CN103093563A - 基于无线传感器网络的周界防护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的周界防护系统，包括无线监测节点、传感网中心控制节点、监控中心服务器和便携监控终端；无线监测节点通过外扩的传感器采集信息并通过无线方式将所采集的信息发送至传感网中心控制节点；传感网中心控制节点用于组建无线通信网络，接收无线监测节点发送的信息并利用数据融合手段处理信息，并将处理后的监测数据通过有线方式转发至监控中心服务器；监控中心服务器用于存储和分析监测数据并显示监测信息，若发现有被防护的目标被入侵，则报警，并将监测信息和报警信息通过无线方式发送给便携监控终端；便携监控终端通过无线方式访问监控中心服务器的数据。本发明低成本、低功耗、部署灵活、监测面广、适用性强。

Description

基于无线传感器网络的周界防护系统

技术领域

本发明涉及一种基于无线传感器网络的周界防护系统，具体涉及一种基于无线传感器网络并采用多种感知手段的“即布即用”周界防护系统。

背景技术

随着技术的进步与发展，现代战争中战场的范围在不断地扩大，为指挥所、营地等军事要地提供全维不间断的安全防护监视，实时发现非法入侵目标，保护人员、设施、资源和装备免受敌特或恐怖袭击，已成为现代战争面临的一项重要挑战。在民用领域中，机场、港口、危险品仓库等重要设施的安全保卫形势也不容乐观。然而，物理周界防范手段(如栅栏、围墙等)已难以适应现代安全保卫工作的需要，因此，研制并应用技术周界防范手段成为了首要选择。这些技术周界防范手段，将周界防范从单纯的物理隔绝上升到智能管理，有效提高了周界防护的效率。

目前，市场上已有红外线对射、微波探测、振动电缆、视频监控等多种技术周界防护设备，然而，这些技术周界防护设备在机制上或性能上却或多或少存在着明显不足。例如视频监控通常采用定点监控，监控范围小，一般必须连续扫描，造成资源的浪费，且需要有人值守方能实现实时监测；红外监控由于红外技术自身的特性，导致红外线安防监控系统存在监测盲区、易破解、易受环境光源和小动物干扰等先天不足；微波场和电子围栏则比较容易受到电磁的干扰而使系统瘫痪，并且系统复杂，实施成本较高。此外，部分采用光纤、网络等有线布线方式实现的安防系统，其结构工艺复杂，施工麻烦且工期长。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于无线传感器网络的周界防护系统，基于先进的短距离无线通信技术和传感器技术，将传统的物理隔绝周界防护系统、入侵检测系统和无线报警系统融为一体，组合成一种多监测目标、多重防护、智能化的无线安防系统。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于无线传感器网络的周界防护系统，包括无线监测节点(简称“监测节点”)、传感网中心控制节点、监控中心服务器和便携监控终端：

所述无线监测节点和传感网中心控制节点布置在目标防护区域；

所述无线监测节点通过外扩的传感器采集信息并通过无线方式将所采集的信息发送至传感网中心控制节点；

所述传感网中心控制节点用于组建无线通信网络，接收所述无线监测节点发送的信息并利用数据融合手段处理信息，并将处理后的监测数据通过有线方式转发至监控中心服务器；

所述监控中心服务器用于存储和分析所述监测数据并显示监测信息，若发现有被防护的目标被入侵，则发出报警，并将监测信息和报警信息通过无线方式发送给便携监控终端；

所述便携监控终端通过无线方式访问监控中心服务器的数据。

进一步的，所述无线监测节点包括传感器接口单元、第一微处理器单元和第一通信单元，所述传感器将所采集的信息变换为电信号并通过传感器接口单元将所述电信号传送给所述第一微处理器单元，第一微处理器单元将所述电信号通过所述第一通信单元无线发送给传感网中心控制节点。

进一步的，所述传感器包括红外传感器、震动传感器和磁敏传感器。

进一步的，所述传感网中心控制节点包括第二微处理器单元、第二通信单元和接口单元，所述第二通信单元接收第一通信单元发送的信号并传送至第二微处理器单元，第二微处理器单元将接收到的信号进行数据融合处理，并将处理后的监测数据通过接口单元有线发送至监控中心服务器。更进一步的，所述传感网中心控制节点还包括辅助定位单元，所述辅助定位单元将传感网中心控制节点的位置信息依次通过第二微处理器单元和接口单元有线发送至监控中心服务器。接口单元中主要提供了一些对外通信的接口，如RS232串口，USB接口和网络接口。所述所述辅助定位单元可以包括GPS模块。

进一步的，所述无线监测节点和传感网中心控制节点采用Zigbee无线自组网方式通讯。

本发明中，监控中心服务器一般采用高性能的服务器并运行监测软件，服务器端的监测软件主要由通信模块、数据存储模块，数据处理模块和显示告警模块几部分组成，并提供基本的通信与协议解析(串口通信、网络通信TCP、UDP)、监测信息存储和管理、传感网拓扑和分布的传感器监测信息实时展示和异常报警等功能，并具备在线设备故障监测能力。便携监控终端主要使用手持设备如PDA、平板电脑等，其利用无线网络通信方式访问监控服务器的监测信息和处理结果，并通过友好的交互方式展示。便携监控终端作为一种便携的智能监测设备，能在发生非法入侵或异常告警时，现场指示相关人员排查警情。

进一步的，所述传感器至少包括震动传感器，所述无线监测节点的运行机制为主动休眠加中断唤醒，具体如下：所述无线监测节点部署完成后即主动进入低功耗休眠模式，每隔一段时间由内部定时器唤醒，并主动读取各个传感器采集的信息，再通过无线通信发送至传感网中心控制节点；中断唤醒是指若有目标进入监测区域时，震动传感器通过输出一个数字信号唤醒无线监测节点，无线监测节点被唤醒后首先开启ADC模块，采集震动传感器通过模拟输出通道输出的电压值，当连续一段时间采集到的输出电压高于无线监测节点设定的休眠门限电压阈值时，则立即接通其他传感器电源进入多传感器工作模式，否则无线监测节点再次进入休眠状态。这种监测节点主动休眠加中断唤醒的运行机制在保证入侵目标可靠监测的同时还能有效节省系统能耗、提高系统的生存时间。

进一步的，所述便携监控终端包括手机、PDA或平板电脑。

本发明的工作原理是利用飞行器抛投或者人工部署的方式将大量携带各类传感器的监测节点部署在目标监测区域内，同时传感网中心控制节点启动并发起组建短距离无线通信网络，区域内的监测节点以自组织的方式快速加入网络，并形成网状网覆盖监测区域。网络形成后，监测区域内的各个监测节点会启动节点自定位功能(本发明中不展开论述无线传感器网络节点自定位相关技术，具体可以查询相关专利。若采用人工部署方式则可直接将节点位置信息发送至监控中心服务器)并将定位结果发送至监控中心服务器。定位结束即完成周界防护监测网络的部署，防护系统便可投入工作。当有目标进入监测区域后，首先使用上述的唤醒机制将监测节点唤醒，监测节点采集到入侵目标的震动、光阻挡和磁场等信息后通过多跳路由的方式发送到传感网中心控制节点，传感网中心控制节点将数据进行简单融合处理后再通过串口将结果传送给监控中心服务器，监控中心服务器端通过对上传数据的存储、分析、计算、显示实现对监测区域入侵目标的检测、识别、跟踪和报警等功能。同时便携监控终端可以利用网络通信方式访问监控服务器的监测信息和处理结果，现场指示相关人员排查警情。当警情排除或入侵目标离开检测区域后，监测节点又可进入低功耗工作模式以降低能耗。

有益效果：无线传感器网络是由大量廉价的传感器节点组成的无线自组织网络，每个传感器节点均具有一定的感知、处理、存储和无线通信能力，具有节点成本低体积小、组网方式灵活、部署方式简单易行、适合无人值守等优点。与现有的技术周界防范手段相比，利用无线传感器网络进行周界防护，实现目标的入侵监测，具有以下明显的优势：

组网灵活，即布即用：可以利用飞行器空投或人工布置的方式快速部署在目标监测区域或重点防护目标周界。同时，它不易受地形和气候的限制，能够快速有效地部署在各种地形的环境中，并可利用传感网自组织技术和无线定位技术即时形成覆盖防护区域的监测网络。

分布协同，全面监测：相对视频监控这类定点监控方式和红外安防监控、电子围栏等线式链式监控方式，基于分布式无线传感器网络采用分散部署，点面结合的全面监测方式，通过一张覆盖整个监测区域的无形的网络，形成多纵深、大范围的监测区域，全面感知各种非法入侵和异常。

附图说明

图1是本发明的应用部署示意图；

图2是本发明的系统组成示意图，图中的UART为Universal AsynchronousReceiver/Transmitter，通用异步接收/发送装置的缩写；

图3是本发明的监测节点与传感网中心控制节点自组织网络示意图，图中示意性的标出了几个监测节点，其它没有标注的圆圈也为监测节点；

图4是本发明的监测节点结构示意图；

图5是本发明的传感网中心控制节点结构示意图；

图6是本发明的便携监控终端结构示意图；

图7是本发明的监测节点低功耗原理示意图；

图8是本发明的系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

参照图1本发明所述的基于多感知无线传感器网络的“即布即用”周界防护系统可以与传统的采用物理隔绝方式的周界防护手段相结合，并具有部署灵活、即布即用的特点。在对军事应用中的重要目标进行周界防护中，首先采用飞行器抛投或者人工布置的方法将监测节点和传感网中心控制节点部署在在目标防护区域。

参考图2本文所述的基于多感知无线传感器网络的“即布即用”周界防护系统包括多传感器监测节点101、传感网中心控制节点102、监控中心服务器103和便携监控终端104。监测节点101主要负责利用扩展的各类传感器采集信息并通过无线方式将信息发送至传感网中心控制节点102；传感网中心控制节点102主要负责Zigbee网络的组建、维护与管控，接收各个分布在监控现场的监测节点101发送的监测数据并利用数据融合手段进行更高层次的数据处理，同时通过串口将处理结果转发至监控中心服务器103；监控中心服务器103主要负责对监测数据进行存储和分析，提供友善的人机交互接口实现监测结果的显示、安防等级与态势分析和异常报警并为便携监控终端104提供实时的监测信息和处理结果；便携监控终端104主要利用网络通信方式访问监控服务器103的监测信息和处理结果，并由相关人员随身携带以帮助其现场排查警情。

如图3所示，本发明中监测节点101与传感网中心控制节点102采用短距离无线通讯技术Zigbee组建自组织网络，网络拓扑一般采用网状或树状结构。Zigbee无线传感器网络一般包括一个Zigbee协调器节点和多个终端节点。本发明中由传感网中心控制节点102作为协调器节点主要负责启动网络、配置网络成员、维护网络、维护节点的绑定关系等，监测区域内分布的多个监测节点101作为Zigbee网络的终端节点主要完成传感器信息采集、无线路由通信、解析传感网中心控制节点102各类管控指令及执行相关配置操作。

如图4所示，本发明中监测节点101包括电源供给单元、核心处理单元、传感器接口单元、通信单元和定位辅助单元。电源供给单元为整个监测节点上各组成单元供给能量，主要由电池和电压转换电路组成；传感器接口单元提供对红外对射传感器、震动传感器、磁敏传感器以及其他传感器的硬件接入支持，并通过对入侵目标震动特征量、磁特征量和光阻挡特征量的提取、分析实现对不同入侵目标的简单辨识，并可以根据具体应用需求，接入一个或多个不同的传感器扩展感知能力；核心处理单元由微处理器和外围电路组成。本发明中通信单元采用zigbee技术实现短距离无线通信。辅助定位单元为可选模块，在实际部署时可以使用GPS定位或者采用人工标定的方法获取监测节点的位置信息。

如图5所示，传感网中心控制节点102包括核心处理单元、通信单元、辅助定位单元(GPS)、接口单元以及电源供给单元。所述通信单元由zigbee通信模块构成，所述zigbee模块实现传感网中心控制节点与监测节点间无线通信功能。由于传感网中心控制节点需要汇聚、融合各个监测节点采集的实时数据，节点处理数据量较大，因此相对于监测节点需要更多的系统资源，本发明中采用了高性能的嵌入式处理器。所述接口单元包括网络接口、串行通讯接口、通用输入输出接口(GPIO)和模拟数字转化接口(ADC)，这些接口使得系统的扩展更为灵活。传感网中心控制节点与监控中心服务器之间使用串口通信方式。

如图6所示，便携监控终端104包括核心处理单元、通信单元、辅助定位单元(GPS)、人机交互单元以及电源供给单元。所述通信单元包括多种无线通讯方式如WiFi、GPRS，主要实现便携监控终端104利用网络通信远程访问监控中心服务器数据。所述人机交互单元主要包括多种人机交互手段，如液晶显示屏显示、键盘输入、语音识别输入、语音提示输出等等。便携监控终端104主要由相关人员随身携带以帮助其现场排查警情，因此对体积和功耗有较高要求。

参照图7，本发明中监测节点101具备三种类型的传感器接口：震动传感器、磁敏传感器和红外传感器，其中震动传感器有两路信号输出，一路输出数字信号直接连接到监测节点101核心处理单元(简称“处理单元”)的外部中断检测接口，另一路输出模拟信号并与处理单元的模数转换(ADC)模块相连。监测节点101携带的三种传感器工作电源均取自节点本身，但是为了尽可能降低功耗，平时只有震动传感器的电源处于接通状态即只有震动传感器处于工作模式，其余传感器均未接通电源。本发明中采用一种主动休眠加中断唤醒的运行机制，即监测节点101大部分时间处于低功耗的休眠模式，并可由两类事件唤醒。一种唤醒方式是每隔一段时间由处理单元内的内部定时器唤醒并接通各个传感器工作电源读取传感器的数据后再以无线方式发送至传感网中心控制节点102；另一种唤醒方式是，当有目标进入监测区域时，监测节点101携带的震动传感器与核心处理单元上外部中断监测接口相连接的引脚将产生一个下降沿信号用于唤醒节点，监测节点101唤醒后首先开启ADC模块采集震动传感器模拟输出通道输出的电压值，当连续一段时间采集到的输出电压高于监测节点设定的休眠门限电压阈值时则立即接通其他传感器(红外传感器和磁敏传感器)电源进入多传感器工作模式，否则监测节点101再次进入休眠状态。这种节点主动休眠加中断唤醒的运行机制在保证入侵目标可靠监测的同时还能有效节省系统能耗、提高系统的生存时间。

参照图8，本系统完成周界防护任务的步骤：在步骤801中首先启动监控中心服务器完成初始化工作，同时在监测区域部署监测节点101和传感网中心控制节点102，启动传感网中心控制节点102建立短距离无线通信网络，监测节点101依次加入并形成自组织网络；在步骤802中监测节点101和传感网中心控制节点102利用辅助定位单元进行定位并将获取的位置信息上传至监控中心服务器103；在步骤803中监控中心服务器103根据监测节点101组网和位置信息，计算生成覆盖整个监测区域的监测地图(当监测区域内有新的监测节点加入或退出以及部署发生变化时监控中心服务器都会更新监测地图)；在步骤804中，监测节点101部署完成并成功上传位置信息后将进入休眠状态，并采用上述主动休眠加中断唤醒的运行机制，定期由内部定时中断唤醒或由外部中断信号唤醒；在步骤805中当有目标进入监测区域，区域内的监测节点101将立即被唤醒并进入协同监控工作模式，开始采集入侵目标的震动、光阻挡和磁场等信息以多跳路由的方式发送到传感网中心控制节点102，传感网中心控制节点102将数据进行简单融合处理后再通过串口将结果传送给监控中心服务器103；在步骤806中，监控中心服务器103通过对上传数据的存储、分析、计算、显示实现对监测区域入侵目标的检测、识别、跟踪和报警，以及根据警情级别给出对应的应急方案，并通知指示相关人员去监测现场排查；在步骤807中，相关人员进入报警区域排查警情，可以通过随身携带的便携监控终端104实时查看最新的监测结果以及接收监控中心服务器的各项指示命令；在步骤808中，当警情排除后，监测区域内的监测节点101将再次进入休眠模式，以低功耗方式运行以延长监测网络的生存时间。

与传统的周界防护系统相比，本发明使周界防护系统的构建更灵活机动、监测更智能全面，具有低成本、低功耗、部署灵活、监测面广、适用性强等特点，很好地克服了基于视频、红外线、光纤等传统安防监控手段的周界防护系统存在安装繁复、监控范围有限、线路结构复杂、抗毁性与可靠性差、施工麻烦且工期较长等缺点。

Claims (8)

1.一种基于无线传感器网络的周界防护系统，包括无线监测节点、传感网中心控制节点、监控中心服务器和便携监控终端，其特征在于：

所述无线监测节点和传感网中心控制节点布置在目标防护区域；

所述无线监测节点通过外扩的传感器采集信息并通过无线方式将所采集的信息发送至传感网中心控制节点；

所述传感网中心控制节点用于组建无线通信网络，接收所述无线监测节点发送的信息并利用数据融合手段处理信息，并将处理后的监测数据通过有线方式转发至监控中心服务器；

所述监控中心服务器用于存储和分析所述监测数据并显示监测信息，若发现有被防护的目标被入侵，则发出报警，并将监测信息和报警信息通过无线方式发送给便携监控终端；

所述便携监控终端通过无线方式访问监控中心服务器的数据。

2.根据权利要求1所述基于无线传感器网络的周界防护系统，其特征在于：所述无线监测节点包括传感器接口单元、第一微处理器单元和第一通信单元，所述传感器将所采集的信息变换为电信号并通过传感器接口单元将所述电信号传送给所述第一微处理器单元，第一微处理器单元将所述电信号通过所述第一通信单元无线发送给传感网中心控制节点。

3.根据权利要求1所述基于无线传感器网络的周界防护系统，其特征在于：所述传感器包括红外传感器、震动传感器和磁敏传感器。

4.根据权利要求2所述基于无线传感器网络的周界防护系统，其特征在于：所述传感网中心控制节点包括第二微处理器单元、第二通信单元和接口单元，所述第二通信单元接收第一通信单元发送的信号并传送至第二微处理器单元，第二微处理器单元将接收到的信号进行数据融合处理，并将处理后的监测数据通过接口单元有线发送至监控中心服务器。

5.根据权利要求4所述基于无线传感器网络的周界防护系统，其特征在于：所述传感网中心控制节点还包括辅助定位单元，所述辅助定位单元将传感网中心控制节点的位置信息依次通过第二微处理器单元和接口单元有线发送至监控中心服务器。

6.根据权利要求1所述基于无线传感器网络的周界防护系统，其特征在于：所述无线监测节点和传感网中心控制节点采用Zigbee无线自组网方式通讯。

7.根据权利要求1所述基于无线传感器网络的周界防护系统，其特征在于：所述传感器至少包括震动传感器，所述无线监测节点的运行机制为主动休眠加中断唤醒，具体如下：所述无线监测节点部署完成后即主动进入低功耗休眠模式，每隔一段时间由内部定时器唤醒，并主动读取各个传感器采集的信息，再通过无线通信发送至传感网中心控制节点；中断唤醒是指若有目标进入监测区域时，震动传感器通过输出一个数字信号唤醒无线监测节点，无线监测节点被唤醒后首先开启ADC模块，采集震动传感器通过模拟输出通道输出的电压值，当连续一段时间采集到的输出电压高于无线监测节点设定的休眠门限电压阈值时，则立即接通其他传感器电源进入多传感器工作模式，否则无线监测节点再次进入休眠状态。

8.根据权利要求1所述基于无线传感器网络的周界防护系统，其特征在于：所述便携监控终端包括手机、PDA或平板电脑。

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