CN104244180A - 一种基于无线传感网络的目标入侵监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感网络的目标入侵监测系统，包括终端监测节点、路由监测节点、网络协调器和PC监控基站。该系统采用无线传感网络技术，通过分类布设多传感器监测节点来实现对自然保护区域或其它敏感区域的实时监控。本发明可自动对入侵目标进行检测、识别与定位，并在上位机上实现实时监控、报警显示与数据记录。此监测系统能以最少能量传输通信并具有待机唤醒功耗控制功能。本发明使用灵活方便，成本低、功耗小、可靠性高，隐蔽性好，适用范围广。能够很好的对防偷猎区域及其它需监控区域实现大范围、长时间、恶劣环境下的无人监控。

Description

一种基于无线传感网络的目标入侵监测系统

技术领域

本发明属于目标入侵识别与监测技术领域，涉及一种无线传感网络系统，具体涉及一种基于无线传感网络的目标入侵监测系统。

背景技术

随着现代科学技术的发展，偷猎现象变得日益严峻，偷猎不法分子使用了更为先进的捕猎工具与技术手段，使得很多野生动物正大范围的面临着濒临灭绝的困境。同时这种为了自身利益而肆意偷猎的行为，破坏了生物链平衡，对环境本身健康循环，可持续发展造成了不可挽回的灾难。

我国目前用于防偷猎系统有效的方法仍还处于空白阶段。传统的可用于防偷猎方面的方法主要有设立保护区，围墙、栅栏防护及人员巡逻等。随着社会经济与科学技术的发展，现代兴起了一系列可用于防偷猎方面的产品。目前市场上常见的防入侵系统有红外安防监控系统、电缆类报警系统和视频监控系统。红外安防监控系统价格低廉，但存在监控盲区，易受温度、光源及动物活动影响，出现误报，且多用于室内。电缆类报警系统漏报率低、阻拦、警示效果好，但施工维护较困难，且只能报警，无法监控。视频监控系统可同时实现报警与监控，施工方便，不受地形约束且误报率低。但其价格昂贵，需人员实时操控，隐蔽性差，监控范围有限，不适于大范围布设。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的诸多问题与不足，提供一种基于无线传感网络的目标入侵监测系统，该系统适用于环境保护中的防偷猎及敏感区域，可对入侵的人员或车辆进行识别、定位与监测，并将检测到的目标信息通过无线传输方式，及时、准确、可靠的发送到监控基站，并在基站的PC主机上实现目标监测、报警显示与数据记录。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：包括布置在需检测区域内的若干终端监测节点、若干路由监测节点、网络协调器以及PC监控基站；

终端监测节点和路由监测节点用于采集入侵目标信号，并对其进行识别、定位处理，然后将处理后的数据结果打包发通过无线传感网络发送给临近的路由监测节点或网络协调器；

网络协调器用于建立网络、管理配置网络成员地址以及维护网络，并将接收到的信息通过串口发送给PC监控基站；

PC监控基站负责对网络协调器发送来的入侵目标信号进行实时监控、报警显示与数据记录。

所述的终端监测节点与路由监测节点均包括红外声音监测节点和震动磁电监测节点；路由监测节点始终处于工作状态；终端监测节点的功耗控制采用待机唤醒模式，目标入侵时红外声音监测节点的信号与震动磁电监测节点的信号共同触发终端监测节点，使其由待机唤醒为正常工作状态。

所述的红外声音监测节点包括STM32主控板，以及均与STM32主控板相连的传感器模块、无线数据通信ZigBee模块、USB转串口通信模块以及电源管理模块。

所述终端监测节点的无线数据通信ZigBee模块用于与实际监控对象相连。

所述的传感器模块包括红外传感器模块、声音传感器模块以及用于快速定位的电子罗盘模块与GPS定位模块；

所述的震动磁电监测节点包括STM32主控板，以及均与STM32主控板相连的检测传感器、A/D转换模块、GPS定位模块、无线数据通信ZigBee模块、USB转串口模块、以及电源管理模块。

所述的路由监测节点的无线数据通信ZigBee模块用于实现扩展网络及路由消息的功能。

所述的检测传感器包括震动传感器和隧道磁传感器模块。

所述的隧道磁传感器模块与STM32主控板相连；震动传感器上连接有滤波放大电路，滤波放大电路的输出端分为两路，一路通过A/D转换模块与STM32主控板相连，另一路通过电压比较电路与STM32主控板相连。

所述的无线传感网络采用网状网络结构，且遵循能量最少原则进行数据传送。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过将若干终端监测节点与路由监测节点相结合，配合网络协调器及PC监控基站构成基于无线传感网络的监测系统，通过终端监测节点和路由监测节点采集入侵目标信号，并对其进行识别、定位处理，然后将处理后的数据结果打包发通过无线网络发送给临近的路由监测节点或网络协调器，实现目标入侵的检测，由于采用多传感器感知，使检测更加全面可靠。本发明自组网抗毁性好，可靠性高。系统采用无线网状网络结构，当网络中出现路由节点故障时，节点会自动寻找附近路由节点重新加入网络，继续数据转发。各节点只与附近节点通信，冲突少。本发明还具有使用灵活方便、成本低、功耗小、体积小、可靠性好、隐蔽性好等优点，适合大范围恶劣环境下长时间的无人监测。

进一步的，本发明采用多传感器感知，检测更加全面可靠。对应于声、光、磁、物理震动等入侵目标容易造成变化的自然变量，本发明分别选用红外传感器模块、声音传感器模块、磁传感器模块与震动传感器，用于检测入侵目标发出的红外光谱，声响，对地磁场的扰动与对地面的震动。其中红外传感器模块的布设结构可实现360°全方位监测。上述多传感器共同配合即可实现多层次、多特征检测，信息全面准确，可靠性好。

进一步的，本发明判别可靠，定位快速准确。待机唤醒采用红外高电平与震动信号超出阈值共同触发，优化了功耗控制，增强抗干扰，减少了误报率。同时红外检测、电子罗盘模块与GPS节点自定位联合定位可快速准确判断目标侵入方位。

进一步的，本发明将特征归类分开监测，适应性好。为了满足复杂地形，恶劣环境区域的有效监测，使传感器性能得到最充分的利用，根据传感器自身特性的不同以及对周围监测区域环境的限制要求，将监测节点分为红外声音监测节点与震动磁电监测节点。前者可布设在其它物体上或高处或干扰较少的开阔地带，后者可紧贴地面任意布设或埋入土中，以实现更好的隐蔽性。

附图说明

图1为本发明监测系统的整体结构示意图；

图2为本发明红外声音监测节点的结构示意图；

图3为本发明震动磁电监测节点的结构示意图；

图4为本发明红外声音终端监测节点的工作流程图；

图5为本发明震动磁电终端监测节点的工作流程图；

图6为本发明网络协调器的工作流程图。

其中，1为终端监测节点；2为路由监测节点；3为网络协调器；4为入侵目标。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施对本发明作进一步说明，应该理解，此处具体实施仅用于说明本发明而不用于限制本发明范围。凡依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的等效变化与修饰均落于本发明的权利要求保护范围。

参见图1，本发明基于无线传感网络的目标入侵监测系统，在所需监测区域布设终端监测节点与路由监测节点，通过无线传输相互通信形成一张无线传感监测网络。对侵入的人员与车辆目标可实现检测、识别、定位并将结果最终传输给PC监控基站实现实时监测、报警显示与数据记录。

具体的，本发明基于无线传感网络的目标入侵监测系统包括布置在需检测区域内的若干终端监测节点1、若干路由监测节点2、网络协调器3以及PC监控基站；其中，

终端监测节点1和路由监测节点2用于采集入侵目标信号，并对其进行识别、定位处理，然后将处理后的数据结果打包发通过无线传感网络发送给临近的路由监测节点2或网络协调器3；无线传感网络采用网状网络结构，且遵循能量最少原则进行数据传送。网络协调器3用于组建、管理、维护网络，并将接收到的信息通过串口发送给PC监控基站。PC监控基站负责对网络协调器3发送来的入侵目标信号进行实时监控、报警显示与数据记录。

终端监测节点1与路由监测节点2均包括红外声音监测节点和震动磁电监测节点；路由监测节点2始终处于工作状态；终端监测节点1的功耗控制采用待机唤醒模式，目标入侵时红外声音监测节点的信号与震动磁电监测节点的信号共同触发终端监测节点1，使其由待机唤醒为正常工作状态。

如图2所示，红外声音监测节点包括STM32主控板，以及均与STM32主控板相连的传感器模块、无线数据通信ZigBee模块、USB转串口通信模块以及电源管理模块。终端监测节点1的无线数据通信ZigBee模块用于与实际监控对象相连。传感器模块包括红外传感器模块、声音传感器模块以及用于快速定位的电子罗盘模块与GPS定位模块；

如图3所示，震动磁电监测节点包括STM32主控板，以及均与STM32主控板相连的检测传感器、A/D转换模块、GPS定位模块、无线数据通信ZigBee模块、USB转串口模块、以及电源管理模块。路由监测节点2的无线数据通信ZigBee模块用于实现扩展网络及路由消息的功能。检测传感器包括震动传感器和隧道磁传感器模块。隧道磁传感器模块与STM32主控板相连；震动传感器上连接有滤波放大电路，滤波放大电路的输出端分为两路，一路通过A/D转换模块与STM32主控板相连，另一路通过电压比较电路与STM32主控板相连。

本发明的原理：

本发明由终端监测节点、路由监测节点、网络协调器与PC监控基站四部分组成。其中，终端监测节点主要用于采集入侵目标信号，快速确定目标入侵方位，并进行相应的识别算法处理，最后将处理后的信息数据打包发送给相邻路由监测节点。路由监测节点主要用于扩展网络，其同时具备采集处理数据与转发数据的功能。网络协调器负责建立网络，配置网络成员地址，维护网络等功能。其接收路由节点传输与转发的数据并通过串口将数据发送给PC主机。PC监控基站用于对系统发送来的数据进行实时监测，报警显示和数据记录。

本发明终端监测节点根据传感器自身检测方式的差别，实际环境的变化，节点检测的可靠性，为了最优的发挥监测系统传感器的特性，将终端监测节点分为两类节点：红外声音监测节点与震动磁电监测节点。

红外声音监测节点包括红外传感器模块、声音传感器模块、电子罗盘模块、GPS定位模块、无线数据通信ZigBee模块、USB转串口通信模块、STM32主控板、电源管理模块。震动磁电监测节点包括震动传感器、信号调理电路、A/D转换模块、隧道磁传感器模块、GPS定位模块、无线数据通信ZigBee模块、USB转串口模块、STM32主控板、电源管理模块。

本发明路由监测节点与终端监测节点在结构与组成上完全相同，区别在于它们之间无线通信ZigBee模块的功能不同，此不同可通过软件编程来实现。终端监测节点无线通信模块作为网络边缘设备，负责与实际监控对象相连。路由监测节点无线通信模块主要实现扩展网络及路由消息的功能。

本发明网络协调器负责建立网络，配置网络成员地址，维护网络等。协调器建立网络，路由监测节点和终端监测节点加入网路，然后周期性的采集发送数据给网络协调器，网络协调器通过串口将数据发送给PC主机。在PC监控基站内可进行所有数据的实时监测，报警显示与数据记录。

本发明红外传感器模块检测角度调节为90°，采用圆周上每相距90°布设，共四个，可实现360°全方位检测。配合电子罗盘模块与GPS定位模块即可对入侵目标实现准确定位。震动传感器由于检测到来自目标地面震动信号非常微弱，因此设计了一种双级AD620放大电路，可有效滤除干扰信号并放大有用信号。由于红外传感器主要感应人员及车辆发出的红外光谱，声音传感器检测目标发出的声强，所以根据环境地形的差异，可将红外声音监测节点布设在岩石树木，高处，或开阔地带，可极大的避免干扰。由于磁隧道传感器模块检测金属目标对地磁的扰动，震动传感器检测行进目标对地面的震动，因此可将其任意布设在隐蔽的所需地带，或埋入土中。

本发明无线网络采用网状网络结构，其具有抗毁性好和可靠性高等优点。当网络中某一路由节点发生故障时，节点会自动搜索附近路由节点重新加入网络，继续数据的转发。各节点只与临近节点通信，冲突少，数据传输通过路由节点多跳通信。

本发明系统供电采用两块3.7V锂电池串联作为初始电源，并经过相应电压转换为系统及各模块电路提供电源，系统结构采用上下两层基板连接结构，控制系统在上层基板，电源供电在下层。系统亦可通过USB串口供电。同时，MCU主控板含3V纽扣电池作为后备电源。本系统监测节点低功耗控制采用待机唤醒模式。路由监测节点始终处于工作状态，在无目标入侵时，终端监测节点系统一直处于待机模式，可实现最大低功耗。当有目标侵入到监测区域时，红外传感器高电平触发唤醒红外声音终端监测节点，震动传感器检测信号强度阈值触发唤醒震动磁电终端监测节点。此两类监测节点共同唤醒通往PC基站的一条最佳通信网络。此最佳通信网络可通过能量最少原则获得。

如图2所示，本发明的红外声音监测节点主要由红外传感器模块、声音传感器模块、电子罗盘模块、GPS定位模块、无线通信模块、电源管理单元与主控系统板组成。红外传感器模块用于检测入侵目标发出的红外光谱，并输出高低电平，检测角度及距离均可调。此信号同时作为功耗控制中待机唤醒的触发信号。声音传感器用于检测目标发出的声响，0V低电平有效，灵敏度可调。本发明中红外传感器模块检测角度调节为90°，采用圆周上每相距90°布设，共四个，可实现360°全方位检测。电子罗盘模块配合红外传感器即可快速有效地检测出目标出现的方向。GPS定位模块用于对监测节点自定位。无线传输模块用于将检测到的目标及方位信号无线发送出去供后续处理。

如图3所示，本发明的震动磁电监测节点主要由隧道磁传感器模块、震动传感器、信号调理电路、A/D转换模块、电压比较电路、GPS定位模块、无线传输模块、电源管理单元、主控系统板组成。隧道磁传感器模块检测含金属目标对地磁场的干扰，并将此变化以高低电平输入主控芯片。震动传感器检测目标在地面行进时产生的震动，此信号先经过滤波放大电路处理后再输入A/D转换模块，进行模数转换后输入主控芯片，主控芯片对震动信号进行短时过零率、短时能量比与倒谱分析算法处理。电压比较电路用于将滤波放大后的震动信号与设定的电压阈值进行比较，此结果用于控制震动磁电节点功耗控制中的待机与唤醒。GPS定位模块用于对震动磁电监测节点自定位。无线传输模块用于将主控芯片处理后的震动磁电信号数据发送出去，供后续处理。

本发明的工作过程：

如图1所示，本发明无线网状网络结构由三类设备组成：协调器、路由节点、终端节点。协调器主要负责网络的管理与维护，并通过串口和上位机相连来进行数据信息的显示、报警与记录。路由节点兼具终端节点功能与数据转发功能。终端节点对目标数据采集、识别、定位，并将ARM处理后的数据通过射频单元路由多跳最终发送给协调器。传感器监测节点布设在需监控区域形成一张无线传感网络。无目标侵入时，终端监测节点一直处于待机状态，路由节点时刻处于工作状态。当人员与车辆等目标入侵到监测区域时，终端监测节点通过红外信号与震动信号共同触发被唤醒为正常工作状态。监测节点通过红外、声音、震动、磁电四类传感器全面感知目标自身特性及其引起的自然物理量的变化，并将其监测到的信号数据经处理后发送给临近路由监测节点。路由监测节点将总数据包通过路由多跳的方式，结合能量最少条件选择一条合适的信道形成网络，目标数据包经由网络传输给协调器，协调器再通过串口将数据发送给PC监控基站。在上位机上实现实时监控、报警显示与数据记录。

如图4所示，本发明红外声音终端监测节点工作流程，系统首先初始化，电子罗盘模块与GPS定位模块检测节点方位信息，并将其通过路由多跳方式传输给PC监控基站。红外传感器判断是否检测到目标入侵，如无，系统节点延时一段时间自动进入待机模式。当有目标入侵时，节点唤醒，系统通过无线ZigBee传输模块发送目标检测及方位数据。接下来再进行声音信号检测，并将检测结果同样发送给临近路由节点，并经过多跳路由最终发送到PC监控基站。整个监测过程中路由节点始终处于工作状态。

如图5所示，本发明震动磁电终端监测节点工作流程，系统初始化后首先发送节点位置信息，检测外界震动信号强度是否超出设定阈值，未超出则系统始终处于待机状态。当有目标入侵且其产生的震动信号超出所设阈值时，此震动信号经由A/D转换后输入STM32主控芯片进行目标识别算法处理。共三种算法：短时过零率、短时能量比和倒谱分析。ZigBee无线传输模块将处理后的结果经多跳路由最终发送给PC监控基站。接下来再判断磁电传感器是否检测到目标信号，并将结果以同样方式发送给PC监控基站。整个监测过程中路由节点始终处于工作状态。

如图6所示，本发明网络协调器负责新建网络并允许其它节点加入到该网络，然后发送数据请求，接收路由节点和终端节点发送的数据信息。最后将收到的数据信息汇合整理后通过串口传给上位机。在一个ZigBee无线网络中，首先需启动协调器，协调器上电后首先进行能量检测，根据能量扫描结果选择一个合适的信道，通常是选择能量最少的形成网络。本系统采用直接通信，源节点需要知道目标节点的网络地址等就可以进行通信。

本发明还具有使用灵活方便，可人工布设，亦可飞机、火炮抛投布撒等优点。本发明节点成本低、功耗小，使用可靠，同时体积小亦具有很好的隐蔽性，可实现长时间大范围恶劣环境下的无人监控。对于防止或减少偷猎行为，保护环境，维持自然平衡，以及降低国家在这方面人力、物力、财力的投入，具有重大的现实意义。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无线传感网络的目标入侵监测系统，其特征在于：包括布置在需检测区域内的若干终端监测节点(1)、若干路由监测节点(2)、网络协调器(3)以及PC监控基站；

终端监测节点(1)和路由监测节点(2)用于采集入侵目标(4)信号，并对其进行识别、定位处理，然后将处理后的数据结果打包发通过无线传感网络发送给临近的路由监测节点(2)或网络协调器(3)；

网络协调器(3)用于建立网络、管理配置网络成员地址以及维护网络，并将接收到的信息通过串口发送给PC监控基站；

PC监控基站负责对网络协调器(3)发送来的入侵目标信号进行实时监控、报警显示与数据记录。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的目标入侵监测系统，其特征在于：所述的终端监测节点(1)与路由监测节点(2)均包括红外声音监测节点和震动磁电监测节点；路由监测节点(2)始终处于工作状态；终端监测节点(1)的功耗控制采用待机唤醒模式，目标入侵时红外声音监测节点的信号与震动磁电监测节点的信号共同触发终端监测节点(1)，使其由待机唤醒为正常工作状态。

3.根据权利要求2所述的基于无线传感网络的目标入侵监测系统，其特征在于：所述的红外声音监测节点包括STM32主控板，以及均与STM32主控板相连的传感器模块、无线数据通信ZigBee模块、USB转串口通信模块以及电源管理模块。

4.根据权利要求3所述的基于无线传感网络的目标入侵监测系统，其特征在于：所述终端监测节点(1)的无线数据通信ZigBee模块用于与实际监控对象相连。

5.根据权利要求3或4所述的基于无线传感网络的目标入侵监测系统，其特征在于：所述的传感器模块包括红外传感器模块、声音传感器模块以及用于快速定位的电子罗盘模块与GPS定位模块。

6.根据权利要求2所述的基于无线传感网络的目标入侵监测系统，其特征在于：所述的震动磁电监测节点包括STM32主控板，以及均与STM32主控板相连的检测传感器、A/D转换模块、GPS定位模块、无线数据通信ZigBee模块、USB转串口模块、以及电源管理模块。

7.根据权利要求6所述的基于无线传感网络的目标入侵监测系统，其特征在于：所述的路由监测节点(2)的无线数据通信ZigBee模块用于实现扩展网络及路由消息的功能。

8.根据权利要求6或7所述的基于无线传感网络的目标入侵监测系统，其特征在于：所述的检测传感器包括震动传感器和隧道磁传感器模块。

9.根据权利要求8所述的基于无线传感网络的目标入侵监测系统，其特征在于：所述的隧道磁传感器模块与STM32主控板相连；震动传感器上连接有滤波放大电路，滤波放大电路的输出端分为两路，一路通过A/D转换模块与STM32主控板相连，另一路通过电压比较电路与STM32主控板相连。

10.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的目标入侵监测系统，其特征在于：所述的无线传感网络采用网状网络结构，且遵循能量最少原则进行数据传送。