CN102419896A - 防盗及防错拿报警组网系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种防盗及防错拿报警组网方法和系统，包括：1)把一个指定监控区域划分为n个子网，在每个子网区域中都有一个其对应的子网主节点；2)每个子网中都有若干个物品持有人节点，物品持有人节点和子网主节点间通讯与各个子网主节点间通讯采用不同的射频协议与标准；3)当任何物品持有人节点或物品节点未经许可离开监控区，或者物品持有人和其所属物品在一定范围内不配对，产生报警信号，并采取安全措施。本发明结合无线传感网组网的特点，降低了成本，具有低功耗、便携的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种报警网络，特别是一种低成本防盗及防拿错报警装置大规模组网方法。
技术背景
基于RFID的报警网络系统近年来已经获得了大规模的推广。传统的基于射频识别RFID无线防盗报警装置的组网方法利用有源RFID标签实现较长距离读写，不仅读写器与RFID卡的方向位置和读写器天线的方向的匹配有严格要求，而且各读写器之间一般通过有线连接到中心控制计算机，布线工作量大，且读卡器没有动态路由转发和实时组网功能，因而系统的灵活性大受限制，也无成本优势。基于RFID标签的无线防盗报警装置的另一个缺点是RFID使用的频率较低，为窄带通信，极易受到同频干扰，且加密措施较为简单，不利于保密传输。这些都严重阻碍了无线防盗报警装置的发展与应用。
中国专利CN1405738A示出了一种防盗报警装置大规模组网方法。该文件公开了一种系统，解决了在一个有多个报警控制器的区域内，如何把报警信号传递到报警中心的方法。在每个小区内各用户的报警控制器向转发器发送报警信号，转发器收到报警信号后，通过移动通信网发送到报警中心。然而，在这个系统中，报警控制器和报警中心之间的信号传递通过的是移动通信网，必须向运营商支付费用，因而增加了使用成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够大规模实施且较为经济的防盗防拿错报警装置大规模组网方法和系统，这种方法和系统既具有传统基于RFID无线组网方法的优点，又克服了其缺点。
本发明的一个方面，提供一种防盗及防错拿报警组网系统，所述系统包括多个持有人节点、多个子网主节点和中心节点，
所述多个持有人节点中的每个节点具有短距离低功耗无线收发器；
所述多个子网主节点中的每个节点具有短距离低功耗无线收发器和中距离无线收发器；
所述中心节点具有个人电脑和中心无线模块，所述中心无线模块具有短距离低功耗无线收发器和中距离无线收发器，
其中所述的多个持有人节点和1个子网主节点构成多个无线子网，其中所述的多个子网主节点和中心节点构成大规模的报警组网系统。
所述多个持有人节点采用基于2.4G的NRF2401射频收发器或者是满足蓝牙协议标准的短距离、低功耗射频收发器。
所述多个子网主节点，具有2种不同的射频收发器，分别为：
(1)基于2.4G的NRF2401射频收发器或者是满足蓝牙协议标准的短距离、低功耗射频收发器；
(2)具有满足ZIGBEE协议功能的射频收发器，其功率大、传输距离远，且附带组网功能。
所述持有人节点，包括电源管理模块、处理器、参考时钟、射频模块、射频匹配网络和天线。
所述持有人节点发送的信号包括以下的内容：
心跳报文，标识本持有人节点仍然正常工作；
监控报文，传递其依附的物品的相关信息，例如温度，位置等；
报警报文，传递满足报警条件的报文，例如持有人节点从物品上脱落、封装被破坏，或者持有人节点对中的某个节点离本节点距离超出给定的范围，或者持有人节点对中的其他节点的射频信号的丢失。
本发明的另一个方面，提供了一种防盗及防错拿报警组网方法，包括：
a)把一个指定监控区域划分为n个子网，在每个子网区域中都有一个其对应的中心节点，第一个子网的中心节点作为主节点与计算机相连；
b)每个子网中都有若干个物品持有人节点及其所属物品节点；
c)当任何物品持有人节点或物品节点未经许可离开监控区，或者物品持有人和其所属物品在一定范围内不配对，产生报警信号，并采取安全措施。
所述的物品持有人节点与多个其所属的物品节点产生映射关系，这种关系在启用时绑定，并在离开监控区前一直保持。
实现大规模无线组网包含如下步骤：物品持有人和物品节点在监控区域内可以移动，主节点和中心节点在监控区内的位置固定，每个中心节点对动态加入或退出本子网的节点进行管理，具有路由功能，把信息通过射频信号传递到其相邻的节点。
下面结合附图对本发明的上述目的、优点以及发明内容进行详细说明。
附图说明
图1是本发明的系统框图；
图2是主节点与相邻中心节点连接示意图；
图3是独立工作节点框图；
图4是主节点框图；
图5是各子网区域转发配置图；
具体实施方案
如图1所示，无线网络系统由中心节点101，子网主节点102和持有人节点103这三种不同的无线收发节点构成。持有人节点103为依附在被监控物品或者人员上的无线收发器单元，其射频收发器采用低功率的近距离通信协议，优选的，例如采用基于2.4G的NRF2401射频收发器或者是满足蓝牙协议标准的短距离，低成本，低功耗射频收发器，通讯距离在小于一指定范围，例如10米，发射功率小于一指定功率，例如5毫瓦。子网主节点为包含2种不同规格的射频收发器的无线通讯单元。一种为和持有人节点采用的收发器相同的近距离无线通信收发器，可以和持有人节点进行互相通讯，例如采用基于2.4G的NRF2401射频收发器或者是满足蓝牙协议标准的射频收发器；另一种为功率较大，例如10-100mw，传输距离较远，例如10-100米，且附带组网功能的中距离无线通信收发器，例如符合具有ZIGBEE协议功能的收发器芯片或者射频模块，这种芯片或者射频模块具有传输距离10-100米的无线收发功能，带有单片机单元，自带组网协议，可方便的和其他的带有同样模块的子网主节点构成数据转发网络，子网主节点可以将接收到的持有人节点通过近距离射频模块发送的数据通过中距离射频模块传送至相邻的子网主节点或者转发至中心节点。中心节点101由带有互联网连接的通用计算机(PC机)以及中心无线模块构成，中心无线模块包括多种无线通讯子模块，一种为和持有人节点采用的收发器相同的近距离无线通信收发器，可以和持有人节点进行互相通讯，例如采用基于2.4G的NRF2401射频收发器或者是满足蓝牙协议标准的射频收发器；一种为功率较大，传输距离较远，且附带组网功能的中距离无线通信收发器，例如符合具有ZIGBEE协议功能的收发器芯片或者射频模块，用于和一个或者多个子网主节点的通讯；一种为远距离传输无线模块，例如基于GPRS的2G移动通讯收发模块或者是基于WCDMA/TD-SCDMA/CDMA2000的3G高速移动通讯收发模块，用于通过移动通信基站，和远端的网络设备或者监控设备通讯。中心无线模块通过串行通信协议(如RS232或者USB接口)和通用计算机进行连接，中心节点101通过中心无线模块和子网主节点102进行通讯，并控制整个网络的运行。通用计算机上运行的监控和管理程序接收各子网主节点转发来的数据报文，并进行处理和显示。
本发明提出的防盗及防错拿报警组网方法包括：
1、在一个指定区域内划分出多个子网，每个子网的划定范围依据持有人节点的无线功率覆盖范围以及该区域内持有人节点的数量而划定。每个子网包括N个持有人节点和1个子网主节点。优选的，例如，每个子网覆盖范围以小于32个持有人节点或者半径10米的范围2者中的小的范围为界。每个子网中的所有的持有人节点通过其短距离无线收发器和子网主节点进行通讯，传输监控和状态数据。子网主节点监控子网范围内的持有人节点的加入或者离开(根据持有人节点射频信号的出现或者消失)，持有人节点周期性的通过其短距离射频收发器向子网主节点发送其状态信息。
2、在每个子网中心位置上放置子网主节点1，2...n，其中第一个子网主节点采用中心节点101代替，具有作为控制中心的通用计算机。任何两个相邻子网主节点之间都可以进行无线通信。物品持有人节点10和其所属的物品节点101、102加入任何一个子网后，该子网的中心节点就会定时接收由物品持有人节点发出的、与物品关联的信息。根据本发明的一个实施例，所有子网主节点都可以采用例如具有ZIGBEE协议功能的芯片，通过对其编程，由ZIGBEE协议栈完成组网和数据传输的功能。
3、持有人节点与其监控的物品发生绑定，例如通过物理手段固定或者嵌套在物品或者被监控人员上。这种关系在启用时绑定，并在被解除监控前前一直保持(例如由物品管理人员进行一对一的编号设定，并将关系通过程序写入持有人节点内部非易失性存储器和中心节点计算机的数据库)。持有人节点对所依附物品或者人员发生了下列情况之一时产生报警信号，并通知中心节点和监控人员采取安全措施：
(A)持有人节点被非法从物品取下、脱落或分离；
(B)持有人节点未经许可离开监控区；
4、持有人节点也可以采取与另一个或多个持有人节点进行配对进行工作，构成持有人节点对或者持有人节点组。这种关系在启用时绑定，并在被解除监控前一直保持(例如由物品管理人员进行一对一的编号设定，并将关系通过程序写入持有人节点内部非易失性存储器和中心节点计算机的数据库)，对以下的情况产生报警信号，并通知中心节点和监控人员采取安全措施：
(A)持有人节点对或者持有人节点组中的某一个被非法从物品取下、脱落或分离；
(B)持有人节点对或者持有人节点组中的某一个未经许可离开监控区；
(C)持有人节点对中的两个节点互相距离超过一个指定的值，例如10米，或者持有人节点组中的任意两个节点互相距离超过一个指定的值，例如10米；
图2示出了中心节点和一个相邻子网主节点通信过程，中心节点和子网主节点之间通过无线通信协议连接，节点都有处理器单元和射频模块构成，子网主节点和子网主节点之间可以使用例如Zigbee等无线协议。每个监控区域只用一台计算机，只有一个中心节点。经中心无线模块节点送来的信息，由串行接口自动送到中心节点的通用计算机，通用计算机根据编制的程序运行处理流程，产生各个持有人节点的状态报告或者相应的告警信息。
持有人节点系统框图如图3所示，由电源管理模块，处理器，参考时钟，射频模块，射频匹配网络和天线构成，其中射频模块和处理器之间通过数字IO进行互联，射频模块和射频匹配网络之间通过传输线进行互联。持有人节点的处理器可以采用通用的单片机(MCU)构成，例如51系列单片机或者PIC系列单片机等。天线收到的射频信号经过射频匹配网络的阻抗匹配，在射频模块内部进行放大和解调，输出数据信号至处理器，以监控作为持有人节点对或者持有人节点组中的其他持有人节点是否距离本节点超过指定的范围，或者其他节点的信号处于丢失状态。处理器通过数字IO口将物品监测数据送到射频模块，由射频模块内的功率放大器放大后，经传输线和射频匹配网络，由天线把射频信号发送到子网主节点。参考时钟为射频电路提供频率源，用于射频信号的收发；持有人节点发送的信号主要包括以下的内容：
心跳报文，标识本持有人节点仍然正常工作；
监控报文，传递其依附的物品的相关信息，例如温度，位置等；
报警报文，传递满足报警条件的报文，例如持有人节点从物品上脱落，封装被破坏，或者持有人节点对中的某个节点离本节点距离超出给定的范围，或者持有人节点对中的其他节点的射频信号的丢失。
持有人节点均使用电池供电，电源管理模块用于监测电池性能，及时对低电压、供电异常等情况报警。
子网主节点的构成与持有人节点类似，不同之处仅在于，子网主节点包含1种以上的射频模块、射频匹配网络以及射频天线。典型的实施例包括2种射频系统，一种为基于2.4G的NRF2401射频收发器或者是满足蓝牙协议标准的近距离射频收发器，另一种为符合ZIGBEE标准的中距离射频收发器。子网主节点的多种收发器均具有数据接收和发送功能，在典型的配置下，近距离射频收发器接收持有人节点发出的心跳报文，物品状态信息或者报警信息，通过中距离射频收发器转发至临近的子网主节点，并通过临近的子网主节点转发至中心节点。
图4所示为中心节点框图，与子网主节点相比，中心节点多了远距离射频传输模块和与计算机的接口电路部分。处理器提供的数字IO口经接口转换芯片转换后，可直接接到计算机进行处理，从而实现全双工工作。
物品持有人和物品节点在监控区域内可以移动，子网主节点和中心节点在监控区内的位置固定。每个子网主节点对动态加入或退出本子网的持有人节点进行管理。子网主节点具有路由功能，把信息通过射频信号传递到其相邻的节点并最终传送到中心节点。
在指定监控区域内，每两个子网区域的子网主节点都以实现通信，通信半径可达几十米，若要增大监控区域，则增加子网主节点即可。各子网主节点都有路由转发功能，通过无线通信协议发送到中心节点，如图5所示。相邻区域的子网主节点无线频率不同，可采用宽带、跳频的通信方式，因而抗干扰能力极强。此外，信号还可以采用加密传输，增强保密性，可以任意规划组网规模，例如采用Zigbee协议，可在一个监控区设置多达65535个节点。所以，本方法综合了传统无线组网方法的优点，又能克服其抗干扰能力差、构建和使用成本高等缺点，可以达到信号传输可靠、无需布线又能大规模组网的功能。
综上所述，本方法又是十分经济的。因为，如今射频无线收发技术已十分成熟，硬件成本较低；加之所使用的无线电频段不需要申请，更不用支付任何费用，也不会对在监控区域中的电子设备产生干扰；最后，该系统的安装及其简便，易于便携，没有特殊安装要求。所以，整个无线网络具有很强的实用性。
尽管结合特定的实施例描述了本发明，但对于本领域的技术人员而言，许多不同的改变，修改等是里显而易见的。因此，所描述的实施例不是为了限制所附权利要求定义的本发明的范围。
Claims (6)
1.一种防盗及防错拿报警组网系统，其特征在于：所述系统包括多个持有人节点、多个子网主节点和中心节点，
所述多个持有人节点中的每个节点具有短距离低功耗无线收发器；
所述多个子网主节点中的每个节点具有短距离低功耗无线收发器和中距离无线收发器；
所述中心节点具有个人电脑和中心无线模块，所述中心无线模块具有短距离低功耗无线收发器和中距离无线收发器，
其中所述的多个持有人节点和1个子网主节点构成多个无线子网，其中所述的多个子网主节点和中心节点构成大规模的报警组网系统。
2.如权利要求1所述的防盗及防错拿报警组网系统，其特征在于，所述多个持有人节点采用短距离低功耗射频收发器如基于2.4GHz的NRF2401射频收发器或者是满足蓝牙协议标准的短距离低功耗射频收发器等。
3.如权利要求1所述的防盗及防错拿报警组网系统，其特征在于，所述多个子网主节点，具有2种不同的射频收发器，分别为：
(1)基于2.4GHz的NRF2401射频收发器或者是满足蓝牙协议标准的短距离、低功耗射频收发器；
(2)具有满足ZIGBEE协议功能的射频收发器，其功率较大、传输距离较远，且附带组网功能。
4.如权利要求1所述的防盗及防错拿报警组网系统，其特征在于，所述持有人节点，包括电源管理模块、处理器、参考时钟、射频模块、射频匹配网络和天线。
5.如权利要求1所述的防盗及防错拿报警组网系统，其特征在于，所述持有人节点发送的信号包括以下的内容：
心跳报文，标识本持有人节点仍然正常工作；
监控报文，传递其依附的物品的相关信息，例如温度，位置等；
报警报文，传递满足报警条件的报文。
6.如权利要求5所述的防盗及防错拿报警组网系统，其特征在于，所述报警报文优选为持有人节点从物品上脱落、封装被破坏，或者持有人节点对中的某个节点离本节点距离超出给定的范围，或者持有人节点对中的其他节点的射频信号的丢失。
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Effective date of registration: 20140504 Address after: 210002 A3-706, 109 Changjiang Road, Xuanwu District, Jiangsu, Nanjing Patentee after: Li Yu Patentee after: Miao Peng Patentee after: Xu Fei Address before: Xinhua Road along the Yangtze River Industrial Development Zone in Nanjing City, Jiangsu province 210002 No. 243 branch No. 3 building 107 Patentee before: NANJING HUYING ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |
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