CN102547247A - 基于长距离无线mesh网络的野外智慧监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于野外大区域监控技术领域。为根据野外大区域的监控需要，提供一种集视频、语音和生态为一体的智慧监控系统，本发明采取的技术方案是，基于长距离无线mesh网络的野外智慧监，包括骨干网和子网双层网络，其中骨干网为基于IEEE 802.11的长距离无线mesh网络；子网包括无线传感器网络WSN和无线局域网WLAN两种类型的网络；两种类型的网络都将采集到的数据汇集到骨干网络节点，通过骨干网络上传至监控中心。本发明主要应用于野外大区域监控。
Description
技术领域
本发明属于野外大区域监控技术领域，尤其涉及一种针对野外大区域自然保护区的基于IEEE 802.11长距离无线mesh网络的集视频、语音和生态为一体的智慧监控系统，即涉及基于IEEE 802.11协议长距离无线mesh网络野外监控系统。
背景技术
基于IEEE 802.11的长距离无线mesh网络LDmesh(Long-Distance wireless meshnetworks)指相邻节点间距离很长(长至几十到上百公里)的无线mesh网络[1]，它的节点采用廉价的大功率IEEE 802.11无线网卡和高增益定向天线，以实现长距离信号覆盖。它使用公开ISM(Industrial Scientific and Medical)频段，无需缴纳频段使用费。耗电量低，可使用太阳能等清洁能源供电，不依赖市电供应，可以工作在极端恶劣的野外环境。因此LDmesh网络具有成本低、带宽高、覆盖广、易于部署和维护的特点，性价比高，可以广泛应用于野外大区域的宽带网络部署，如自然保护区(湿地、森林、草原)的环境监控、偏远地区的远程医疗和远程教育等，IEEE即美国电气和电子工程师协会。
自然保护区是保护生物战略资源的重要措施，对生物资源的占有量是衡量一个国家综合国力和可持续发展能力的重要指标。自然保护区保护了我国90％的陆地生态系统类型、85％的野生动物种群、65％的高等植物群落，加强自然保护区建设和管理，就是保护我国生态安全的主体，维护经济社会可持续发展的基础，也是推动经济增长方式转变的重要手段[2]。随着城市建设和经济的迅猛发展，当前自然保护区面正面临诸多威胁：(1)盲目开垦和改造等人为破坏；(2)来自工业、生活废水的污染；(3)偷猎现象屡禁不止；(4)重大自然灾害预警机制匮乏；(5)自然保护区环境的翔实信息匮乏，保护缺少科学依据。因此，加强自然保护区的监管，建设远程实时精细、精准监控系统的任务刻不容缓。然而，由于自然保护区面积大，重点监控区域分布广且分散，监控数据量大且类型多，自然保护区内有些区域没有移动通信网络的信号覆盖，野外缺乏市电供应等现状，难以建立一个大区域的集视频监控和环境检测为一体的监控系统。
野外大区域检测面临着如监控面积广、监控参数类型多样化、带宽要求较高以及野外监控环境恶劣等诸多挑战。现有的解决方案通常使用如电视监控[3]、移动通信网(GSM/GPRS/CDMA)[4][13][14]、遥感[5][6]以及卫星通讯技术[7][8]等进行远程接入。然而，电视监控所需辅助设施庞杂，安装维护费用较高，且无法感知细粒度数据；移动通信网建设成本高，通常部署在人口密集的地区，一般无法完全覆盖人迹罕至的野外区域。另外，移动通信网的有效传输速率只有几十到一百多Kbps，难以满足高清晰图片、视频的传输需求，此外还有额外的运行费用；遥感技术只能感知粗粒度的数据；卫星链路虽然覆盖范围大，但是费用高。
专利申请[9]发明了一种应用于气象眼环境监控以及灾害预警中的自适应数据还原分析分发系统，该系统利用移动通信网络(3G)、MMS或SMS信令信道传输野外监控点所收集的数据，但是带宽受限，且依赖于移动通信网络，需耗费高额、持续的通信费用；专利申请[10]发明了一种集成化野外信息采集、定位和处理的系统及方法，该系统主要应用于对近距离、中小尺度的野外区域的多重信息进行一体化快速采样以及分析判别，难以应用于对野外大面积(几百上千平方公里)的视频监控、语音通信和环境监测；专利申请[11]发明了一种基于红外相机的森林火情动态监测系统，该系统未明确定义监测数据的实时传输方式，仅给出可供选择的以太网或微波通信的实时传输方案，不支持多种数据类型的实时传输；专利申请[12]发明了一种多任务模式的湿地数据采集方法及系统，该系统以便携式计算机为平台，结合GPS模块、图像采集模块、红外测距模块、无线通信模块等收集距离、图像、坐标以及空间数据信息，使用3G通信技术传输采集到的数据到服务器，但需依赖于3G通信网络，耗费高额、持续的3G通信费用。
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发明内容
本发明旨在解决克服现有技术的不足，根据野外大区域的监控需要，提供一种集视频、语音和生态为一体的智慧监控系统。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于长距离无线mesh网络的野外智慧监控系统，包括骨干网和子网双层网络，其中骨干网为基于IEEE802.11的长距离无线mesh网络，用于提供高带宽和长距离覆盖；子网包括无线传感器网络WSN和无线局域网WLAN两种类型的网络；无线传感器网络WSN用于生态环境监控数据的采集和传输，根据需要部署有各种类型的采集终端即传感器网络节点，传感器网络节点包括土壤温湿度采集终端，水质采集终端；无线局域网WLAN用于高清图片或视频监控以及监控范围内的语音通信，通过接入无线局域网WLAN的手持移动终端设备和图像采集设备，收集、传输包括语音、图片/视频的大数据量的数据；两种类型的网络都将采集到的数据汇集到骨干网络节点，通过骨干网络上传至监控中心。
骨干网节点即监控子站采用廉价的大功率IEEE 802.11无线网卡和高增益定向天线，以实现长距离和高带宽链路；监控子站由多个嵌入式硬件设备通过交换机互联而成；每个嵌入式硬件设备都配有1个802.11无线网卡，其中的一个嵌入式硬件设备外接全向天线，工作在AP模式，AP是Access Point的首字缩写，用于手持移动终端设备和图像采集设备的无线接入；其它嵌入式硬件设备外接高增益定向天线，工作在ad hoc模式，用于构成网状网络的长距离链路。
采集终端为传统传感器网络节点，构成WSN子网，采集终端采集的各种传感器数据发送给WSN汇聚节点，汇聚节点作为一个模块集成在骨干网节点上，无线传感器网络WSN支持星形和网状拓扑结构。
手持移动终端设备为支持IEEE 802.11的手持设备，包括手机、PDA，PDA是PersonalDigital Assistant首字缩写，手持移动终端设备内运行成熟的或者自主开发的语音通信软件，图像采集设备为支持IEEE 802.11的无线图像采集设备，用于采集和传输图片/视频数据。
本发明的技术特点及效果：
1)集视频监控、语音通信和环境监控为一体
为野外大区域监控提供多角度、全方位、立体式的监管和监控。
2)抗毁性强
骨干网络节点构成网状拓扑结构，其中某个/某些节点失效后，其它节点仍可以自组织成网络，继续传输数据，不受失效节点的影响。
3)监控区域广，带宽高
两个监控点间距离可以达20公里以上。单跳链路带宽达20Mbps以上。
4)一次性投资，建成后不需再支付高额、持续的通信费
该网络为专用网络，不依赖于移动通信网络，而且工作在ISM(Industrial Scientificand Medical)开放频段，不需要支付频带使用费用。
5)支持远距离语音通信，不需另外开发手持移动终端设备
使用市场上常见的支持IEEE 802.11(WiFi)的手机或其它移动终端即可实现覆盖区域内的语音通信，不需要专门开发手持移动终端设备，进一步降低了成本，可推广性好。
6)可扩展性强
可根据后期需要，灵活地增加视频监控点和环境监控点。部署网状视频监控点，大范围监控保护区内的人员活动情况，避免/减少人为破坏。监控更为丰富的环境数据，如气象要素监控，水文水质监控，土壤监控等。
7)低功耗，可以使用清洁能源
一个监控子站的典型功耗不超过15w，在野外监控点可以使用太阳能/风能供电，克服了野外没有市电供应的难题。
附图说明
图1针对野外大区域监控的层次型异构无线网络架构示意图。
图2基于IEEE 802.11协议长距离无线mesh网络的集视频、语音和生态为一体的野外大区域智慧监控系统示意图。
图3监控子站示意图。
具体实施方式
野外大区域的监控范围通常覆盖几百甚至上千平方公里，所辖地理环境，气候条件等变化较大，野外环境较为恶劣，不同区域的监控需求不同，监控参数类型多样化，既有如温、湿度等小数据量的标量数据，也有如高清图片、视频、语音等需高带宽传输的大量数据。另外，受成本以及距离的限制，网络节点的部署有区域性，区域内，监控节点分布较集中，相距几十或几百米，而区域间的距离有可能很远，达几十公里。通常网络节点的部署呈网状型。
针对野外大区域监控面积广、监控参数类型多样化、带宽要求较高以及节点部署有区域性的特点，设计了层次型异构无线网络架构，如附图1所示。
该网络系统包括骨干网和子网双层网络，其中骨干网为基于IEEE 802.11的长距离无线mesh网络，提供高带宽和长距离覆盖。子网包括无线传感器网络WSN和无线局域网WLAN两种类型的网络。WSN子网用于生态环境监控数据的采集和传输，可以根据需要部署各种类型的采集终端即传感器网络节点，如土壤温湿度采集终端，水质采集终端等。WLAN用于高清图片或视频监控以及监控范围内的语音通信，通过手持移动终端设备和图像采集设备收集、传输语音、图片/视频等大数据量的数据。两类子网都将采集到的数据汇集到骨干网络节点，通过骨干网络上传至监控中心。
骨干网节点(监控子站)采用廉价的大功率IEEE 802.11无线网卡和高增益定向天线，以实现长距离和高带宽链路。监控子站通常是一个“复合节点”，即由多个嵌入式硬件设备(如无线路由设备)通过交换机互联而成。每个嵌入式硬件设备都配有1个802.11无线网卡，通常有一个嵌入式硬件设备外接全向天线，工作在AP(Access Point)模式，用于移动终端设备和图像采集设备的无线接入；其它外接高增益定向天线，工作在ad hoc模式，用于构成网状网络的长距离链路。骨干网络支持网状拓扑结构，以多跳方式转发数据。骨干网的网关节点(监控网关)通过内部网络或Internet和后端监控中心进行通信。监控中心为后台监控软件平台，用于查询、处理、存储骨干网上传的监控数据。
采集终端为传统传感器(如温度、湿度等小数据量)网络节点，构成WSN子网。采集终端采集的各种传感器数据发送给WSN汇聚(sink)节点。汇聚节点通常作为一个模块集成在骨干网节点上。无线传感器子网可以支持星形和网状拓扑结构。
手持移动终端设备为支持IEEE 802.11的手持设备，如手机、PDA(Personal DigitalAssistant)等，其内运行成熟的或者自主开发的语音通信软件，能提供监控区域内人员的语音通信。图像采集设备为支持IEEE 802.11的无线图像采集设备，用于采集和传输图片/视频数据。
下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。
如图2所示，以野外大区域自然保护区的监控为例，在自然保护区待监控区域内部署传统无线传感器节点，如温度、湿度传感器节点，土壤水分、盐度传感器节点等，以及图像采集节点。针对一个监控区域，在部署的无线传感器节点周围建设一个监控杆塔，杆塔上安装监控子站。监控子站组成无线多跳网状(mesh)网络，将各种传感数据、语音数据以及图片/视频数据传送至监控网关节点，再由监控网关节点传到后端的监控中心。监控网关节点通常设在自然保护区监控站内，经由内部网络或互联网和监控中心通信。
采集终端
采集终端为支持Zigbee标准无线传感器节点，可以使用Jennic5139，CC2430等支持Zigbee协议栈的无线传输模块。根据需要配备各种传感器，如空气温湿度、土壤温湿度、水文等传感器，实现生态环境的监测。具备异常数据的报警功能，并将报警数据上传到监控中心。可以使用太阳能供电。
手持移动终端设备
手持移动终端设备为支持IEEE 802.11的手持设备，如手机、PDA等，可安装成熟的语音通信软件，如Skype等，或选择如Android等开源手机安装自主研发的语音通信软件。手持移动终端设备通常用于工作人员到野外监控区域进行系统部署、定期维护以及故障排查时与监控中心进行沟通、交流，与此同时，也是对突发、紧急事件进行快速上报的便捷、有效手段。
图像采集节点
图像采集节点为支持IEEE 802.11的图像采集设备，具有采集图片以及视频的功能，并可以上传到监控中心。具备实时图像/视频识别功能，可以识别异常图像或视频，并产生报警数据上传到监控中心。可以使用太阳能供电。
监控子站
如图3所示，监控子站由多个嵌入式无线设备组成，每个嵌入式无线设备配备一块无线802.11网卡，通过一个网络交换机互联。其中有一个嵌入式无线设备外接全向天线工作模式为AP，作为手持移动终端设备和图像采集节点的无线接入点。另外还集成了Zigbee传输模块，作为传感器子网的汇聚节点，负责收集监控区域内传感器子网的各种传感数据。其它一到多个嵌入式无线设备外接高增益定向天线，如32dBi的栅格天线，工作在ad hoc模式，可以和其它监控子站构成点到点的长距离链路(几十公里)，提供远距离传输和大面积覆盖。
监控网关
监控网关内嵌IEEE 802.11通信模块和有线网络接口。监控网关部署在自然保护区的监控站点内，因此可以采用交流电源供电。监控网关通过IEEE 802.11无线通信模块与骨干网络的监控子站通信，负责收集各种数据上传到监控中心，并将监控中心的命令等下传到各个监控子站，实现监控中心和监控子站间的透明传输。
监控中心
监控中心是一套基于JSP/Servlet的在线监控系统，数据库使用MySql，服务器使用Tomcat。监控中心的主要功能包括周期性收集各个采集终端的数据，实时查询，数据的后期处理和分析，监控各个网络节点的工作状态，支持多种商用手持终端设备的语音通信服务模块等。数据收集方面主要包括以下两种类型：
1)事件驱动类型
当传感器节点监控到异常事件时，比如温、湿度超过正常范围，土壤水分、盐分超过警戒值等，将产生报警数据包，主动上传到监控中心，监控中心以播放报警声音配合弹窗等方式，引起职守人员的注意。当图像采集节点监控到异常事件时，比如监控区域内有活动物体，检测到火焰状物体等，将产生报警图片/视频，主动上传到监控中心，监控中心以播放报警声音配合显示报警图片/视频等方式，引起值守人员的注意。当远程工作人员发现盗猎，自然火灾等紧急事件时，使用手持移动终端设备向监控中心值守人员进行汇报。
2)查询驱动类型
为收集到监控区域内的监测数据，各个传感器节点和图像采集节点要周期性地上传所采集到的数据。为节省能量，在上传周期间隔时间内可以睡眠，采取时间唤醒或者事件唤醒的机制。监控中心通过监控子站向传感器节点和图像采集节点下发参数设置和主动查询等命令，参数设置命令包括设置传感器节点和图像采集节点的采集周期等，主动查询命令包括查询传感器节点和图像采集节点的采集数据等。监控中心以数据列表以及数据图表的形式显示采集数据，并将采集数据存储到数据库中，提供历史查询和报表管理等对采集数据进行处理、分析的功能。此外，监控中心值守人员可通过语音通信服务模块主动呼叫携有手持移动终端设备的远程工作人员，进行例行的询查和沟通。
Claims (4)
1.一种基于长距离无线mesh网络的野外智慧监控系统，其特征是，包括骨干网和子网双层网络，其中骨干网为基于IEEE 802.11的长距离无线mesh网络，用于提供高带宽和长距离覆盖；子网包括无线传感器网络WSN和无线局域网WLAN两种类型的网络；无线传感器网络WSN用于生态环境监控数据的采集和传输，根据需要部署有各种类型的采集终端即传感器网络节点，传感器网络节点包括土壤温湿度采集终端，水质采集终端；无线局域网WLAN用于高清图片或视频监控以及监控范围内的语音通信，通过接入无线局域网WLAN的手持移动终端设备和图像采集设备，收集、传输包括语音、图片/视频的大数据量的数据；两种类型的网络都将采集到的数据汇集到骨干网络节点，通过骨干网络上传至监控中心。
2.如权利要求1所述的监控系统，其特征是，骨干网节点即监控子站采用廉价的大功率IEEE802.11无线网卡和高增益定向天线，以实现长距离和高带宽链路；监控子站由多个嵌入式硬件设备通过交换机互联而成；每个嵌入式硬件设备都配有1个802.11无线网卡，其中的一个嵌入式硬件设备外接全向天线，工作在AP模式，AP是Access Point的首字缩写，用于手持移动终端设备和图像采集设备的无线接入；其它嵌入式硬件设备外接高增益定向天线，工作在ad hoc模式，用于构成网状网络的长距离链路。
3.如权利要求1所述的监控系统，其特征是，采集终端为传统传感器网络节点，构成WSN子网，采集终端采集的各种传感器数据发送给WSN汇聚节点，汇聚节点作为一个模块集成在骨干网节点上，无线传感器网络WSN支持星形和网状拓扑结构。
4.如权利要求1所述的监控系统，其特征是，手持移动终端设备为支持IEEE 802.11的手持设备，包括手机、PDA，PDA是Personal Digital Assistant首字缩写，手持移动终端设备内运行成熟的或者自主开发的语音通信软件，图像采集设备为支持IEEE 802.11的无线图像采集设备，用于采集和传输图片/视频数据。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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