-камери, які працюють через WiFi, мають свої
переваги. Основна з них - відсутність необхідності оплати за трафік даних, оскільки
вони підключаються до домашньої WiFi-мережі. Це може значно зекономити кошти
власників систем відеоспостереження на оплату мобільного інтернету. Крім того,
WiFi-камери зазвичай забезпечують більш стабільну передачу зображення в
порівнянні з GSM-камерами.
Проте, слабкий сигнал WiFi може стати перешкодою для ефективного
використання таких камер, особливо на великих відстанях від маршрутизатора або
у присадибних територіях. Це може призвести до обмеження їх використання або
потребу у додаткових пристроях для посилення сигналу. Крім цього, існують
аналогові камери та бездротові веб-камери, які також користуються попитом і
можуть бути інтегровані в систему розумного будинку[5].
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 17
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1.5 Технології передачі інформації
Провідні технології передачі данних
Переваги провідних технологій передачі даних:
1. Надійність: Провідні комунікаційні системи в системах автоматизації
будинку є найбільш надійними, оскільки вони використовують спеціально
виділене та ізольоване середовище для передачі сигналу.
2. Швидкість відгуку: Ці системи мають велику швидкість відгуку, що
підвищує тактильний комфорт під час використання. При передачі
сигналу по спеціальних проводах швидкість відгуку досить висока,
оскільки ця система, якщо правильно спроектована, є помехозахищеною
та надійною.
3. Сумісність: Використання провідних систем спрощує інтеграцію з
обладнанням, що відповідає за підтримку клімату та мультимедійних
пристроїв, порівняно з безпроводовими системами.
4. Довговічність: Провідні системи мають довгий термін служби, оскільки
не вимагають частої заміни батарейок.
5. Пожежна безпека: Всі вимикачі є електро- та пожежобезпечними, а також
слабкострумовими.
Найпоширеніші провідні середовища передачі.
RS-232/422/485 – це одні з перших представників в цій області, які мають
різну швидкість передачі даних. RS-232 має швидкість від 300 до 115 200 біт на
секунду, а RS-422 та RS-485 – до 10 Мбіт. Ці середовища часто використовуються
в системах клімат-контролю, вентиляції, відеоспостереження, а також для
управління басейнами та воротами. Багато побутової техніки, такої як плеєри CD /
DVD / Blu-Ray, телевізори тощо, також підтримують RS-232.
Ethernet, як фізичне середовище передачі даних, на сьогоднішній день
вважається одним з найзручніших. Вона легко інтегрується з вже існуючими
мережами, що є перевагою, але одночасно може бути й недоліком, оскільки
пристрої автоматизації стають залежними від працездатності цієї мережі.
Наприклад, відомі випадки «падіння» системи автоматизації через мережеві
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 18
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

шторми, викликані вірусами. Деякі пристрої також можуть бути вразливі до атак
методом перебору паролів. Через ці обмеження багато установників розділяють
мережі фізично, щоб мати дві окремі мережі - одну для автоматизації
інфраструктури та іншу для передачі даних. Тенденція використання пристроїв з
Ethernet у системах автоматизації постійно зростає. За допомогою перетворювача з
Ethernet в інші стандарти, такі як RS-232/422/485, CAN, LonWork, KNX, BackNet
тощо, можна легко інтегрувати ці пристрої або шини в Ethernet. Таким чином,
Ethernet стає основною сполучною шиною для всіх інших систем.
Ця технологія має велику кількість контролерів, мікропроцесорів, окремих
чіпів та готових пристроїв з вбудованим Ethernet. Порт Ethernet може бути легко
інтегрованим в різноманітні пристрої, такі як ресивери, телевізори та побутова
техніка. Мінімальна швидкість передачі даних складає 10/100 Мбіт/с, що є
достатньою для всіх завдань домашньої автоматизації. Технологія Ethernet
відзначається високою надійністю та помехозахистом при великій кількості
сегментів в будинку.
Ethernet має всі необхідні механізми для вирішення "колізій" та контролю
цілісності передачі даних. Обладнання для організації мережі (комутатори,
маршрутизатори) легко доступне та недороге. Практично, Ethernet є одним з
основних стандартів для організації високошвидкісного обміну інформацією між
різними пристроями вдома та в офісі.
Керування пристроями можливе як безпосередньо, так і за допомогою
спеціального обладнання (сервера). Ethernet не обмежує тип мережі, тому всі
пристрої можуть спілкуватися безпосередньо один з одним і залишаються
доступними для керування навіть у разі неполадок з основним контролером.
Багато провідних компаній, що пропонують системи домашньої
автоматизації, поступово переходять на технології Ethernet та TCP/IP для деяких
лінійок продуктів через їх відносну дешевизну, зручність та швидкість
впровадження. Крім того, обладнання для Ethernet, таке як роз'єми, кабелі.
Силова лінія вважається одним із найбільш перспективних середовищ
передачі даних, оскільки вона присутня в будь-якому місці, де є електрика, що дуже
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 19
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

зручно. На сьогоднішній день на ринку автоматизації є різні протоколи, такі як X10,
які, хоча й не позбавлені недоліків, мають свою аудиторію.
Крім того, існує велика кількість компаній, які винайшли власні шини
передачі даних, такі як CAN, KNX, BacNet, Domintell, BusPro, LonWork, HDL і інші.
Це, в основному, різновиди RS-485 або Ethernet, але більш надійні та передбачувані.
Цей підхід сприяє підвищенню якості обладнання, що виготовляють сторонні
компанії за ліцензією, а також уникненню конкуренції в межах власної шини.
Головне перевага такого підходу полягає у відділенні шини автоматизації від
загальної мережі, керування якою здійснюється через спеціальний шлюз-
перетворювач.
Провідні комунікації в системах автоматизації на сьогоднішній день є
найбільш ефективним рішенням, оскільки вони забезпечують високу надійність і
швидкість передачі даних. Однак при побудові таких систем виникає значна
складність, оскільки потрібно витрачати багато часу на проектування, прокладку і
тестування цілісності провідних комунікацій. Часто люди відмовляються від
автоматизації через пізнє розуміння необхідності, а прокладання кабелів вимагає
повторного ремонту. Тому об'єкти автоматизації зазвичай проектуються та
створюються під час будівництва або ремонту.
Технологія 1-wire відома вже більше 20 років і широко використовується як в
побуті, так і в промислових системах. Вона представляє собою мережу, до
головного пристрою якої підключається безліч пристроїв через двожильний кабель,
такі як різноманітні датчики, виконавчі ключі, лічильники, зчитувачі і багато
іншого. Один провід використовується для передачі даних, а другий - для
зворотного. Топологія такої мережі зазвичай є загальною шиною, що означає, що
один кабель проходить через всі пристрої. Більшість компонентів можуть
працювати без зовнішнього живлення, використовуючи так зване паразитне
живлення, яке забирає енергію з шини даних.
Кабелі для технології 1-wire можуть бути недорогими та включати виту пару
або дешевий телефонний кабель. Однак низькі вимоги до середовища передачі
даних призводять до обмежень, наприклад, максимальна швидкість передачі даних
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 20
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

за цією технологією становить 15,4Кбіт/с в звичайному режимі (до 125Кбіт/с в
режимі Overdrive). Незважаючи на це, для передачі команд ключам та отримання
коротких відповідей датчиків цього вистачає для нормального функціонування
системи.

Рисунок 1.7 – Топологія загальна шина

Між переваг технології 1-wire включаються:
− Низькі вимоги до кабелів і низька вартість та простота компонентів.
− Велика довжина лінії.
− Проста та зрозуміла архітектура мережі.
− Відкритий протокол та наявність програмного забезпечення для
програмування.
− Можливість у певних ситуаціях обходитися без живлення.
− Недоліки технології 1-wire включають:
− Низька швидкість передачі даних.
− Обов'язкова наявність майстра, що керує мережею.
Поглибимося в недоліках цієї мережі. Компоненти 1-wire не можуть
надсилати дані в мережу без спеціального запиту та не можуть взаємодіяти без
«активного» ведучого. Усі елементи мережі завжди відомі, а в мережі 1-wire може
бути лише один майстер. Тільки він керує роботою мережі та підключених
пристроїв, може взаємодіяти з ними та отримувати від них інформацію. Це може
призводити до низької швидкості передачі даних, оскільки тільки один пристрій
може відповідати майстру.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 21
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Ця схема, яка ґрунтується на відносині master-slave (ведучий-ведений), не є
надійною, оскільки при несправності ведучого або проблемах з програмним
забезпеченням система може перестати працювати.
Для підвищення надійності системи 1-wire можна використовувати
мікроконтролери або промислові контролери, а також більш тщательно працювати
з кабелями та модулями.
Технології, як Modbus або CAN, можуть бути більш надійними, але
складнішими у використанні. Готові рішення на основі таких шин і протоколів
існують, але вони часто коштують дорого.
Класифікація пристроїв за функціональними характеристиками:
1. Передавачі: Ці пристрої дозволяють передавати спеціальні командні коди
в форматі Х10 через електромережу. Сюди входять таймери, які
активуються в заданий час; модулі, які виконують програми для
управління електроприладами; датчики температури, освітленості, руху
та інші, які надсилають відповідні сигнали при настанні певних подій.
1. Приймачі: Ці пристрої приймають команди Х10 та виконують їх,
вмикаючи або вимикаючи освітлення, регулюючи його яскравість тощо. У
кожного приймача є селектори для налаштування його адреси: 16
можливих кодів будинку (від A до P) та 16 можливих кодів модуля (від 1
до 16), що відповідає 256 різним адресам.
2. Трансивери: Ці пристрої приймають сигнали від інфрачервоних або
радіопультів дистанційного керування і передають їх в електромережу у
форматі Х10.
3. Пульти дистанційного керування: Вони дозволяють керувати пристроями
Х10 за допомогою інфрачервоного або радіоканалу. Універсальні пульти
ДК найзручніші, оскільки дозволяють керувати не лише пристроями Х10,
а й аудіо- та відеоапаратурою.
4. Вимірювальне устаткування: Це обладнання, яке використовується для
вимірювання рівнів корисних сигналів Х10 та перешкод в електромережі
під час монтажу та пуско-налагоджувальних робіт.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 22
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

5. Лінійне устаткування: Сюди входять повторювачі/ретранслятори
сигналів, блокатори сигналів, фільтри проти перешкод та інше, що
підвищують надійність та безвідмовність системи. Хоча в простих
системах це може бути зайвим, варто мати таке устаткування для
підстрахування.
Переваги технології Х10:
− Низька вартість початкового комплекту та можливість легкої розширення.
− Більшість пристроїв не потребують додаткових проводів та готові до
роботи після включення в стандартні розетки.
− Не потрібні спеціальні знання або навички для початкового рівня
автоматизації.
− Широкий асортимент сумісних пристроїв від різних виробників.
Недоліки протоколу Х10:
− Низька швидкість передачі інформації.
− Недостатня захищеність від перешкод.
− Можливість помилкового спрацьовування.
− Відсутність зворотного зв'язку.
− Конфлікти між пристроями різних виробників.
− Можливість несанкціонованого доступу до пристроїв через
електромережу.
Безпроводові технології передачі данних
Бездротові технології мають свої переваги, які можуть стати недоліками для
провідних систем:
1. Можливість установки в готові квартири та будинки: Завдяки повністю
бездротовим вимикачам, які працюють на батарейках та відправляють
сигнали виконавчим пристроям, можна розташувати їх там, де це зручно.
2. Мінімізація кількості проводів: Бездротові системи дозволяють уникнути
викладення багатожильних кабелів.
3. Можливість виконання без попереднього проектування: Зазвичай не
потрібно проводити попереднє проектування системи автоматизації.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 23
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

4. Наявність на ринку великої кількості доступних систем за низькою ціною.
У порівнянні з провідними системами, бездротові середовища передачі
сигналів можуть бути встановлені в будь-який момент з мінімальним втручанням у
дизайн інтер'єру. Немає потреби в додатковому обладнанні для приміщення. Однак
бездротові пристрої мають обмежений радіус покриття, існують "мертві" зони і
можуть виникати конфлікти з іншими бездротовими пристроями. Наприклад, для
великих об'єктів може знадобитися встановлення репітерів. Також слід враховувати
можливість конфліктів з іншими бездротовими пристроями.
Технологія Wi-Fi.
Wi-Fi (бездротовий інтерфейс) – одна з найпопулярніших мереж, яка
використовується в будинках та бізнес-середовищах. Об'єднана федеральна комісія
із зв'язку виділила радіочастотний спектр для використання в 1985 році. У 1990 році
був прийнятий стандарт 802.11, який очолив Віктор Хейс. Після об'єднання з Nokia
та Motorola Wi-Fi був представлений у 1997 році. Для надання послуг з
електронними пристроями була створена асоціація сумісності бездротових мереж
(WECA), яка назвала цей стандарт Wi-Fi. Wi-Fi базується на протоколі OSI,
використовуючи фізичні та MAC-підрівні. Максимальна швидкість передачі даних
802.11 складає 2 Мбіт / с, а 802.11n, випущений у 2007 році, забезпечує швидкість
60 Мбіт / с. Остання версія забезпечує швидкість передачі даних 250 Мбіт / с. Wi-
Fi використовує технологію «розширеного спектру», в якій сигнал розбивається на
менші частини і передається через кілька частот. Сигнали, розбиті на менші
частини, відбиваються від стін і перешкод, що дозволяє уникнути багатопроменевої
інтерференції. Однією з основних переваг Wi-Fi є зменшення багатопроменевої
інтерференції. Незважаючи на свої переваги, у Wi-Fi є недоліки, такі як недостатня
безпека, обмеження швидкості, дальності та надійності.
Технологія Bluetooth використовує робочу частоту 2,4 ГГц та відрізняється
від Wi-Fi більш низьким рівнем енергоспоживання. Її унікальність полягає у
здатності з'єднувати не лише комп'ютери, але й малі пристрої, такі як планшети,
навушники та інші. Однак діапазон покриття Bluetooth відносно менший, ніж у Wi-
Fi. Це пояснюється відсутністю в Bluetooth додаткових антен, що охоплюють великі
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 24
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

області, на відміну від Wi-Fi. Bluetooth використовує технологію з розширеним
спектром стрибкоподібної перебудови частот для боротьби з перешкодами. Вона
широко застосовується у повсякденному житті, таких як безпровідний зв'язок та
бездротові аксесуари. Одним з типових застосувань є передача даних між
мобільними телефонами та ноутбуками. Bluetooth використовує два основних
принципи: «запит» і «запит сканування». Для передачі даних відбувається процес
підключення між головним та підпорядкованим пристроями, що значно спрощує
передачу даних на коротких відстанях.
Технологія бездротової передачі даних Zigbee розроблена як глобальний
стандарт для задоволення унікальних потреб недорогих та малопотужних
бездротових мереж Інтернету речей (IoT). Вона працює відповідно до фізичних
специфікацій IEEE 802.15.4 і функціонує в неліцензійних смугах, включаючи
2,4 ГГц, 900 МГц і 868 МГц.
Згідно зі стеком протоколів Zigbee, який базується на специфікації 802.15.4,
призначеним для роботи в недорогих пристроях, які працюють від батарей. Цей
протокол дозволяє пристроям обмінюватися даними в різних мережевих топологіях
і забезпечує довгий термін служби батареї, що триває кілька років.
Zigbee Alliance, у рамках якої був створений і ратифікований протокол Zigbee,
є унікальним об'єднанням понад 300 провідних компаній-виробників
напівпровідників, технологічних фірм, OEM-виробників та сервісних компаній.
Версія 3.0 протоколу Zigbee призначена для передачі даних через шумне RF-
середовище, що є загальним у комерційних та промислових додатках. Ця версія
спирається на попередні версії, але уніфікує специфічні профілі програм для
забезпечення бездротового підключення різних пристроїв до однієї мережі. Основні
особливості протоколу Zigbee включають підтримку різних топологій мереж,
низький робочий цикл, малу затримку, використання спектру поширення прямої
послідовності (DSSS), велику кількість вузлів на мережу, шифрування AES для
безпечного з'єднання даних та інші. Стек програмного забезпечення Zigbee 3.0
містить базовий пристрій, який забезпечує послідовну поведінку введення вузлів у
мережу, і надає загальний набір методів введення в експлуатацію.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 25
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Zigbee 3.0 вдосконалює захист мережі через використання двох методів
захисту, що породжують два типи мереж:
1. Централізована безпека: Цей метод ґрунтується на використанні
координатора / центру довіри, який формує мережу та управляє
розподілом ключів безпеки мережі та посилань для приєднання вузлів.
2. Розподілена безпека: Цей метод не вимагає наявності координатора /
центру довіри і формується маршрутизатором. Будь-який вузол
маршрутизатора Zigbee може надати мережевий ключ для приєднання
вузлів.
Вузли використовують той метод захисту, який застосовується в мережі, до
якої вони приєднуються. Zigbee 3.0 підтримує збільшення масштабу і складності
бездротових мереж, здатний опрацьовувати великі локальні мережі з більш ніж 250
вузлами. У мережах Zigbee Mesh вузли можуть динамічно з'являтися, зникають і
знову з'являтися, що може відбуватися через вимкнення пристроїв, їх віддалення
від мережі тощо. Якщо вузол втрачає зв'язок зі своїм "батьком", він стає осиротілим.
Однак мережа має механізм самовідновлення, який дозволяє осиротілим вузлам
знову приєднатися до мережі через іншого батька. Це допомагає забезпечити
стабільність мережі, навіть при зміні умов або втраті зв'язку з окремими вузлами.
Сумісність зворотного зв'язку Zigbee 3.0 означає, що програми, що вже
розроблені для профілів Zigbee Light Link 1.0 або Home Automation 1.2, готові до
використання з Zigbee 3.0. Профіль Smart Energy також сумісний із Zigbee 3.0 на
рівні функцій, але Smart Energy має додаткові вимоги до безпеки, які враховуються
лише в профілі.
Функція оновлення бездротової мережі (OTA) від Zigbee дає можливість
оновлювати програмне забезпечення пристроїв під час їх роботи, забезпечуючи
легку міграцію існуючих програм на пристроях на Zigbee 3.0. Це необов'язкова
функція, але виробникам пропонується її підтримувати в своїх продуктах Zigbee.
Zigbee дозволяє розгортати широкомасштабні бездротові мережі за допомогою
недорогих та малопотужних рішень. Він забезпечує довгий термін служби на
акумуляторах для безлічі програм моніторингу та управління. Zigbee широко
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 26
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

використовується у різних галузях, включаючи промисловість, автоматизацію
будівель, системи енергозбереження та медичні пристрої.

Таблиця 1.1 – Технічна характеристика ZigBee
Швидкість
Діапазон частот Кількість каналів Тип модуляції
передачі даних
868 - 870 МГц 1 20Кбіт/с BPSK
902 - 928 МГц 10 40Кбіт/с BPSK
2.4 - 2.4835 ГГц 16 250Кбіт/с 0-Q PSK

Рисунок 1.8 – Найбільш поширені безпроводові середовища

У нашому випадку сімейство стандартів IEEE 802.xx є найбільш відповідним
для бездротових технологій автоматизації будівель. Це через їх широку доступність,
відкритість та відсутність проблем із сертифікованими пристроями.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 27
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 1.2 – Характеристики технологій сімейства IEEE 802.xx
Технологія
безпроводової ZigBee Wi-Fi Bluetooth
передачі даних (IEEE 802.15.4) (IEEE 802.11b) (IEEE 802.15.1)
(стандарт)
Частотний
2,4-2,483 ГГц 2,4-2,483 ГГц 2,4-2,483 ГГц
діапазон
Пропускна
250 11000 723,1
здатність, кбіт/с
Розмір стека
32-64 Більше 1000 Більше 250
протоколу, кбайт
Час безперервної
автономної 100-1000 0,5-5 1-10
роботи, дні
Максимальна
кількість вузлів в 65536 10 7
мережі
Діапазон дії, м
10-100 20-300 10-100
(середні значення)
Передача
мультимедійної
Віддалений
Області інформації Заміщення
моніторинг і
застосування (інтернет, дротову мережу
управління
електронна пошта,
відео)

У даному розділі проаналізували системи відеоспостереження та різні
середовища передачі даних. Системи відеоспостереження розподіляються на
аналогові та IP-системи. Після докладного аналізу обох типів систем, IP камери
виявилися більш перевагами через: прямий зв'язок з сервером, що дозволяє їх
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 28
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

використання в складі "розумних домів" та систем зовнішнього контролю;
можливість фрагментарного запису зображення; економію дискового простору; -
високу роздільну здатність.
Найпоширенішими провідними середовищами передачі даних є RS-
232/422/485, Ethernet, силова лінія, власна шина, технологія 1-wire та технологія
Х10. Після порівняння цих технологій перевагу отримує Ethernet завдяки зручності,
сумісності та гнучкості, і це пояснюється його широкою популярністю серед
провідних систем.
Серед бездротових мереж можна виділити ZigBee, Wi-Fi та Bluetooth.
Аналізуючи характеристики цих технологій, стає очевидним, що ZigBee, завдяки
великій кількості вузлів та стабільності роботи, а Wi-Fi краще підходить для
пристроїв, що потребують високої швидкості. Bluetooth використовується для
підключення декількох пристроїв для контролю.

Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 29
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

2 АРХІТЕКТУРА КОМП'ЮТЕРИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ
ВІДЕОСПОСТЕРЕЖЕННЯ

2.1 Аналіз архітектур та проектування системи відеоспостереження
Згідно з [1], відеоспостереження визначається як апаратно-програмний
комплекс, який забезпечує отримання відеоінформації про стан об'єкта в режимі
реального часу шляхом збору, обробки та подальшого зберігання і архівування
відеоданих, а також проведення їх аналітики.
Класичні системи відеоспостереження застосовуються для моніторингу
територій, де розміщені матеріальні цінності, таких як автомобільні стоянки,
супермаркети, складські приміщення тощо. Вони також ефективні для
спостереження за рухомими об'єктами та переміщенням товарів, наприклад, на
вокзалах, в офісах та промислових підприємствах.
Крім того, системи відеоспостереження використовуються для моніторингу
прийняття управлінських рішень під час виконання технологічних виробничих
процесів у різних галузях. При проектуванні архітектури системи
відеоспостереження та виборі обладнання враховують наступні вартісні і якісні
критерії, а також функціональні завдання:
− Ідентифікація особи на основі відомих даних: використовуються недорогі
камери типу HD разом з пристроями обробки відеоінформації Digital
Video Recorder (DVR). Це дозволяє оператору системи розпізнавати
образи на основі прямих і непрямих ознак особи, таких як форма одягу,
тип ходи, габарити тощо.
− Ідентифікація невідомих осіб: використовуються відеокамери з
роздільною здатністю від 1,3 до 2,0 мегапікселів або IP-камери та технічні
пристрої обробки відео (HD або NVR відеореєстратори). Це дозволяє
розпізнавати ознаки невідомих об'єктів, що вимагає більш чітких та
контрастних відеоданих.
− Детальна ідентифікація об'єктів: застосовується для розпізнавання
деталей об'єктів, наприклад, написів чи номерних знаків автомобілів.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 30
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Використовуються IP-камери з роздільною здатністю не менше 3
мегапікселів, а система реєстрації та обробки відеопотоку оснащена NVR
відеореєстратором або спеціальним сервером інтелектуального аналізу
зображень.
Зображення ІР-відеокамери показано на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 – ІР-відеокамера

Важливими факторами при проектуванні та впровадженні систем
відеоспостереження є чіткі та однозначні вимоги щодо функцій і задач, які вона
повинна виконувати. Це спрощує узгодження потреб замовника та інтегратора
відеосистем і забезпечує підбір обладнання з урахуванням територіальних вимог
при проектуванні фізичної та логічної топологій мережі відеоспостереження.
На відміну від систем замкнутого телебачення (CCTV), сучасні комплекси
відеонагляду (рис. 2.2) взаємодіють із зовнішніми сервісами, зокрема:
− Можливість трансляції відео через Інтернет;
− Забезпечення моніторингу об’єктів нагляду;
− Зберігання відеоінформації;
− Обробка відеопотоку за допомогою інтелектуальних алгоритмів
розпізнавання образів;
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 31
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− Багатокористувацький паралельний доступ до відеоданих;
− Авторизація користувачів для доступу до камер у режимі реального часу;
− Автоматичне прийняття рішень щодо управління об’єктами в
ізольованому режимі.

Рисунок 2.2 – Інтеграція систем відеоспостереження із зовнішніми пристроями та
сервісами

Типова архітектура системи локального відеонагляду з можливістю доступу
до мережі Інтернет наведена на рис. 2.3.
Сучасні комп'ютеризовані системи відеомоніторингу розробляються з
урахуванням особливостей цифрових відеокамер та NVR-пристроїв або серверних
комплексів з відповідним прикладним програмним забезпеченням. Як технічні
засоби для відтворення відео можуть використовуватися будь-які пристрої з
дисплеями, зокрема планшети, настільні ПК, мобільні телефони, телевізори тощо.
Для зберігання та аналізу відео все частіше застосовуються хмарні технології, що
пов'язано зі зниженням вартості використання апаратних ресурсів.

Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 32
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 2.3 – Архітектура системи локального відеонагляду

При модернізації існуючих систем відеоспостереження доцільно замінювати
аналогові відеокамери на камери, що підтримують технології HD та FHD, а також
використовувати систему передачі даних на основі коаксіального кабелю. Це значно
покращує якість зображення у відеотрансляціях, яке може коливатися від 2 до 8 МП
(для порівняння, аналогові відеокамери забезпечують лише 0,3 МП).
До складу апаратного забезпечення класичної системи відеоспостереження,
незалежно від її типу (аналогова, цифрова чи гібридна), входять:
− Відеокамери – пристрої для збору відео в реальному часі;
− Обладнання для обробки та запису відео (відеореєстратори);
− Модулі для захоплення відео;
− Сервер для зберігання та аналізу відеоданих;
− Обладнання та програмне забезпечення для архівації отриманих даних;
− Пристрої відображення (дисплеї).
Основне завдання камери у системі відеоспостереження – створення
відповідного сигналу під впливом світлового потоку, який передається через лінзу
об'єктиву і потрапляє на матрицю CCD (charge-coupled device). У сучасних
системах все частіше використовуються відеокамери, що дозволяють транслювати
кольорове зображення з функцією переходу до монохромного режиму.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 33
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Комплекс пристроїв для обробки та зберігання даних включає модулі
захоплення відео та сервери, які дозволяють:
− Отримувати дані від декількох камер;
− Аналізувати відеопотоки;
− Зберігати дані у визначеному відеоформаті;
− Транслювати відео на пристрої відображення (дисплеї);
− Забезпечувати можливість віддаленого доступу через Інтернет.
При зберіганні відеоінформації на серверах можна використовувати жорсткі
диски різних типів або їх об'єднання в RAID-масиви, що забезпечує надійність
функціонування системи відеонагляду чи відеоспостереження. Доцільним є
використання жорстких дисків з високою швидкістю запису і зчитування, зокрема
SSD.

Рисунок 2.4 – Архітектура системи відеоспостереження з функцією розпізнавання
обличчя
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 34
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Для перегляду відеотрансляцій можна використовувати апаратні дисплейні
монітори різних типів або за допомогою браузерів чи спеціалізованих програмних
додатків. Окрім цього, більшість систем відеоспостереження дозволяють
налаштовувати параметри та відеотрансляції під операційні системи Android та
iOS, що є зручно в сучасних умовах розвитку інформаційних технологій.
У кваліфікаційній роботі проектується прототип комп'ютеризованої системи
відеоспостереження, який пропонується виконати на основі модуля ESP32-CAM з
камерою роздільною здатністю 2 Мп. При цьому запропоновано архітектуру
системи відеоспостереження з функцією розпізнавання обличчя, як показано на
рис. 2.4.
Як видно з архітектури, наведеної на рис. 2.4, основними структурними
компонентами системи відеоспостереження є:
− Відеокамера використовується для захоплення зображення.
− Модуль ESP32-CAM забезпечує обробку і передачу інформації, а також
зв’язок з сервером та мережею Інтернет.
− Сервер призначений для зберігання відеоінформації, на якому розгорнуто
веб-сервер та базу даних зображень облич.
− Пристрої відображення відеоінформації (смартфон, персональний
комп’ютер) – забезпечують доступ до модуля через браузер, який має
доступ до веб-сервера.
Така архітектура дозволяє одержувати доступ до відеоконтенту в режимі
реального часу та забезпечує функцію розпізнавання обличчя. Наступний крок
полягає в налаштуванні параметрів апаратного забезпечення та аналізі їх технічних
характеристик.

2.2 Обґрунтування вибору та аналіз технічних характеристик модуля
ESP32-CAM
Модуль ESP32-CAM базується на чіпі ESP32-S і включає камеру за ціною
приблизно 10 доларів. Окрім камери OV2640 та кількох GPIO для підключення
зовнішніх пристроїв, цей модуль також має слот для карт microSD. Цей слот можна
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 35
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

використовувати для зберігання фотографій, знятих камерою, або для зберігання
файлів, які використовуються для обслуговування клієнтів. На рисунку 2.5
зображено ESP32-CAM.

Рисунок 2.5 – Модуль ESP32-CAM

Технічні характеристики цього модуля включають такі параметри, які вказані
у таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 – Технічні характеристики ESP32-CAM
№
з/п Технічна характеристика Опис
1. Модуль безпровідного
доступу ESP32-S WiFi 802.11 b/g/n +Bluetooth
2. Зовнішнє сховище Слот з підтримкою карт micro-SD з об’ємом до
4 ГБ
3. Підтримка камер OV2640 або OV7670
JPEG (тільки OV2640) BMP
4. Формат зображення Відтінки сірого
5. Наявність спалаху Світлодіодний спалах

Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 36
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Продовження таблиці 2.1
16 з інтерфейсами:
– UART,
6. Контакти – SPI,
– I2C,
– PWM
7. Напруга живлення 5 В
Спалах вимкнений - 180 мА
8. Споживана потужність Спалах увімкнений – 310 мА
Глибокий сон - 6 мА
Неглибокий сон - 6,7 мА
9. Габаритні розміри 40,5 х 27 х 4,5 мм
робочий: 20 – 85 ℃
10. Т емпературний діапазон зберігання: -40 - 90 ℃ при 90% відносної
вологості

На рис. 2.6 показано виводи ESP32-CAM.

Рисунок 2.6 – Виводи ESP32-CAM

На рисунку 2.6 видно, що ESP32-CAM має три виводи GND (земля) та два
виводи для живлення: 3,3 В або 5 В. GPIO 1 і GPIO 3 є послідовними виводами,
призначеними для завантаження програмного коду (прошивки). Крім того, GPIO 0
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 37
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

відіграє важливу роль у визначенні режиму роботи ESP32: включений або
вимкнений спалах камери. Якщо GPIO 0 підключений до GND, модуль знаходиться
у режимі увімкненого спалаху. Інші виводи призначені для підключення до
пристрою для зчитування карток microSD і подані у таблиці 2.2.

Таблиця 2.2 – Підключення виводів до microSD
Номер виводу Призначення
GPIO 14 CLK
GPIO 15 CMD
GPIO 2 Дані 0
GPIO 4 Дані 1 (підключені до
світлодіода)
GPIO 12 Дані 2
GPIO 13 Дані 3

Таблиця 2.3 надає повний опис з’єднання виводів модуля з камерою та SD-
карткою.

Таблиця 2.3 – З’єднання ESP32 з камерою та SD-карткою
Камера ESP32 SD-картка ESP32
D0 PIN 5 CLK PIN 14
D1 PIN 18 CMD PIN 15
D2 PIN 19 DATA0 PIN 2
D3 PIN 21 DATA1/flash PIN 4
D4 PIN 36 DATA2 PIN 12
D5 PIN 39 DATA3 PIN 13
D6 PIN 34
D7 PIN 35
XCLK PIN 0
PCLK PIN 22
VSYNC PIN 25
HREF PIN 23
SDA PIN 26
SCL PIN 27
POWER PIN PIN 32
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 38
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 2.4 містить технічні характеристики запропонованого модуля в
залежності від показників навколишнього середовища.

Таблиця 2.4 – Залежність технічних характеристик від середовища експлуатації
Середовище Мінімальне Робоче Максимальне Одиниці

експлуатації значення значення значення вимірювання
Робоча
/ -40 20 85 С0
температура
Напруга
VDD 4,7 5 5,3 В
живлення

Значення вхідної та вихідної потужності модуля ESP32-CAM наведено у
формі таблиці 2.5.

Таблиця 2.5 – Значення технічних характеристик потужності
Мінімальне Робоче Максимальне Одиниці

значення значення значення вимірювання
Вхідна
2412 - 2484 МГц
частота
Значення
вхідного - 50 - Ом
опору
Значення
вхідного - - 10 дБ
відбиття
Значення
вихідної
дБм
абсолютної
потужності

Характеристики вбудованого радіопередавача модуля ESP32-CAM показано
у таблиці 2.6.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 39
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 2.6 – Характеристики радіопередавача
Мін. Робоче Макс. Од.
Стан
значення значення значення виміру
Потужність
радіо- – – +7,5 +10 дБм
передавача
Частотний
діапазон
– – 25 – дБ
регулювання
потужності
F=F0+1MГц – -14,6 – дБм
F=F0-1MГц – -12,7 – дБм
F=F0+2MГц – -44,3 – дБм
Потужність
F=F0-2MГц – -38,7 – дБм
каналів
F=F0+3MГц – -49,2 – дБм
передавача
F=F0-3MГц – -44,7 – дБм
F=F0+>3MГц – -50 – дБм
F=F0->3MГц – -50 – дБм

Таким чином, враховуючи технічні характеристики модуля ESP-32, його
вибір для реалізації комп’ютеризованої системи відеоспостереження є цілком
обґрунтованим, оскільки він забезпечує виконання функціональних вимог,
визначених у технічному завданні.

2.3 Характеристики камери OV2640
Відеокамера відіграє ключову роль у комп’ютеризованій системі
відеоспостереження, оскільки якість розпізнавання облич у відеопотоці залежить
від її характеристик.
У комплекті з ESP32-CAM постачається камера OV2640, яка забезпечує
захоплення образів з роздільною здатністю 2 Мп. Ця роздільна здатність є цілком
достатньою для виконання вимог, встановлених у технічному завданні.
Характеристики камери OV2640 наведено у таблиці 2.7.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 40
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 2.7 – Технічні характеристики OV2640
№ Характеристика Опис
1. Роздільна здатність UXGA 1600*1200
Основне живлення – 1,3 VDC±5%
2. Напруга живлення Аналогове – 2,5-3,0VDC
Входу/виходу – 1,7-3,3 V
125мВт , 15 fps, UXGA YUV
Споживана потужність у режимі режим
3.
використання 140мВт – для 15 fps, UXGA режим
компресії
4. Споживана потужність (stand by) 600 μА
5. Основний температурний режим 0-50 С0
YUV (422/420)/YCbCr422
RGB565/555
6. Вихідні формати (8-біт)
8-бітні стиснуті дані
8/10-бітні Raw RGB дані
7. Розмір лінзи 1/4''
8. Основний кут 250
UXGA/ sXGA – 15fps
Максимальна швидкість передачі
9. SVGA – 30 fps
зображення
CIF – 60 fps
10. Чутливість 0,6 В/Лк-с
11. Співвідношення сигнал/шум 40дБ
12. Режим сканування Прогресивний
13. Максимальний режим експозиції 1247*trow
14. Гамма корекція Програмована
15. Розмір пікселів 2,2μм*2,2μм
16. Фіксований шум <1%
17. Площа зображення 3590 μм*2684 μм

Функціональна схема відеокамери OV2640 представлена на рисунку 2.7, тоді
як її зовнішній вигляд з виводами можна побачити на рисунку 2.8.

Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 41
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 2.7 – Функціональна схема камери OV2640

Рисунок 2.8 – Зовнішній вигляд камери OV2640

У відеокамеру OV2640 вбудований 8-розрядний мікроконтролер з 512-
байтовою пам'яттю даних та програмною пам'яттю об'ємом 4 КБ. Це дозволяє
ефективно розшифровувати команди від головної системи для управління, а також
забезпечує можливість точної настройки якості зображення.
Система стиснення зображення включає три основні блоки: блок дискретного
косинусного перетворення (DCT), квантування (QZ) та ентропійний енкодер.
Діаграму двигуна стиснення зображення можна побачити на рисунку 2.9.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 42
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 2.9 – Діаграма двигуна стиснення зображення

Таким чином, обґрунтування вибору модуля ESP32-CAM та камери OV2640
для проектування системи відеоспостереження є доцільним. ESP32-CAM
забезпечує потрібну функціональність для опрацювання та передачі відеоданих, а
також володіє відповідною потужністю й гнучкістю програмування. Камера
OV2640 з роздільною здатністю 2 Мп вистачає для вимог проекту та забезпечує
достатню якість зображення для розпізнавання облич. Таке поєднання модуля та
камери відповідає вимогам і дозволяє ефективно втілити функціональні завдання
системи відеоспостереження.

2.4 Схема системи відеоспостереження з можливістю ідентифікації облич
Система відеоспостереження з функцією розпізнавання обличчя може бути
практично застосована для ідентифікації особи з метою розблокування або
блокування дверного замка. Для цього до складу апаратного забезпечення
включають електромагнітний замок та модуль реле.
Електромагнітний замок працює на основі електро-механічного механізму
блокування. Він має затвор зі скошеним вирізом і надійний монтажний кронштейн.
Під час подачі живлення, постійний струм створює магнітне поле, яке переміщує
механізм блокування всередину і утримує двері в відкритому положенні. Цей
механізм залишається у цьому положенні, поки живлення не буде вимкнено. При
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 43
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

відключенні живлення механізм блокування рухається назовні і закриває двері, не
витрачаючи енергію у заблокованому стані. Для керування соленоїдним замком
потрібне джерело живлення, що може постачати 12 В при 500 мА.

Рисунок 2.10 – електромагнітний замок

На рисунку 2.11 показана схема комп'ютеризованої системи
відеоспостереження з вбудованою функцією розпізнавання обличчя.

Рисунок 2.11 – Схема компонентів системи відеоспостереження та контролю
електромагнітним замком
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 44
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

На рисунку 2.11 показано схему, де модуль ESP32-CAM з’єднаний з платою
FTDI, модулем реле та електромагнітним замком. Плата FTDI використовується для
завантаження програмного коду на ESP32-CAM через USB, оскільки сам модуль не
має вбудованого USB-роз’єму. Модуль реле відповідає за включення та вимикання
електромагнітного замка. Виводи VCC та GND плати FTDI та модуля реле
підключені до виводів VСС та GND ESP32-CAM для живлення.
Контакти TX і RX плати FTDI підключені до відповідних виводів RX і TX на
ESP32, а вивід IN релейного модуля з’єднаний з виводом IO4 ESP32-CAM. У
таблиці 2.8 подані подробиці щодо з’єднання виводів компонентів схеми системи
відеоспостереження та управління електромагнітним замком.

Таблиця 2.8 – Схема з’єднання програматора FTDI та ESP32-CAM
ESP32-CAM FTDI Board
5V VCC
GND GND
UOR TX
UOT RX

Таблиця 2.9 – Схема з’єднання реле та ESP32-CAM
ESP32-CAM Relay Module
5V VCC
GND GND
IO4 IN

На рисунку 2.12 представлено візуальну схему з’єднання ESP32-CAM з
програматором FTDI.
Щоб завантажити програмний код в ESP32-CAM через середовище Arduino
IDE, необхідно виконати такі дії:
− у меню «Інструменти» → «Плата» вибрати AI-Thinker ESP32-CAM;
− у меню «Інструменти» → «Порт» обрати COM-порт, до якого
підключений ESP32;
− натиснути кнопку завантаження коду;
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 45
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− після завершення процесу завантаження, який відображається у вікні
налагодження, натиснути кнопку RST на ESP32-CAM.

Рисунок 2.12 – З’єднання програматора з ESP32-CAM

У результаті виконання даного розділу кваліфікаційної роботи бакалавра
отримано наступні результати:
− проведено аналіз існуючих рішень і спроектовано архітектуру
комп’ютеризованої системи відеоспостереження з функцією
розпізнавання облич;
− обґрунтовано застосування модуля ESP32-CAM як базового компонента
комп’ютерної системи та проаналізовано його технічні характеристики;
− обґрунтовано застосування камери OV2640 як засобу отримання
відеозображення та проведено аналіз її структурних елементів;
− спроектовано схему комп’ютеризованої системи відеоспостереження з
функцією розпізнавання облич для керування електромагнітним замком;
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 46
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− описано принцип і алгоритм завантаження програмного коду в ESP32-
CAM за допомогою програматора FTDI та середовища Arduino IDE.
Наступне завдання можна присвятити розробці системного програмного
забезпечення, а також побудові і реалізації штучної моделі інтелектуального
розпізнавання облич.

Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 47
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3 ОПТИМІЗАЦІЯ АНАЛІЗУ ДАНИХ АВТОМАТИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ
ВІДЕОСПОСТЕРЕЖЕННЯ

3.1 Інтелектуальний моніторинг даних відеоспостереження
Зростання кількості об’єктів торгівлі, їх об'єднання та збільшення масштабів
зумовлює необхідність використання засобів управління їх безпекою. Серед цих
засобів найбільш ефективним є розробка та використання автоматизованих систем
охоронного відеомоніторингу.
Проектована система це комплекс охоронного обладнання, що виконує
функції забезпечення постійного контролю та моніторингу за контрольованою
зоною об’єкта. Також це сукупність ПЗ, що здійснюють обробку інформації, яка
формується в результаті роботи цього обладнання.
Можливість управління, зберігання та обробки відеоданих значно спрощує
роботу підприємств. Можливість забезпечення віддаленого доступу за допомогою
ПК або смартфона значно збільшить мобільність системи.
Використання проектованої системи дозволяє виключити безпосередню
присутність людини на об'єкті охорони можливістю віддаленого моніторингу, що в
свою чергу призводить до виникнення проблеми необхідності опрацювання
великих об’ємів інформаційних даних.
Вирішення проеблеми забезпечує включення до складу систем
відеоспостереження математичних моделей, які дозволяють вести обробку
накопиченої інформації, здійснювати оцінку ефективності роботи системи та
підтримку рішень в процесі управління безпекою об'єктів, що охороняються. Такі
математичні моделі повинні включати елементи інтелектуалізації у проведенні
відеоаналізу.
Тому запропоновано в проектованій системі передбачити можливість
інтелектуального моніторингу, або відеоаналітики, що дозволить вирішити
завдання безпеки об'єктів охорони та їх управління.
Блок відеоаналітики це «апаратно-програмне забезпечення або технологія,
що використовує методи комп'ютерного зору для автоматизованого збору даних на
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 48
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

підставі аналізу потокового відео» [14]. З цією метою перед створюваною системою
відеоаналітики ставиться завдання накопичення інформації для подальшого
прийняття рішень, спираючись на алгоритми обробки зображення та розпізнавання
образів а також проведення її інтелектуального аналізу без прямої участі людини.
У зв'язку з цим до складу створюваної інтелектуальної АСОВ включені не тільки
апаратні засоби, а й програмні інструменти інтелектуального аналізу інформації,
що надходить.
Функції, що виконуються системою, можна поділити на два класи:
− функції, що реалізуються апаратними засобами;
− функції, що виконуються програмними комплексами.
В аспекті апаратних засобів в запропонованій системі передбачається
виконання таких функцій:
− можливість передачі відео та ауді даних;
− відгук на будь-яку дію з боку користувача;
− обробка та аналізу вхідної інформації;
− доступ до збережених відео та ауді даних у будь-який час.
Функціональна структура АСОВ наведена на рисунку 3.1.

Рисунок 3.1 – Функціональна схема АСОВ

Комплексом програмних засобів відеоаналітики пропонується виконання
наступних функцій обробки інформації та налаштування:
− виявлення об'єктів;
− стеження за об'єктами;
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 49
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− класифікація об'єктів;
− ідентифікація об'єктів;
− виявлення та ідентифікація ситуацій.
Для оцінки ефективності роботи системи до складу блоку відеоаналітики
включено математичні моделі статистичної обробки та інтелектуального аналізу
даних. Статистична обробка стосується визначення ймовірності виявлення об'єктів
Р згідно виразу де m – кількість виявлень об'єктів у N випробуваннях.

����
���� = ���� ,

Інтелектуальний аналіз даних це обробка інформації та виявлення у ній
моделей та тенденцій, які допомагають приймати рішення. По суті, виокремлення
з даних тих знань, які необхідні у процесі прийняття рішень. В аспекті застосування
інтелектуального аналізу даних планується використання методів пошуку
асоціативних правил, що дозволяють визначати появу найпоширеніших наборів
об'єктів, методів секвенційного аналізу, що дозволяють ідентифікувати
послідовності об'єктів, що часто зустрічаються, методів кластерного аналізу, що
впорядковують об'єкти в однорідні групи.
Результатами роботи відеоаналітики є події у вигляді повідомлень, які мають
бути передані оператору автоматизованої системи охорони торгового приміщення
або записані у відеоархів.

3.2 Оптимізація зберігання даних відеомоніторингу
Усі сучасні СВС мають можливості лише поточного контролю та зберігання
даних у межах відносно невеликого періоду часу. Відсутність оперативного доступу
до будь-якого знятого відеоматеріалу перетворює найсучаснішу СВС у простий
набір відеокамер, моніторів та пристроїв цифрового запису (відеореєстраторів).
Для забезпечення збереження матеріалів відеоспостереження застосовуються різні
підходи, що забезпечують довготривале та безпечне зберігання відеоданих, а також
щбидкий доступ [25].
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 50
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Варіанти підключення системи зберігання даних до відеореєстратора:
− мережеве підключення системи зберігання даних за допомогою локальної
мережі (LAN) та протоколами HTTP, FTP тощо;
− віддалене підключення системи зберігання даних по мережі Інтернет;
− можливе також довготривале зберігання даних на оптичних дисках.
Названі рішення мають недоліки. Основний з них – мала пропускна здатність
каналів Ethernet, що обмежує обсяг та масштабованість розподіленої системи. При
впровадженні стандарту Ethernet 10 Гб/с та за наявності мережної інфраструктури
зі швидкістю передачі даних 1 Гб/с можна будувати розподілені системи
відеоспостереження з урахуванням IP–пристроїв, використовуючи мережеві
сховища даних. Ще одним суттєвим недоліком подібних рішень є висока вартість
ресурсів зберігання. Тому при створенні таких систем головним є побудова проекту
і правильний підбір обладнання для досягнення оптимального співвідношення
функціональності, якості, надійностіта ціни. Крім того, для ефективної роботи з
архівом АСОВ потрібно забезпечити пошук необхідних матеріалів, керування
життєвим циклом даних,включаючи передачу, зберігання та організацію доступу до
них. Таким чином, необхідно масштабоване прозоре сховище даних із
гарантованою якістю сервісу: необхідним рівнем захисту і доступу до даних.
Використання грід-технологій [36] у АСОВ полягає в тому, щоб об'єднати
різні та географічно розподілені ресурси для вирішення якісно нових завдань,
зокрема, для розміщення, зберігання великих масивів даних та управління ними.
Для регулювання потоків даних використовуються різні послуги їх передачі, що
забезпечують:
− надійний механізм передачі файлів типу точка–точка користувачам;
− зручний спосіб розподілу ресурсів між експериментами, і навіть різні
можливості моніторингу;
− запобігання перевантаженню мереж;
− запобігання перевантаженню сховищ даних;
− збирання комплексної інформації про помилки,що виникають під час
роботи сервісу.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 51
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Система DataGrid насамперед забезпечує служби та інфраструктуру для
розподіленого зберігання даних та роботи з ними.
Використання таких технологій у АСОВ має ряд переваг:
− дозволяє виводити їх на вищий і якісний рівень у зв'язку з постійно
зростаючими функціональними можливостями;
− надає ресурси зберігання, що буде значно дешевше, ніж придбання
необхідного устаткування та створення централізованого сховища;
− гарантує збереження даних при виході з ладу або збої за рахунок вибору
для зберігання доступного ресурсу, тоді як у централізованому сховищі
всі дані в такому випадку втрачаються.
Загальна схема побудови АСОВ з використанням грід–технологій наведена
на рисунку 3.2.

Рисунок 3.2 – Схема побудови АСОВ з використанням розподіленого зберігання

Відеодані з камери надходять через стандартні ПЦЗ та ЦОВ на менеджер
ресурсів DataGrid. Він виявляє доступні ресурси та спрямовує до них ці дані. Кожна
реплікація файлів фіксується у каталозі реплік, що дозволяє безпомилково
визначити, скільки копій і на яких ресурсах має той чи інший файл.
Для створення тестової інфраструктури використовувалося ПЗ IP Video
System Design Tool (рис. 3.3), що дозволяє налаштувати схему розташування
відеокамер. За допомогою ПЗ можна розпланувати розташування камер, а також
визначити область огляду для кожної з них.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 52
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.3 – IP Video System Design Tool

Програма допоможе вам налаштувати всі камери так, щоб вони охоплювали
всю територію будівлі без сліпих зон. Після визначення області огляду можна
розрахувати потрібну кількість пристроїв(рис. 3.4).

Рисунок 3.4 – Робочі вікна IP Video System Design Tool
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 53
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Для цього передбачені функції IP Video System Design Tool:
− 3D моделювання об'єктів, що переміщуються – машин або людей;
− розрахунковий калькулятор визначення відстані між камерами;
− налаштування параметрів визначення та відстеження певних зон;
− розрахунок необхідного місця у сховищі для зберігання відеозаписів;
− можливість скласти креслення, звіти та таблиці, а потім перенести їх до
інших редакторів.
Для отримання необхідного рівня масштабування сховище може бути
географічно розподіленим, що ефективно використовує грід–технології. Результати
досліджень показали можливість реалізації запропонованої ідеї.
Вищеописані переваги впровадження грід технологій у АСОВ не знімають
конструктивних, вартісних, надійних та інших проблем, пов'язаних з розробкою
таких систем. Для їхньої оптимізації прийнято використовувати засоби
імітаційного комп'ютерного моделювання грід–систем.
Створення моделі дозволяє отримати адекватне уявлення про процеси
передачі та зберігання даних у грід, а також визначити ресурси та засоби передачі
даних, що задовольняють поставленим завданням.

Рисунок 3.5 – Средний розмір файлів при різному способі запису

Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 54
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Для виявлення ймовірнісних параметрів необхідних для моделювання АСОВ
із застосуванням розподіленої технологій зібрано статистичну інформацію про
роботу системи. Дослідження проводились для типових сценаріїв: вхід, торговий
зал, зона оплати, паркування.
На рисунку 3.5 показана різниця запису по детектору руху та постійного
запису для сценарію – вхід.
Запис ведеться наступним чином: протягом години всі дані записуються в
один файл (при використанні детектора руху запис відновлюється у розпочатий
файл).
Гістограма на рисунку 3.6 показує кількість файлів певного розміру у заданий
період.

Рисунок 3.6 – Частотна гістограма за розмірами файлів

Такі дані дозволяють дати рекомендації щодо оптимізації збору відеоданих та
якості самих відеоданих (коли камер декілька це не критично, але коли їх десятки,
а то й сотні, маса непотрібних даних, шумів та іншого займатиме багато місця).
Оптимізувавши збір даних, можна говорити про те, як оптимізувати зберігання,
використовуючи розподілення даних.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 55
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Технологію можна використовувати не лише для зберігання, але й для
обробки даних, але це потребує значних обчислювальних ресурсів. Наприклад,
здійснювати пошук певних подій без перегляду всіх матеріалів архіву, що дозволить
суттєво спростити роботу з відеоархівами.
В результаті досліджень набрано статистику записів для типових сценаріїв,
що показала значний розкид характеристик, отримано уявлення про реальні обсяги
відеоданих для різних способів запису (по детектору руху та постійного запису).

3.3 Моделювання розташування камер відеоспостереження
За допомогою інструменту IP Video System Design Tool можна:
− підвищіть ефективність своєї системи безпеки, одночасно знижуючи
витрати на пошук найкращих місць у камерах;
− розрахуйте точну фокусну відстань об'єктива камери, кути огляду та
щільність пікселів (PPM/PPF) у секундах;
− перевірте зони ідентифікації, спостереження, спостереження, вияв-лення
та моніторингу кожної камери на вашому сайті;
− мінімізуйте мертві зони, щоб підвищити рівень безпеки ваших приміщень
за допомогою 2D і 3D-моделювання;
− отримайте оцінки необхідної пропускної спроможності мережі та
обчисліть необхідний простір для зберігання відеоархівів на HDD /SSD;
− завантажте план сайту або план поверху з файлів JPEG, PNG, PDF, TIFF.
Імпорт креслень AutoCAD DWG (Pro);
− роздрукуйте або експортуйте проєкт у PDF. Скопіюйте ваші розрахунки,
креслення і 3D-макети в MS Word, Excel, Visio або інше програмне
забезпечення, щоб створити чудову проєктну документацію.
Тільки за допомогою IP Video System Design Tool ви можете розрахувати, як
пропускну здатність мережі, так і простір для зберігання для 15 роздільних
здатностей камери і кілька методів стиснення, включно з H.264, MPEG-4 і Motion
JPEG. Інструмент розробки IP-відеосистеми дає змогу розробнику системи
знаходити опти-мальні FPS і стиснення, які адаптуються до можливостей LAN і
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 56
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

обчислюють необхід-ний простір для зберігання на HDD /SSD. Оцінки розміру
кадру засновані на резуль-татах наших власних досліджень стиснення, завдяки
великим знанням алгоритмів стиснення і широкому спектру реальних
експериментальних даних CCTV.
IP Video System Design Tool містить калькулятор поля зору, фокусну відстань
об'єктива, камери відеоспостереження та калькулятори пропускної здатності,
кальку-лятор щільності пікселів і роздільної здатності, а також багато інших
інструментів CCTV, щоб ви могли швидко та легко створювати систему
відеоспостереження.

Рисунок 3.7 – Вікно креслення встановлення камери відеокамери

Реалістичні 3D-моделі допомагають створювати візуально привабливі
проєкти та проєкти відеоспостереження, які виділяються. Функція імпорту
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 57
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

користувацьких 3D-моделей (версія Pro) дає змогу імпорту-вати безоплатні 3D-
моделі з Google 3D Warehouse та з іншого програмного забезпе-чення 3D, що
підтримує відкритий формат Collada.
Вибір місць розташування відеокамер здійснюється на двовимірній поверхні
плану об'єкта. Програма одночасно виконує побудову зони видимості для камери і
колірну градацію зі ступенем виявлення. Це дасть змогу точно розрахувати параме-
три, необхідні для правильної побудови системи охорони. Покаже мінуси і
помилки, які могли бути не враховані.

Рисунок 3.8 – Місця розташування камер моніторингу території та зони їхнього
огляду
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 58
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

З рис. 3.15 видно, що за такого розташування відеокамер досягається повний
огляд території та можливість розпізнавання об'єктів. Так само програма дає змогу
переглянути попередній огляд із відеокамер, для ефективнішого і зручнішого
розташування камер, що, зі свого боку, впливає на моні-торинг зони огляду.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 59
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ВИСНОВКИ

У результаті виконання кваліфікаційної роботи розроблено автоматизовану
систему аналізу даних відеоспостереження. Основні досягнення даної роботи
включають:
1. Аналіз існуючих систем відеоспостереження:
− Проведено детальний аналіз сучасних аналогових та цифрових систем
відеоспостереження, що включає вивчення їх архітектури,
функціональних можливостей, переваг та недоліків.
− Розглянуто приклади впровадження відеоспостереження у різних галузях,
таких як охорона, транспорт, медицина та промисловість.
− Виявлено основні тенденції розвитку систем відеоспостереження,
зокрема перехід від аналогових до цифрових систем та інтеграція
інтелектуальних технологій для аналізу відеоданих.
2. Проектування архітектури системи:
− Спроектовано архітектуру комп’ютеризованої системи
відеоспостереження, що включає використання модуля ESP32-CAM як
основного апаратного компонента.
− Розроблено схему з'єднання ESP32-CAM з іншими елементами системи,
зокрема з камерою OV2640, яка забезпечує якісне відеозображення.
− Обґрунтовано вибір компонентів системи з урахуванням їх технічних
характеристик та вимог до системи відеоспостереження.
3. Оптимізація аналізу даних:
− Розроблено методи оптимізації зберігання відеоданих, що дозволяють
зменшити обсяг збережених даних без втрати якості. Це досягається
шляхом використання сучасних алгоритмів компресії та селективного
зберігання даних.
− Впроваджено алгоритми обробки відеоданих у реальному часі для
виявлення аномалій та підозрілих подій, що дозволяє оперативно
реагувати на загрози.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 60
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− Забезпечено можливість зберігання даних у хмарних сховищах для
надійного зберігання та доступу до них з будь-якого місця.
4. Інтелектуальний моніторинг:
− Розроблено інтелектуальні алгоритми для аналізу відеоданих, зокрема для
розпізнавання облич, виявлення руху та аналізу поведінки об'єктів.
− Використано методи машинного навчання та штучного інтелекту для
підвищення точності виявлення інцидентів.
− Інтегровано систему з існуючими системами безпеки, що забезпечує
комплексний підхід до забезпечення безпеки.
5. Моделювання розташування камер:
− Проведено моделювання оптимального розташування камер
відеоспостереження для забезпечення максимального покриття території
та ефективного моніторингу.
− Враховано фактори, такі як освітлення, архітектурні особливості об'єктів
та можливі шляхи проникнення, що дозволяє мінімізувати сліпі зони та
забезпечити повний контроль над територією.
− Розроблено план розстановки камер та налаштування мережевої
інфраструктури для забезпечення надійного з'єднання та передачі даних.
Таким чином, розроблена автоматизована система аналізу даних
відеоспостереження показала свою ефективність і може бути використана для
підвищення рівня безпеки на підприємствах та в інших сферах діяльності людини.

Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 61
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Alam M.R. A review of smart homes-Past, present, and future. IEEE Trans. Syst.
Man Cybern. Part C 2022. – № 42, Р. 1190-1203.
2. Basit M.A. A Luminous-free Remote Surveillance System with Inherent Video
Overlay and IP Encoder. / 2020 IEEE Conference on Technologies for
Sustainability (SusTech). // Santa Ana, CA, USA. – 2020, Р. 1-5.
3. Bhavikatti R. M. Learning Assisted Macro Block Selection for IPCM Mode
Steganography in H.264 Videos / 2022 IEEE International Conference on
Distributed Computing and Electrical Circuits and Electronics (ICDCECE) //
Ballari, India. – 2022, Р. 1-6. 17.
4. Bintang K. Time and Cost Optimization in Feasibility Test of CCTV Project using
CPM and PERT / 2019 International Conference on Information and
Communications Technology (ICOIACT) // Yogyakarta, Indonesia. – 2019, Р. 678-
683.
5. Ding D. Pasquina. Sensor technology for smart homes. // Maturitas. – 2021, № 69.
– Р. 131–136.
6. Ebrahimy A. R. IoT based smart surveillance monitoring by using model-based
human action recognition design / 2021 5th International Conference on Internet
of Things and Applications (IoT). // Isfahan, Iran. – 2021, Р. 1-6.
7. Eren E. Security assessment of IEEE 802.16 (WIMAX) – a short comprasion
between IEEE 80216d and 802.16e / E. Eren // Комп`ютинг. – 2018. – (№2). –
P. 91-99.
8. Folea D. Bordencea. Smart home automation system using Wi-Fi low power
devices. // Automation Quality and Testing Robotics (AQTR), 2022 IEEE
International Conference on, Cluj-Napoca. – 2022, Р. 569-574.
9. LillD A. Development of cooperative esafety-system using communication and
localization / LillD A. Gutjahr A. Sikora // Комп`ютинг. – 2018. – №2. – P.84-90.
10. Nam J. Two-Stream Network for Detecting Double Compression of H.264 Videos
/ 2019 IEEE International Conference on Image Processing (ICIP) // Taipei,
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 62
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Taiwan. – 2019, Р. 111-115.
11. Neto M. Exploring Operation Sharing in Directional Intra Frame Prediction of AV1
Video 65 Coding / 2021 IEEE 12th Latin America Symposium on Circuits and
System (LASCAS) // Arequipa, Peru. – 2021, Р. 1-4.
12. Pfaff К. Video Compression Using Generalized Binary Partitioning, Trellis Coded
Quantization, Perceptually Optimized Encoding, and Advanced Prediction and
Transform Coding / IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video
Technology. – Vol. 30, № 5. Р. 1281-1295.
13. Sergey Y. Yurish Low-cost, intelligent data acquisition for QCM and other
resonator-based bio- and chemical sensors / Y. Yurish Sergey // Комп`ютинг. –
2019. – №3. – P. 9-17.
14. Tiawongsuwan L. A Study On the Quality Improvement Effects of Using STBC
with H.264/SVC Video Transmission / 2021 International Symposium on
Intelligent Signal Processing and Communication Systems (ISPACS) // Hualien
City, Taiwan. – 2021, Р. 1-2.
15. Turtiainen A. T. CCTVFullyAware: toward end-to-end feasible privacy-enhancing
and CCTV forensics applications / 2022 IEEE International Conference on Trust,
Security and Privacy in Computing and Communications (TrustCom) // Wuhan,
China, 2022. – Р. 1227-1234.
16. Zhar M. A. VIP DESIGN: Graphical language for image and video processing
embedded systems design / 2020 IEEE International Conference on Complex
Systems (ICCS) // Agadir, Morocco. – 2018, Р. 1-6.
17. Васильська М. В. Узагальнена імітаційна модель розвитку системи
мобільного зв'язку / М. В. Васильська В. М. Кичак В. А. Северілов // Вісник
Вінницького політехнічного інституту. – 2021. – №3. – С. 166-172.
18. Дибкова Л. М. Інформатика і комп'ютерна техніка: навч. посіб. /
Л. М. Дибкова. – 4-те вид., стер. – К. : Академвидав, 2022. – 464 с.
19. Козловський А. В. Комп'ютерна техніка та інформаційні технології: навч.
посіб. / А. В. Козловський Ю. М. Паночишин Б. В. Погріщук. – 2-ге вид., стер.
– К. : Знання, 2022. – 464 с.
Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 63
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

20. Мінухін С. В. Комп'ютерні мережі. Загальні принципи функціонування
комп'ютерних мереж: навч. посіб. / С. В. Мінухін, С. В. Кавун, С. В. Знахур.
– Х. : ХНЕУ, 2018. – 208 с.
21. Порохняк Д. Р. Система відеоспостереження. // ІV Науково-практична
конференція молодих вчених і студентів «Інтелектуальні комп’ютерні
системи та мережі». 2 червня 2021 р. – Тернопіль. Україна. – С. 17.
22. Цифрова обробка аудіо– та відеоінформації у мультимедійних системах:
Навчальний посібник / О.В. Дробик, В.В. Кідалов, В.В. Коваль, Б.Я. Костік,
В.С. Лазебний, Г.М. Розорінов, Г.О. Сукач. – К.: Наукова думка, 2018. – 144 с.

Лист
ЧДТУ.242273.001 ПЗ 64
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets