CN101442827B - 一种基于无线传感器网络的移动智能安防监控系统 - Google Patents

一种基于无线传感器网络的移动智能安防监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的移动智能安防监控系统,由中央监控服务器、基站节点、多个路由节点、目标节点和图像采集节点组成;所述中央监控服务器包括有一公知计算机、数字监控地图、监控服务处理模块,数字监控地图和监控服务处理模块存储在公知计算机的存储器中;数字监控地图采用网格形式构造出包括有路由节点、基站节点、图像采集节点的地图,是对真实布置的需要进行安防监控区域转化为数字形式的计算机显示;的平面地图;中央监控服务器与基站节点采用有线电缆连接,图像采集节点与基站节点采用无线方式连接,基站节点与多个路由节点采用无线方式连接。本发明监控系统在被监控物被移动时,根据被监控物移动后的位置与网络中传感器感知的信号强度进行实时定位跟踪。

Description

一种基于无线传感器网络的移动智能安防监控系统
技术领域
[0001] 本发明涉及安防监控领域,更特别地说,是指一种基于无线传感器网络的移动智
能安防监控系统。该系统通过目标节点与路由节点之间的广播信号强弱对目标节点实现移 动定位。
背景技术
[0002] 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,简称WSNs)是由部署在监测区域内 大量微型传感器节点组成,通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织网络系统,其目的 是协作地实时监测、感知和采集网络监测区域内的各种环境或被监测对象的信息,并将信 息发送给观察者。微小型、节能型的传感器节点技术赋予了无线传感器网络广阔的应用前 景,在军事国防、生物监测、智能监控、抢险救援以及交通管理等许多重要领域都有潜在的 应用价值,已经吸引了世界各国学术界、工业界以及军事部门的极大关注,并开展了卓有成 效的研究工作。
[0003] 现有的安防监控系统大都以监控范围内采用主要实现了异常检测和图像采集功 能,功能很单一化,无法实现定位追踪;采用有线的方式进行警报传输,部署复杂;监控设 备为摄像头、敏感电缆等固定设备,可移动性差。无线传感器网络具有的部署简洁、实时性 高、自主协调性强等优点,将无线传感器网络引入到安防监控系统,可以有效的改善现有的 安防监控系统的缺陷。当被监控物被盗或移动后,可以很快感知报警,同时能够快速定位追
踪o
发明内容
[0004] 本发明的目的是提出一种基于无线传感器网络的智能安防监控系统,该智能安防 监控系统通过在被监控物上安装振动传感器,同时在被监控范围内布置多个无线传感器, 使得所述的多个无线传感器形成一个多跳的自组织网络;在被监控物被移动时,根据被监 控物移动后的位置与网络中传感器感知的信号强度进行实时定位跟踪。
[0005] 本发明的一种基于无线传感器网络的智能安防监控系统由中央监控服务器1、基 站节点2、多个路由节点、目标节点5和图像采集节点4组成。中央监控服务器1与基站节 点2采用有线电缆连接(即基站节点2上的连接线连接在中央监控服务器1的公知计算机 的串口上),图像采集节点4与基站节点2采用无线方式联接,基站节点2与多个路由节点 采用无线方式联接。中央监控服务器1中的监控服务处理模块由信息监听与处理单元11、 目标节点定位单元12、警报发布单元13组成,信息监听与处理单元11 一方面用于将接收 的图像信息PI进行保存,并发送给警报发布单元13 ;另一方面用于将接收的定位路由信 息RI(Rss, ID)发送给目标节点定位单元12;目标节点定位单元12对接收的定位路由信 息RI(Rss, ID)采用RFRM算法计算目标节点5在数字监控地图中的物理位置LI,然后将 物理位置LI发送给警报发布单元13。所述目标节点定位单元12对接收的定位路由信息 RI(Rss,ID)的处理采用的是一种基于信号强度加权平均的方法。该基于信号强度加权平均
4的方法对目标节点5实现定位,首先是利用各个路由节点发送的定位路由信息RI (Rss,ID) 中的信号强度信息,计算各个路由节点的位置权值om,然后利用该权值011)和各个路由节 点在监控区域中的位置信息(xID, yID)经加权平均法处理,求得目标节点5的定位坐标
[,]pIX教,;^2X教。
[0007] 本发明的一种基于无线传感器网络的智能安防监控系统优点在于:(1)各节点之 间采用无线连接方式,使得整个系统部署简洁、自主协调性强。(2)采用路由节点感知目标 节点的信号强度来判断移动节点在整个系统中的位置,有利于监测移动节点的移动动向和 移动范围。(3)采用信号强度进行目标节点的定位,实现对目标实时定位的功能,当被监控 物被盗或移动后,可以很快感知报警,同时能够进行快速定位追踪。
附图说明
[0008] 图1是本发明基于无线传感器网络的智能安防监控系统的结构图。
[0009] 图2是本发明监控服务处理模块的结构框图。
[0010] 图3是本发明数字监控地图与各节点的匹配显示图。
[0011] 图中:l.中央监控服务器11.信息监听与处理单元12.目标节点定位单元
[0012] 13.警报发布单元 2.基站节点 31.A无线传感器 32.B无线传感器
[0013] 33.C无线传感器 34.D无线传感器35. E无线传感器 36. F无线传感器
[0014] 37.N无线传感器 4.图像采集节点5.目标节点
具体实施方式
[0015] 下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
[0016] 本发明的移动智能安防监控系统,是基于多个无线传感器形成的多跳自组织网 络,在该网络中每一个无线传感器称作一个路由节点。通过自组织网络中各路由节点(无 线传感器)感知的信号强弱来判断被监控物移动后的位置,从而实现实时的移动跟踪。 [0017] 参见图1所示,本发明的一种基于无线传感器网络的移动智能安防监控系统,由 中央监控服务器1、基站节点2、多个路由节点、目标节点5和图像采集节点4组成。中央监 控服务器1与基站节点2采用有线电缆连接(即基站节点2上的连接线连接在中央监控服 务器1的公知计算机的串口上),图像采集节点4与基站节点2采用无线方式联接,基站节 点2与多个路由节点采用无线方式联接。所述的移动智能安防监控系统中各部分实现的功 能为:
[0018] 图像采集节点
[0019] 图像采集节点4一方面根据接收的图像采集指令NC对目标节点5进行图像拍摄, 另一方面将采集到的图像信息PI输出给基站节点2。 [0020] 目标节点
[0021] 目标节点5在移动过程中,根据安装在被监控物上的振动传感器向外广播该被监 控物行走信息MI (AM, LR) , AM表示被监控物被移动了 , LR表示被监控物请求定位,该行走信 息MI可以被基站节点2和多个路由节点监听到。 [0022] 足各由节点[0023] 如图1所示,在监控区域内设置有A无线传感器31、B无线传感器32、C无线传感器 33、D无线传感器34、E无线传感器35、F无线传感器36和N无线传感器37,这些无线传感 器是以无线通信的方式形成一个多跳的自组织网络,在该网络中每一个无线传感器称作一 个路由节点,也就是说监控区域内设置有多个路由节点。在本发明中,路由节点设置的个数 要根据监控区域的大小来定, 一般对于监控区域大小在lOOmX 100m范围时可以设有50〜 80个无线传感器(路由节点)。
[0024] 该多个路由节点分别用于监听目标节点5广播的行走信息MI (AM, LR),并利用各
自接收该行走信息MI(AM, LR)时所检测到的接收信号强度Rss,然后由路由节点向基站节
点2发送定位路由信息RI (Rss, ID) , ID表示路由节点所在多跳自组织网络中的具体位置以
及编号,该位置为已知的,是在监控区域内布置多个无线传感器(路由节点)时就确定的,
对于位置可以采用经纬度,而编号可以简单的数字指代。通过位置和编号的组合,用户能够
通过显示器直观看到目标节点5的移动动向和在监控区域里的具体位置。
[0025] 不失一般性,A无线传感器31广播的定位路由信息记为RIA(RssA, IDA);
[0026] B无线传感器32广播的定位路由信息记为RIB (RssB, IDB);
[0027] C无线传感器33广播的定位路由信息记为RIc(Rssc, IDC);
[0028] D无线传感器34广播的定位路由信息记为RID (RssD, IDd);
[0029] E无线传感器35广播的定位路由信息记为RIE(RssE, IDE);
[0030] F无线传感器36广播的定位路由信息记为RIF(RssF, IDF);
[0031] ......;
[0032] N无线传感器37广播的定位路由信息记为RIN(RssN, IDN)。 [0033] 基站节点
[0034] 基站节点2 —方面将接收到的图像信息PI、定位路由信息RI (Rss, ID)以有线方 式上传给中央监控服务器l,另一方面将中央监控服务器1下发的图像采集指令NC以无线 的方式传输给图像采集节点4。 [0035] 中央监控服务
[0036] 中央监控服务器1包括有一公知计算机、数字监控地图(如图3所示)、监控服务 处理模块(如图2所示),数字监控地图和监控服务处理模块存储在公知计算机的存储器 (存储器可以是硬盘)中;数字监控地图采用网格形式构造出包括有多个路由节点、基站节 点2、图像采集节点4的目标节点5的地图,是对真实布置的监控区域按比例縮小转化为数 字形式的公知计算机能够直观显示的平面地图,参见图3所示。
[0037] 参见图2所示,监控服务处理模块由信息监听与处理单元11、目标节点定位单元 12、警报发布单元13组成,信息监听与处理单元11 一方面用于将接收的图像信息PI进行 保存,并发送给警报发布单元13 ;另一方面用于将接收的定位路由信息RI(Rss,ID)发送给 目标节点定位单元12。
[0038] 目标节点定位单元12对接收的定位路由信息RI (Rss, ID)采用RFRM(Range-free Radio M即)算法计算目标节点5在数字监控地图中的物理位置LI,然后将物理位置LI发 送给警报发布单元13。
[0039] 在本发明中,目标节点定位单元12对接收的定位路由信息RI (Rss, ID)的处理采 用的是一种基于信号强度加权平均的方法。该基于信号强度加权平均的方法对目标节点5实现定位,首先是利用各个路由节点发送的定位路由信息RI(Rss, ID)中的信号强度信 息,计算各个路由节点的位置权值om,然后利用该权值011)和各个路由节点在监控区域中
的位置信息(xID, yID)经加权平均法处理,求得目标节点5的定位坐标^ = ,
= Z^/i)^;。该定位坐标的坐标数值在公知计算机的显示器上能够直观显示,以方 便用户使用。
[0040] 任意一个路由节点的权值为^ffl = * , RssID表示任意一个路由节点感知目标
节点的信号强度;E Rssi表示多跳自组织网络中所有路由节点感知目标节点的信号强度之 和;i是求和运算过程中的中间变量。
[0041] 警报发布单元13根据接收到的图像信息PI、物理位置LI输出报警信号AI进行报 警。在保安人员收到报警信号AI后立即出警。
[0042] 本发明将目标节点5被移动后的动态行走过程在中央监控服务器1中的数字监控 地图上进行实时匹配显示,解决了现有安防监控系统只能报警,不能够确定目标具体位置 的缺陷。
[0043] 本发明是一种基于无线传感器网络的移动智能安防监控系统,系统中各部分选用 的器件如下,他人在选取具有相同功能器件构成的类似于本发明专利,则为侵犯了本专利 保护的范围:
[0044] —、中央监控服务器
[0045] 在本发明中,中央监控服务器1包括有一公知计算机、数字监控地图(如图3所 示)、监控服务处理模块(如图2所示)。公知计算机的最低配置为CPU 2DHz,内存512GB, 硬盘40GB ;操作系统为windows 2000/2003/XP。
[0046] 监控服务处理模块通过信息监听与处理单元11从基站节点2获取消息(MI),如果 是报警信息AM,经基站节点2转发图像采集指令NC给图像采集节点4 ;如果是路由节点发 送的定位路由信息RI,将消息转给目标节点定位单元12 ;如果是图像消息PI,将消息转给 警报发布单元13。 [0047] 二、基站节点
[0048] 在本发明中,基站节点2采用的是Crossbow公司生产的TelosB无线传感器,工作 在2. 4GHz、支持IEEE802. 15. 4标准,支持Tiny0S操作系统。
[0049] 基站节点是Collection协议的路由树的根节点,路由节点的消息通过一跳或者 多跳汇集到基站节点,再由基站节点2上传给中央监控服务器1。基站节点2从中央监控服 务器1对收到的消息通过Dissemination路由协议广播发送。 [0050] 三、足各由节点
[0051] 在本发明中,每个路由节点采用的是Crossbow公司生产的TelosB无线传感器,工
作在2. 4GHz、支持IEEE802. 15. 4标准,支持Tiny0S操作系统。
[0052] 路由节点支持两种路由协议-Collection禾P Dissemination。
[0053] 所述路由协议的Collection协议通过定期广播路由维护报文的形式构建路由
树。报文中包含自己所在树中的分层信息Level。初始化时,基站节点所在层为Level =
O,其余为Level = +①。基站首先发送路由维护报文,每个节点在收到报文(Message)之后,将Message. Level+1与自己Level相比较。如果前者小,将报文的发送节点作为自己的 下一跳节点,令Level = Message. Level+1 ,并发送自己的路由维护报文。如果相同,将报文 的发送节点作为备用下一跳节点。如果前者大,丢弃该报文。
[0054] 所述路由协议的Dissemination协议通过广播的方式发送,为了避免重复接收发
送,数据包里面会包含一个sequence,每个节点也有一个seq变量,每个节点收到数据报文
后,检查报文里面的sequence,如果大于节点seq,就把节点seq赋值为sequence值,广播
转发;否则,就停止发送。就是通过这样的机制防止报文重复接收发送的。
[0055] 路由节点收到目标节点5发送的定位请求信息LR之后,检测该信息的信号强度
Rss,连同自身的ID,放到消息RI中,通过Collection发送给基站节点。
[0056] Collection协议的优点是让每个路由节点都可以选择传输质量较好的路径,通过
最小的跳数将消息发送到基站节点2 ;缺点是消息不能由基站节点2向路由节点发送消息。
为了实现基站节点2向路由节点发送消息,本发明采用了 Dissemination协议。
[0057] 四、图像采集节点
[0058] 在本发明中,图像采集节点4采用的是Crossbow公司生产的Imote2图像采集传 感器,工作在2. 4GHz,支持IEEE802. 15. 4标准,它集成了低功耗的PXA271XScale CPU,内置 多媒体指令集,支持Tiny0S操作系统;该节点搭载了视频采集板DXC600,并与Logitech公 司生产的QuickCam Pro4000摄像头相连,用于采集现场图像。
[0059] 图像采集节点4用于当目标节点5被移动时,由中央监控服务器1经基站节点2下 传图像采集指令NC给图像采集节点4,并启动Pro4000摄像头进行图像获取。对于Pro4000 摄像头可以在每间隔ls的时间里采集一次图像信息并存储,然后将存储图像信息上传给 中央监控服务器l。
[0060] 本发明采用对目标节点5进行移动时刻的图像采集,因为采用了与目标的移动相 联动的方式去采集数据,实时性高,仅保存警报触发的现场,省略了不必要的图像采集,减 小了传输代价。 [0061] 五、目标节点
[0062] 在本发明中,被监控物上绑定了振动传感器,二者可以看做是一体的,被称为目标 节点5。振动传感器采用的是Crossbow公司生产的MicaZ传感器,工作在2. 4GHz,支持 IEEE802. 15. 4标准,支持TinyOS操作系统;该MicaZ传感器搭载Crossbow公司生产的多 功能传感器板MTS310,内建双轴加速度计。
[0063] 当被监控物在异常情况被移动时,振动传感器将发出报警信息(即被监控物 被移动了信息AM)和广播定位请求信息LR ;所述报警信息AM采用Collection传输协 议传至基站节点2,并经基站节点2传至中央监控服务器1 ;所述定位请求信息LR采用 Dissemination传输协议传至多个路由节点上,由路由节点传输出相对与目标节点的信号 强度RSS给基站节点2,并经基站节点2传至中央监控服务器1。

Claims (6)

  1. 一种基于无线传感器网络的移动智能安防监控系统,包括有中央监控服务器(1)、基站节点(2)、多个路由节点,中央监控服务器(1)与基站节点(2)采用有线电缆连接,图像采集节点(4)与基站节点(2)采用无线方式联接,基站节点(2)与多个路由节点采用无线方式联接;图像采集节点(4)一方面根据接收的图像采集指令NC对目标节点(5)进行图像拍摄,另一方面将采集到的图像信息PI输出给基站节点(2);其特征在于:还包括有目标节点(5)和图像采集节点(4)组成;所述中央监控服务器(1)包括有一公知计算机、数字监控地图和监控服务处理模块,数字监控地图和监控服务处理模块存储在公知计算机的存储器中;数字监控地图采用网格形式构造出包括有路由节点、基站节点(2)、图像采集节点(4)和目标节点(5)的地图;目标节点(5)在移动过程中,根据安装在被监控物上的振动传感器向外广播被监控区域行走信息MI(AM,LR),AM表示被监控物被移动了,LR表示被监控物请求定位,该行走信息MI可以被基站节点(2)和多个路由节点监听到;多个路由节点分别用于监听目标节点(5)广播的行走信息MI(AM,LR),然后由路由节点向基站节点(2)发送定位路由信息RI(Rss,ID),Rss表示接收该行走信息MI(AM,LR)时检测到的接收信号强度,ID表示路由节点所在多跳自组织网络中的具体位置以及编号;基站节点(2)一方面将接收到的图像信息PI、定位路由信息RI(Rss,ID)以有线方式上传给中央监控服务器(1),另一方面将中央监控服务器(1)下发的图像采集指令NC以无线的方式传输给图像采集节点(4);
  2. 2. 中央监控服务器(1)中的监控服务处理模块由信息监听与处理单元(11)、目标节点 定位单元(12)、警报发布单元(13)组成,信息监听与处理单元(11) 一方面用于将接收的 图像信息PI进行保存,并发送给警报发布单元(13);另一方面用于将接收的定位路由信息 RI(Rss, ID)发送给目标节点定位单元(12);目标节点定位单元(12)对接收的定位路由信 息RI(Rss, ID)采用的是一种基于信号强度加权平均的方法;该基于信号强度加权平均的 方法对目标节点(5)实现定位,首先是利用各个路由节点发送的定位路由信息RI(Rss,ID) 中的信号强度信息,计算各个路由节点的位置权值c^。,然后利用该权值011)和各个路由 节点在监控区域中的位置信息(xID,yID)经加权平均法处理,求得目标节点(5)的定位坐标<formula>formula see original document page 2</formula>发送给警报发布单元(13) ;Rs^表示任意一个路由节点感知目标节点的信号强度;E Rssi表示多跳自组织网络中所有路由节点感知目标节点 的信号强度之和;i是求和运算过程中的中间变量。根据权利要求1所述的基于无线传感 器网络的移动智能安防监控系统,其特征在于:所述路由节点是布置在被监控范围的多个 无线传感器。
  3. 3. 根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的移动智能安防监控系统,其特征在 于:基站节点(2)选取采用的是Crossbow公司生产的TelosB无线传感器。
  4. 4. 根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的移动智能安防监控系统,其特征在 于:路由节点选取TelosB无线传感器。
  5. 5. 根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的移动智能安防监控系统,其特征在 于:图像采集节点(4)选取采用的是Crossbow公司生产的Imote2图像采集传感器。
  6. 6.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的移动智能安防监控系统,其特征在 于:目标节点(5)上安装的振动传感器采用的是Crossbow公司生产的MicaZ传感器。
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