專利名稱：基于無線傳感器網絡的周界防護系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于無線傳感器網絡的周界防護系統，具體涉及一種基于無線傳感器網絡并采用多種感知手段的“即布即用”周界防護系統。
背景技術：
隨著技術的進步與發展，現代戰爭中戰場的范圍在不斷地擴大，為指揮所、營地等軍事要地提供全維不間斷的安全防護監視，實時發現非法入侵目標，保護人員、設施、資源和裝備免受敵特或恐怖襲擊，已成為現代戰爭面臨的一項重要挑戰。在民用領域中，機場、港口、危險品倉庫等重要設施的安全保衛形勢也不容樂觀。然而，物理周界防范手段(如柵欄、圍墻等)已難以適應現代安全保衛工作的需要，因此，研制并應用技術周界防范手段成為了首要選擇。這些技術周界防范手段，將周界防范從單純的物理隔絕上升到智能管理，有效提高了周界防護的效率。目前，市場上已有紅外線對射、微波探測、振動電纜、視頻監控等多種技術周界防護設備，然而，這些技術周界防護設備在機制上或性能上卻或多或少存在著明顯不足。例如視頻監控通常采用定點監控，監控范圍小，一般必須連續掃描，造成資源的浪費，且需要有人值守方能實現實時監測；紅外監控由于紅外技術自身的特性，導致紅外線安防監控系統存在監測盲區、易破解、易受環境光源和小動物干擾等先天不足；微波場和電子圍欄則比較容易受到電磁的干擾而使系統癱瘓，并且系統復雜，實施成本較高。此外，部分采用光纖、網絡等有線布線方式實現的安防系統，其結構工藝復雜，施工麻煩且工期長。
發明內容
發明目的:針對上述現有技術存在的問題和不足，本發明的目的是提供一種基于無線傳感器網絡的周界防護系統，基于先進的短距離無線通信技術和傳感器技術，將傳統的物理隔絕周界防護系統、入侵檢測系統和無線報警系統融為一體，組合成一種多監測目標、多重防護、智能化的無線安防系統。技術方案:為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為一種基于無線傳感器網絡的周界防護系統，包括無線監測節點(簡稱“監測節點”)、傳感網中心控制節點、監控中心服務器和便攜監控終端:所述無線監測節點和傳感網中心控制節點布置在目標防護區域；所述無線監測節點通過外擴的傳感器采集信息并通過無線方式將所采集的信息發送至傳感網中心控制節點；所述傳感網中心控制節點用于組建無線通信網絡，接收所述無線監測節點發送的信息并利用數據融合手段處理信息，并將處理后的監測數據通過有線方式轉發至監控中心服務器；所述監控中心服務器用于存儲和分析所述監測數據并顯示監測信息，若發現有被防護的目標被入侵，則發出報警，并將監測信息和報警信息通過無線方式發送給便攜監控終端；所述便攜監控終端通過無線方式訪問監控中心服務器的數據。進一步的，所述無線監測節點包括傳感器接口單元、第一微處理器單元和第一通信單元，所述傳感器將所采集的信息變換為電信號并通過傳感器接口單元將所述電信號傳送給所述第一微處理器單元，第一微處理器單元將所述電信號通過所述第一通信單元無線發送給傳感網中心控制節點。進一步的，所述傳感器包括紅外傳感器、震動傳感器和磁敏傳感器。進一步的，所述傳感網中心控制節點包括第二微處理器單元、第二通信單元和接口單元，所述第二通信單元接收第一通信單元發送的信號并傳送至第二微處理器單元，第二微處理器單元將接收到的信號進行數據融合處理，并將處理后的監測數據通過接口單元有線發送至監控中心服務器。更進一步的，所述傳感網中心控制節點還包括輔助定位單元，所述輔助定位單元將傳感網中心控制節點的位置信息依次通過第二微處理器單元和接口單元有線發送至監控中心服務器。接口單元中主要提供了一些對外通信的接口，如RS232串口，USB接口和網絡接口。所述所述輔助定位單元可以包括GPS模塊。進一步的，所述無線監測節點和傳感網中心控制節點采用Zigbee無線自組網方式通訊。本發明中，監控中心服務器一般采用高性能的服務器并運行監測軟件，服務器端的監測軟件主要由通信模塊、數據存儲模塊，數據處理模塊和顯示告警模塊幾部分組成，并提供基本的通信與協議解析(串口通信、網絡通信TCP、UDP)、監測信息存儲和管理、傳感網拓撲和分布的傳感器監測信息實時展示和異常報警等功能，并具備在線設備故障監測能力。便攜監控終端主要使用手持設備如PDA、平板電腦等，其利用無線網絡通信方式訪問監控服務器的監測信息和處理結果，并通過友好的交互方式展示。便攜監控終端作為一種便攜的智能監測設備，能在發生非法入侵或異常告警時，現場指示相關人員排查警情。進一步的，所述傳感器至少包括震動傳感器，所述無線監測節點的運行機制為主動休眠加中斷喚醒，具體如下:所述無線監測節點部署完成后即主動進入低功耗休眠模式，每隔一段時間由內部定時器喚醒，并主動讀取各個傳感器采集的信息，再通過無線通信發送至傳感網中心控制節點；中斷喚醒是指若有目標進入監測區域時，震動傳感器通過輸出一個數字信號喚醒無線監測節點，無線監測節點被喚醒后首先開啟ADC模塊，采集震動傳感器通過模擬輸出通道輸出的電壓值，當連續一段時間采集到的輸出電壓高于無線監測節點設定的休眠門限電壓閾值時，則立即接通其他傳感器電源進入多傳感器工作模式，否則無線監測節點再次進入休眠狀態。這種監測節點主動休眠加中斷喚醒的運行機制在保證入侵目標可靠監測的同時還能有效節省系統能耗、提高系統的生存時間。進一步的，所述便攜監控終端包括手機、PDA或平板電腦。本發明的工作原理是利用飛行器拋投或者人工部署的方式將大量攜帶各類傳感器的監測節點部署在目標監測區域內，同時傳感網中心控制節點啟動并發起組建短距離無線通信網絡，區域內的監測節點以自組織的方式快速加入網絡，并形成網狀網覆蓋監測區域。網絡形成后，監測區域內的各個監測節點會啟動節點自定位功能(本發明中不展開論述無線傳感器網絡節點自定位相關技術，具體可以查詢相關專利。若采用人工部署方式則可直接將節點位置信息發送至監控中心服務器)并將定位結果發送至監控中心服務器。定位結束即完成周界防護監測網絡的部署，防護系統便可投入工作。當有目標進入監測區域后，首先使用上述的喚醒機制將監測節點喚醒，監測節點采集到入侵目標的震動、光阻擋和磁場等信息后通過多跳路由的方式發送到傳感網中心控制節點，傳感網中心控制節點將數據進行簡單融合處理后再通過串口將結果傳送給監控中心服務器，監控中心服務器端通過對上傳數據的存儲、分析、計算、顯示實現對監測區域入侵目標的檢測、識別、跟蹤和報警等功能。同時便攜監控終端可以利用網絡通信方式訪問監控服務器的監測信息和處理結果，現場指示相關人員排查警情。當警情排除或入侵目標離開檢測區域后，監測節點又可進入低功耗工作模式以降低能耗。有益效果:無線傳感器網絡是由大量廉價的傳感器節點組成的無線自組織網絡，每個傳感器節點均具有一定的感知、處理、存儲和無線通信能力，具有節點成本低體積小、組網方式靈活、部署方式簡單易行、適合無人值守等優點。與現有的技術周界防范手段相t匕，利用無線傳感器網絡進行周界防護，實現目標的入侵監測，具有以下明顯的優勢:組網靈活，即布即用:可以利用飛行器空投或人工布置的方式快速部署在目標監測區域或重點防護目標周界。同時，它不易受地形和氣候的限制，能夠快速有效地部署在各種地形的環境中，并可利用傳感網自組織技術和無線定位技術即時形成覆蓋防護區域的監測網絡。分布協同，全面監測:相對視頻監控這類定點監控方式和紅外安防監控、電子圍欄等線式鏈式監控方式，基于分布式無線傳感器網絡采用分散部署，點面結合的全面監測方式，通過一張覆蓋整個監測區域的無形的網絡，形成多縱深、大范圍的監測區域，全面感知各種非法入侵和異常。
圖1是本發明的應用部署示意圖；圖2是本發明的系統組成示意圖，圖中的UART為UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter,通用異步接收/發送裝置的縮寫；圖3是本發明的監測節點與傳感網中心控制節點自組織網絡示意圖，圖中示意性的標出了幾個監測節點，其它沒有標注的圓圈也為監測節點；圖4是本發明的監測節點結構示意圖；圖5是本發明的傳感網中心控制節點結構示意圖；圖6是本發明的便攜監控終端結構示意圖；圖7是本發明的監測節點低功耗原理示意圖；圖8是本發明的系統工作流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。參照圖1本發明所述的基于多感知無線傳感器網絡的“即布即用”周界防護系統可以與傳統的采用物理隔絕方式的周界防護手段相結合，并具有部署靈活、即布即用的特點。在對軍事應用中的重要目標進行周界防護中，首先采用飛行器拋投或者人工布置的方法將監測節點和傳感網中心控制節點部署在在目標防護區域。參考圖2本文所述的基于多感知無線傳感器網絡的“即布即用”周界防護系統包括多傳感器監測節點101、傳感網中心控制節點102、監控中心服務器103和便攜監控終端104。監測節點101主要負責利用擴展的各類傳感器采集信息并通過無線方式將信息發送至傳感網中心控制節點102 ;傳感網中心控制節點102主要負責Zigbee網絡的組建、維護與管控，接收各個分布在監控現場的監測節點101發送的監測數據并利用數據融合手段進行更高層次的數據處理，同時通過串口將處理結果轉發至監控中心服務器103 ;監控中心服務器103主要負責對監測數據進行存儲和分析，提供友善的人機交互接口實現監測結果的顯示、安防等級與態勢分析和異常報警并為便攜監控終端104提供實時的監測信息和處理結果；便攜監控終端104主要利用網絡通信方式訪問監控服務器103的監測信息和處理結果，并由相關人員隨身攜帶以幫助其現場排查警情。如圖3所示，本發明中監測節點101與傳感網中心控制節點102采用短距離無線通訊技術Zigbee組建自組織網絡，網絡拓撲一般采用網狀或樹狀結構。Zigbee無線傳感器網絡一般包括一個Zigbee協調器節點和多個終端節點。本發明中由傳感網中心控制節點102作為協調器節點主要負責啟動網絡、配置網絡成員、維護網絡、維護節點的綁定關系等，監測區域內分布的多個監測節點101作為Zigbee網絡的終端節點主要完成傳感器信息采集、無線路由通信、解析傳感網中心控制節點102各類管控指令及執行相關配置操作。如圖4所示，本發明中監測節點101包括電源供給單元、核心處理單元、傳感器接口單元、通信單元和定位輔助單元。電源供給單元為整個監測節點上各組成單元供給能量，主要由電池和電壓轉換電路組成；傳感器接口單元提供對紅外對射傳感器、震動傳感器、磁敏傳感器以及其他傳感器的硬件接入支持，并通過對入侵目標震動特征量、磁特征量和光阻擋特征量的提取、分析實現對不同入侵目標的簡單辨識，并可以根據具體應用需求，接入一個或多個不同的傳感器擴展感知能力；核心處理單元由微處理器和外圍電路組成。本發明中通信單元采用zigbee技術實現短距離無線通信。輔助定位單元為可選模塊，在實際部署時可以使用GPS定位或者采用人工標定的方法獲取監測節點的位置信息。如圖5所示,傳感網中心控制節點102包括核心處理單元、通信單元、輔助定位單元(GPS)、接口單元以及電源供給單元。所述通信單元由zigbee通信模塊構成,所述zigbee模塊實現傳感網中心控制節點與監測節點間無線通信功能。由于傳感網中心控制節點需要匯聚、融合各個監測節點采集的實時數據，節點處理數據量較大，因此相對于監測節點需要更多的系統資源，本發明中采用了高性能的嵌入式處理器。所述接口單元包括網絡接口、串行通訊接口、通用輸入輸出接口(GPIO)和模擬數字轉化接口(ADC)，這些接口使得系統的擴展更為靈活。傳感網中心控制節點與監控中心服務器之間使用串口通信方式。如圖6所示，便攜監控終端104包括核心處理單元、通信單元、輔助定位單元(GPS)、人機交互單元以及電源供給單元。所述通信單元包括多種無線通訊方式如WiF1、GPRS，主要實現便攜監控終端104利用網絡通信遠程訪問監控中心服務器數據。所述人機交互單元主要包括多種人機交互手段，如液晶顯示屏顯示、鍵盤輸入、語音識別輸入、語音提示輸出等等。便攜監控終端104主要由相關人員隨身攜帶以幫助其現場排查警情，因此對體積和功耗有較高要求。
參照圖7，本發明中監測節點101具備三種類型的傳感器接口:震動傳感器、磁敏傳感器和紅外傳感器，其中震動傳感器有兩路信號輸出，一路輸出數字信號直接連接到監測節點101核心處理單元(簡稱“處理單元”)的外部中斷檢測接口，另一路輸出模擬信號并與處理單元的模數轉換(ADC)模塊相連。監測節點101攜帶的三種傳感器工作電源均取自節點本身，但是為了盡可能降低功耗，平時只有震動傳感器的電源處于接通狀態即只有震動傳感器處于工作模式，其余傳感器均未接通電源。本發明中采用一種主動休眠加中斷喚醒的運行機制，即監測節點101大部分時間處于低功耗的休眠模式，并可由兩類事件喚醒。一種喚醒方式是每隔一段時間由處理單元內的內部定時器喚醒并接通各個傳感器工作電源讀取傳感器的數據后再以無線方式發送至傳感網中心控制節點102 ;另一種喚醒方式是，當有目標進入監測區域時，監測節點101攜帶的震動傳感器與核心處理單元上外部中斷監測接口相連接的引腳將產生一個下降沿信號用于喚醒節點，監測節點101喚醒后首先開啟ADC模塊采集震動傳感器模擬輸出通道輸出的電壓值，當連續一段時間采集到的輸出電壓高于監測節點設定的休眠門限電壓閾值時則立即接通其他傳感器(紅外傳感器和磁敏傳感器)電源進入多傳感器工作模式，否則監測節點101再次進入休眠狀態。這種節點主動休眠加中斷喚醒的運行機制在保證入侵目標可靠監測的同時還能有效節省系統能耗、提聞系統的生存時間。參照圖8，本系統完成周界防護任務的步驟:在步驟801中首先啟動監控中心服務器完成初始化工作，同時在監測區域部署監測節點101和傳感網中心控制節點102，啟動傳感網中心控制節點102建立短距離無線通信網絡，監測節點101依次加入并形成自組織網絡；在步驟802中監測節點101和傳感網中心控制節點102利用輔助定位單元進行定位并將獲取的位置信息上傳至監控中心服務器103 ;在步驟803中監控中心服務器103根據監測節點101組網和位置信息，計算生成覆蓋整個監測區域的監測地圖(當監測區域內有新的監測節點加入或退出以及部署發生變化時監控中心服務器都會更新監測地圖)；在步驟804中，監測節點101部署完成并成功上傳位置信息后將進入休眠狀態，并采用上述主動休眠加中斷喚醒的運行機制，定期由內部定時中斷喚醒或由外部中斷信號喚醒；在步驟805中當有目標進入監測區域，區域內的監測節點101將立即被喚醒并進入協同監控工作模式，開始采集入侵目標的震動、光阻擋和磁場等信息以多跳路由的方式發送到傳感網中心控制節點102，傳感網中心控制節點102將數據進行簡單融合處理后再通過串口將結果傳送給監控中心服務器103 ;在步驟806中，監控中心服務器103通過對上傳數據的存儲、分析、計算、顯示實現對監測區域入侵目標的檢測、識別、跟蹤和報警，以及根據警情級別給出對應的應急方案，并通知指示相關人員去監測現場排查；在步驟807中，相關人員進入報警區域排查警情，可以通過隨身攜帶的便攜監控終端104實時查看最新的監測結果以及接收監控中心服務器的各項指示命令；在步驟808中，當警情排除后，監測區域內的監測節點101將再次進入休眠模式，以低功耗方式運行以延長監測網絡的生存時間。與傳統的周界防護系統相比，本發明使周界防護系統的構建更靈活機動、監測更智能全面，具有低成本、低功耗、部署靈活、監測面廣、適用性強等特點，很好地克服了基于視頻、紅外線、光纖等傳統安防監控手段的周界防護系統存在安裝繁復、監控范圍有限、線路結構復雜、抗毀性與可靠性差、施工麻煩且工期較長等缺點。
權利要求
1.一種基于無線傳感器網絡的周界防護系統，包括無線監測節點、傳感網中心控制節點、監控中心服務器和便攜監控終端，其特征在于: 所述無線監測節點和傳感網中心控制節點布置在目標防護區域； 所述無線監測節點通過外擴的傳感器采集信息并通過無線方式將所采集的信息發送至傳感網中心控制節點； 所述傳感網中心控制節點用于組建無線通信網絡，接收所述無線監測節點發送的信息并利用數據融合手段處理信息，并將處理后的監測數據通過有線方式轉發至監控中心服務器； 所述監控中心服務器用于存儲和分析所述監測數據并顯示監測信息，若發現有被防護的目標被入侵，則發出報警，并將監測信息和報警信息通過無線方式發送給便攜監控終端; 所述便攜監控終端通過無線方式訪問監控中心服務器的數據。
2.根據權利要求1所述基于無線傳感器網絡的周界防護系統，其特征在于:所述無線監測節點包括傳感器接口單元、第一微處理器單元和第一通信單元，所述傳感器將所采集的信息變換為電信號并通過傳感器接口單元將所述電信號傳送給所述第一微處理器單元，第一微處理器單元將所述電信號通過所述第一通信單元無線發送給傳感網中心控制節點。
3.根據權利要求1所述基于無線傳感器網絡的周界防護系統，其特征在于:所述傳感器包括紅外傳感器、震動傳感器和磁敏傳感器。
4.根據權利要求2所述基于無線傳感器網絡的周界防護系統，其特征在于:所述傳感網中心控制節點包括第二微處理器單元、第二通信單元和接口單元，所述第二通信單元接收第一通信單元發送的信號并傳送至第二微處理器單元，第二微處理器單元將接收到的信號進行數據融合處理，并將處理后的監測數據通過接口單元有線發送至監控中心服務器。
5.根據權利要求4所述基于無線傳感器網絡的周界防護系統，其特征在于:所述傳感網中心控制節點還包括輔助定位單元，所述輔助定位單元將傳感網中心控制節點的位置信息依次通過第二微處理器單元和接口單元有線發送至監控中心服務器。
6.根據權利要求1所述基于無線傳感器網絡的周界防護系統，其特征在于:所述無線監測節點和傳感網中心控制節點采用Zigbee無線自組網方式通訊。
7.根據權利要求1所述基于無線傳感器網絡的周界防護系統，其特征在于:所述傳感器至少包括震動傳感器，所述無線監測節點的運行機制為主動休眠加中斷喚醒，具體如下:所述無線監測節點部署完成后即主動進入低功耗休眠模式，每隔一段時間由內部定時器喚醒，并主動讀取各個傳感器采集的信息，再通過無線通信發送至傳感網中心控制節點；中斷喚醒是指若有目標進入監測區域時，震動傳感器通過輸出一個數字信號喚醒無線監測節點，無線監測節點被喚醒后首先開啟ADC模塊，采集震動傳感器通過模擬輸出通道輸出的電壓值，當連續一段時間采集到的輸出電壓高于無線監測節點設定的休眠門限電壓閾值時，則立即接通其他傳感器電源進入多傳感器工作模式，否則無線監測節點再次進入休眠狀態。
8.根據權利要求1所述基于無線傳感器網絡的周界防護系統，其特征在于:所述便攜監控終端包括手機、PDA或平板電腦。
全文摘要
本發明公開了一種基于無線傳感器網絡的周界防護系統，包括無線監測節點、傳感網中心控制節點、監控中心服務器和便攜監控終端；無線監測節點通過外擴的傳感器采集信息并通過無線方式將所采集的信息發送至傳感網中心控制節點；傳感網中心控制節點用于組建無線通信網絡，接收無線監測節點發送的信息并利用數據融合手段處理信息，并將處理后的監測數據通過有線方式轉發至監控中心服務器；監控中心服務器用于存儲和分析監測數據并顯示監測信息，若發現有被防護的目標被入侵，則報警，并將監測信息和報警信息通過無線方式發送給便攜監控終端；便攜監控終端通過無線方式訪問監控中心服務器的數據。本發明低成本、低功耗、部署靈活、監測面廣、適用性強。
文檔編號G08B13/00GK103093563SQ20131000043
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月4日 優先權日2013年1月4日
發明者賁偉, 吳振鋒, 孫亭, 蔣飛, 劉興川 申請人:中國電子科技集團公司第二十八研究所