基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)獄安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)
0引言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/83661.htm監(jiān)獄對(duì)于其安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有高安全性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性的要求。目前,監(jiān)獄系統(tǒng)中所采用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)以及門禁系統(tǒng)等都是基于有線通信,這就使得一些不便于布線的區(qū)域成為了安防監(jiān)測(cè)的盲區(qū),另外,一成不變的監(jiān)測(cè)區(qū)域也給犯罪分子以可乘之機(jī)。為預(yù)防服刑人員斗毆、自殘、自殺、越獄、襲警等違法犯罪活動(dòng),及時(shí)準(zhǔn)確地掌控和調(diào)閱監(jiān)獄暴力現(xiàn)場(chǎng)、越獄行為等信息資料,構(gòu)筑人防、物防、技防三位一體的安全防范體系,提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)獄安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。采用無(wú)線代替有線可以帶來(lái)諸多好處,如,減小部署難度、降低維護(hù)成本和增加靈活性,尤其是在那些不能布線或者不便布線的區(qū)域。正如西門子樓宇技術(shù)組的首席技術(shù)專家Helmut Macht所說(shuō):"無(wú)線通信的創(chuàng)新使越來(lái)越多的有線通信將被取代"。然而,由于監(jiān)獄內(nèi)部環(huán)境的特殊性,在監(jiān)獄內(nèi)部采用無(wú)線技術(shù)會(huì)面臨很多問(wèn)題。首先,采用無(wú)線技術(shù)會(huì)面臨多徑傳輸干擾、傳輸沖突和障礙物反射等問(wèn)題,這些問(wèn)題會(huì)影響無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可擴(kuò)展性,影響寬帶通信的數(shù)據(jù)吞吐量;其次,由于現(xiàn)有絕大多數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是基于有線網(wǎng)絡(luò)來(lái)設(shè)計(jì)的,因此,其原有的高層應(yīng)用和協(xié)議要在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用必須作相應(yīng)的改進(jìn);另外,無(wú)線技術(shù)要在監(jiān)獄安防系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,設(shè)備的成本問(wèn)題也是一個(gè)重要的因素,無(wú)線通信模塊必須適合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的低成本要求。 本文所研究的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)獄安防系統(tǒng)設(shè)計(jì),并不是一味地用無(wú)線代替有線,而是在現(xiàn)有監(jiān)獄有線安防系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,保留其原有的數(shù)據(jù)傳輸量較大的視頻、門限等有線監(jiān)控手段,加入靜態(tài)溫度振動(dòng)敏感無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定位無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),從而更加完善安防系統(tǒng),消除監(jiān)測(cè)盲區(qū),使各個(gè)子系統(tǒng)的功能相得益彰。
1 監(jiān)獄安防系統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一組傳感器以Ad Hoc方式組成的有線或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò),其目的是協(xié)作地感知、采集和處理傳感器網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息,并傳遞給觀察者。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)集中了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù),能協(xié)作地感知、監(jiān)測(cè)和采集各種環(huán)境下所感知對(duì)象的信息,通過(guò)對(duì)這些信息的協(xié)作式信息處理,獲得感知對(duì)象的準(zhǔn)確信息,然后,通過(guò)Ad Hoc方式傳送到需要這些信息的用戶。用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器與一般概念的傳感器不同,它除了能夠感測(cè)被測(cè)物理量的變化并輸出相應(yīng)的變化信息外,還要具備遠(yuǎn)程通信功能,必須是一種智能型的傳感器。另外,要完成通信功能,除具有敏感元件外,還必須具有電源、嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)傳輸通信部件等。圖1是典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖,它包括傳感節(jié)點(diǎn)(sensor),觀測(cè)節(jié)點(diǎn)(sink)和基站等。
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)通過(guò)飛機(jī)布撒、人工布置等方式,大量部署在感知對(duì)象內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò),以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中特定的信息,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意地點(diǎn)信息在任意時(shí)間的采集、處理和分析。這種以自組織形式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),通過(guò)多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回sink節(jié)點(diǎn)(中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)),最后,借助sink鏈路將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行集中處理。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成元素是節(jié)點(diǎn),在不同的應(yīng)用中,傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)也各不相同,但它們的基本結(jié)構(gòu)是一樣的。節(jié)點(diǎn)的典型硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要包括如下幾個(gè)單元:傳感單元(由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成),處理單元(由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成,包括微處理器、存儲(chǔ)器、信號(hào)調(diào)理電路等)、通信單元(由無(wú)線射頻模塊組成),以及電源部分。此外,可以選擇的其他功能單元包括:定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。
2現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層設(shè)計(jì)方案
2.1 靜態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置在獄室、生產(chǎn)區(qū)、制高點(diǎn)、禁閉室、教學(xué)區(qū)、醫(yī)務(wù)室等,實(shí)現(xiàn)對(duì)于監(jiān)獄的全面覆蓋。將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入監(jiān)獄安防系統(tǒng),主要是因?yàn)樵诒O(jiān)獄中傳感器節(jié)點(diǎn)非常多,布線工程非常大,并且,許多區(qū)域不適合采用有線連接,如果采用無(wú)線接入方式,則使傳感器的部署變得非常方便,可以方便地增加傳感器節(jié)點(diǎn)或改變節(jié)點(diǎn)的位置。通過(guò)周期性或不定期地改變監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置,可以消除現(xiàn)有有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)上的盲區(qū),通過(guò)傳感器陣列對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。并且,由于監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置經(jīng)常變化,犯人無(wú)法找到監(jiān)測(cè)漏洞,從而更加完善安防系統(tǒng)。
2.2動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
通過(guò)將節(jié)點(diǎn)佩戴在犯人身上,利用定位機(jī)制實(shí)時(shí)掌握犯人的活動(dòng)情況。但由于犯人數(shù)目較多,故只需傳輸兩類數(shù)據(jù):一是犯人的活動(dòng)范圍超過(guò)規(guī)定范圍時(shí);二是節(jié)點(diǎn)由于受到外力作用或是能量耗盡而失效時(shí),遠(yuǎn)程中心必須檢測(cè)到缺失的節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)可以在本地進(jìn)行簡(jiǎn)單處理,然后,進(jìn)行聚集并傳送到基站(PC機(jī)或PDA),監(jiān)獄的遠(yuǎn)程服務(wù)器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)每位被監(jiān)測(cè)犯人的指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,通過(guò)專家系統(tǒng)判斷犯人的實(shí)時(shí)狀況。如果發(fā)現(xiàn)犯人出現(xiàn)異?;蛭kU(xiǎn)則進(jìn)行報(bào)警并快速做出措施。同時(shí),本系統(tǒng)還可以提供其他輔助功能,如犯人的定位跟蹤。通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)在對(duì)犯人必要的振動(dòng)、位置指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的同時(shí)還允許犯人在一定范圍內(nèi)自由活動(dòng),這有助于讓患者保持良好的情緒,對(duì)于犯人的改造很有幫助。由于每個(gè)獄室都部署相應(yīng)的傳感器,所以,獄警還可以全面掌握犯人的休息情況。當(dāng)犯人在獄室或在獄室外活動(dòng)(要求病房外也要部署傳感器網(wǎng)絡(luò))時(shí),獄警仍然可以對(duì)其進(jìn)行定位、跟蹤,并及時(shí)獲取其振動(dòng)、位置指標(biāo)參數(shù)。
將節(jié)點(diǎn)佩戴在獄警身上。利用節(jié)點(diǎn)上配置的振動(dòng)傳感器和定位系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)監(jiān)控獄警的工作區(qū)域和保障其人身安全。一方面當(dāng)發(fā)生突發(fā)情況時(shí),如犯人襲警或犯人之間斗毆,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程服務(wù)中心迅速做出反應(yīng),通知警力迅速到達(dá)事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行支援;另一方面,通過(guò)對(duì)獄警的定位跟蹤,可以掌握獄警的工作情況,有利于提高工作效率。
3系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案
3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)包括1只或多只傳感器元件,mote和電池組。傳感器主要探測(cè)振動(dòng)和溫度的數(shù)據(jù),mote負(fù)責(zé)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)交尽?/p>
射頻采用nRF9E5,nRF9E5是由挪威Nordic公司推出的系統(tǒng)級(jí)RF芯片。其采用GFSK調(diào)制,抗干擾能力強(qiáng);支持多點(diǎn)通信,數(shù)據(jù)傳輸速率高可達(dá)0.1 MB/s;具有特有的Shock Burst信號(hào)發(fā)射模式和發(fā)射信號(hào)載波監(jiān)測(cè)功能,可有效地降低功耗電流、避免數(shù)據(jù)沖突。內(nèi)部寄存器為用戶提供了基礎(chǔ)的通信協(xié)議,便于用戶擴(kuò)展,因此,很適用于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。nRF9E5的收發(fā)器有3種工作方式:Shock Burst接收(RX)方式、Shock Burst發(fā)送(TX)方式和空閑方式。nRF9E5收發(fā)器的工作方式由特殊功能寄存器TRX_CE和TX_EN決定。
數(shù)字振動(dòng)溫度傳感器DS181320是由Dallas公司開發(fā)的微型化、低功耗的可編程單總線數(shù)字振動(dòng)溫度傳感器,可直接將測(cè)得的溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。DS18B20的工作遵循嚴(yán)格的單總線協(xié)議,即先初始化,然后,發(fā)送ROM命令,最后,發(fā)送功能命令。初始化包括主機(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖(通過(guò)將總線拉低至少480μs來(lái)實(shí)現(xiàn)),主機(jī)等待DS18B20發(fā)回的存在脈沖。DS18B20則從檢測(cè)到復(fù)位脈沖的上升沿開始等待15~16μs后,通過(guò)將單總線拉低60~240μs,實(shí)現(xiàn)存在脈沖的發(fā)送。DS18B20的讀寫操作是通過(guò)讀寫時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此,采用DS18B20能使電路簡(jiǎn)單化,提高節(jié)點(diǎn)集成度和振動(dòng)溫度測(cè)量精度。
3.2軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信模式,所以,將通信協(xié)議分為3層:第一層為物理層,由nRF9E5模塊硬件實(shí)現(xiàn);第二層為網(wǎng)絡(luò)層;第三層為應(yīng)用層。
網(wǎng)絡(luò)層采用TEEN(threshold sensitive energy efficientsensor network protocol)協(xié)議。該協(xié)議為響應(yīng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,只是在被觀測(cè)變量發(fā)生突變時(shí)才傳送數(shù)據(jù)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的能量有限,且不便補(bǔ)充,故使用該協(xié)議可有效地節(jié)約能量,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。另外,在監(jiān)獄安防系統(tǒng)中,只有當(dāng)振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)產(chǎn)生突變時(shí),才需要傳輸數(shù)據(jù),而持續(xù)的以恒定速率發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)給sink節(jié)點(diǎn)對(duì)于監(jiān)獄安防系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不必要的。圖3、圖4分別為主機(jī)模塊軟件流程圖和節(jié)點(diǎn)模塊軟件流程圖。
在具體應(yīng)用中,TEEN中定義了硬、軟2個(gè)門限值,以確定是否需要發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。硬門限的設(shè)置,當(dāng)溫度以及振動(dòng)超過(guò)該值時(shí),則節(jié)點(diǎn)發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)到sink節(jié)點(diǎn);軟門限的設(shè)置,當(dāng)振動(dòng)以及溫度變化范圍超過(guò)該值時(shí),則發(fā)送數(shù)據(jù)。
4仿真與結(jié)果分析
為了驗(yàn)證算法的可行性和有效性,暫時(shí)不考慮風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、噪聲等因素對(duì)定位精度造成的影響,假設(shè)聲音在空氣中的傳播速度為340 m/s。
如圖5所示,假設(shè)3只傳感器節(jié)點(diǎn)分布在100 m×100m的區(qū)域。圖中,o代表目標(biāo)實(shí)際位置,*代表傳感器節(jié)點(diǎn)位置,+號(hào)代表計(jì)算得到的目標(biāo)位置。
通過(guò)靜態(tài)分布的傳感器陣列可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證,利用目標(biāo)定位系統(tǒng)計(jì)算出的目標(biāo)位置與實(shí)際目標(biāo)位置之間的誤差在可接收的范圍內(nèi)。當(dāng)發(fā)生突發(fā)情況時(shí),按照計(jì)算結(jié)果,通過(guò)警力可以迅速、有效的采取措施。
在100m×100m的正方形仿真區(qū)域中,隨機(jī)均勻分布一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn),10,20,……,100,每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相同的通信距離10m,其中,有5個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)。圖6所示是DV-Hop定位算法在隨機(jī)選取錨節(jié)點(diǎn)的情況下的定位誤差。仿真結(jié)果表明:隨著傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加,定位所產(chǎn)生的誤差減小。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,可以在綜合考慮成本的基礎(chǔ)上,適當(dāng)?shù)脑黾觿?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。
5 結(jié)束語(yǔ)
監(jiān)獄安防系統(tǒng)的根本目的就是給管理帶來(lái)更高的可靠性,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展給監(jiān)獄安防系統(tǒng)的集成帶來(lái)更寬闊的空間,不僅克服了安防系統(tǒng)集成過(guò)程中線纜限制引起的不便性,也使安防系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)許多新的應(yīng)用。本文所給出的無(wú)線傳感器組網(wǎng)方式,無(wú)線傳感器與控制網(wǎng)絡(luò)的集成框架能夠使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在監(jiān)獄安防系統(tǒng)中得到有效應(yīng)用。
評(píng)論