CN107067606A - 基于物联网无线感应的智慧感知定位围栏系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于物联网无线感应的智慧感知定位围栏系统，每个防区段内均设置有2个以上的感应桩；每个感应桩上均设安装有至少1个物联网无线收发感应模块和1个物联网数据通信模块；每个感应桩上的所有物联网无线收发感应模块均与该感应桩上的物联网数据通信模块通信；每两个相邻感应桩上的物联网无线收发感应模块相互通信；每个防区段内设1个段控网关来与该防区段内的所有感应桩上的物联网数据通信模块相互通信；整个围栏区域内设有1个系统管理中心来与所有防区段的段控网关相互通信；本发明在无外供电的环境和无需附加传感检测手段下均可以正常使用，具备较好实际应用环境的普适性，可应用于不同地形条件和自然环境下的长距离安防项目。

Description

基于物联网无线感应的智慧感知定位围栏系统

技术领域

本发明涉及安防技术领域，具体涉及一种基于物联网无线感应的智慧感知定位围栏系统。

背景技术

围栏是需要进行区域防范或检测人员出入边界位置的装置，它广泛应用于人民生产和生活的各个领域，例如工厂、住宅小区的围墙等。围栏主要是由立柱和围栏网等基础构件组成。对于防护性要求较低的情况，这些基本的构件可以满足防护功能。而面对防护功能要求更高的场景，比如全天候自动检测围栏的各种不稳定因素状况。这种情况下围栏的组成，除了围栏的基本构件之外，按照功能需求往往要求添加一些特殊的感知或传感装置，比如红外、激光、微波对射，被动红外探测，雷达，振动检测及视频监控装置等主动或者被动探测装置，使得围栏具备入侵检测的防护功能，以便使得围栏存在非法闯入时能够及时告警。

在实现智慧防护功能的围栏装置中，如何解决围栏的自动检测各种非法侵入目标并对其定位，同时能够满足各种环境条件下(比如风雪、高温和山地)施工和监测，从而保证良好防护的功能成为其技术实现的关键问题。当前较为成熟的电子围栏产品和周界感知系统，在特定和理想的场景中可以发挥良好的检测作用。然而，在不具备外界供电条件，以及天气环境条件恶劣等应用场景下，这些电子围栏产品均无法有效发挥其应有作用。比如，在没有电力供应的地区，铺设现有的主动或者被动探测装置就会变得十分困难。而在围栏范围较大，地形复杂多变的场景(比如，国界线，大型牧场，自然保护区，海上界线等)，面对各种无法预知的环境条件变化，目前缺乏先进科学的防控管理手段，仍然是基于传统铁丝网和人工巡查。这对围栏定位系统提出了具备良好监测、定位、防护功能和智慧功能提出了更高的需求。而且还需要从工程实现的关联技术交叉的复杂度、成熟度以及运行安全、可控可靠、可管理性等方面考量市场的接纳度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有围栏难以在无外界供电及各种环境条件下自动检测各种非法侵入目标的问题，提供一种基于物联网无线感应的智慧感知定位围栏系统。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于物联网无线感应的智慧感知定位围栏系统，其整个围栏区域包括若干防区段；其不同之处还进一步包括感应桩、段控网关和系统管理中心；每个防区段内均设置有2个以上的感应桩；每个感应桩上均安装有至少1个物联网无线收发感应模块和1个物联网数据通信模块；每个感应桩上的所有物联网无线收发感应模块均与该感应桩上的物联网数据通信模块通信；每两个相邻感应桩上的物联网无线收发感应模块相互通信；感应桩通过感应周围电磁场的增衰情况来检测异常入侵信息，并形成告警信息上报至该防区段的段控网关；每个防区段内均设有1个段控网关，该段控网关与该防区段内的所有感应桩上的物联网数据通信模块相互通信；段控网关接收防区段内感应桩发送来的信息，并上报给系统管理中心；整个围栏区域内设有1个系统管理中心，该系统管理中心与所有防区段的段控网关相互通信；系统管理中心接收各个段控网关发来的信息，以实现整个系统所有信息的管理和控制。本系统无需市电或利用风力、太阳能等外界供电条件来保证系统正常可靠工作，且无需红外、激光、振动检测、雷达、移动侦测等其他附加各种传感检测手段。

为了能够对系统进行管理，本发明还进一步包括专用无线配置终端；每个防区段内均设有1个专用无线配置终端，该专用无线配置终端与该防区段内的所有感应桩的物联网数据通信模块以及段控网关相互通信；专用无线配置终端向该防区段内的各个感应桩和段控网关下发配置信息并检测工作状态，并智能引导记录巡逻人员是否到达某个感应桩，方便维护人员的围栏检测和维修装置。

本发明可以与有形围栏配合或自成独立隐形围栏。当与有形围栏配合时，围栏自带有围栏固定装置(即立柱)，此时感应桩的数量少于等于围栏立柱的数量，每个或每隔几个围栏固定装置上安装有1个感应桩，这样可以准确定位入侵位置。当自成独立隐形围栏时，感应桩即形成整个围栏的边界。

按防区大小任意扩展至N(N≥1)个防区段。整个围栏区域多点实时检测及上报告警信息。在本发明中，每个防区段内的感应桩的数量介于2-256之间。

物联网无线收发感应模块为蓝牙无线收发模块、Zigbee无线收发模块、WiFi无线收发模块、或其他无线超低功耗模块。

当每个感应桩上的物联网无线收发感应模块为1个时，该物联网无线收发感应模块位于感应桩的中部；当每个感应桩上的物联网无线收发感应模块为2个时，这2个物联网无线收发感应模块分别位于感应桩的上部和下部；当每个感应桩上的物联网无线收发感应模块为多个时，这些物联网无线收发感应模块均匀分布在感应桩上。

每2个相邻感应桩上的物联网无线收发感应模块采用ISM频段进行单频点或多频点通信，由此形成单/多扇区监测区域。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、系统具备入侵感知定位功能，能够与铁丝网围栏相结合快速部署，也可以脱离传统围栏自成系统单独部署，有效探测非法闯入，具有体积小、重量轻，极易安装的特点；

2、采用ISM频段超低功耗物联网技术，感应、传输及组网功能合一工作模式，感应桩单体功耗小于0.6毫瓦，具有微功耗的特点；

3、无需市电、风力发电、太阳能发电、蓄电池等外界供电，在无外供电的环境可以正常使用，具备较好实际应用环境的普适性，可应用于不同地形条件和自然环境下的长距离安防项目，如沙漠、丘陵、草原、平原、森林、河流和海岛等。

附图说明

图1是基于物联网无线感应的智慧感知定位围栏系统的原理图。

图2是感应桩射频信号收发方案图。

图3是模块间通信方式。

具体实施方式

本发明根据物联网无线技术中的射频信号存在物体遮挡、反射和散射情况下引起的电磁场变化，探测围栏感知区域物体非法入侵和穿越，实现技防、物防、人防综合安防控制系统。在非法入侵时候即时锁定位置，同时把围栏实时报警信息及时上传安防控制中心，以便安防控制中心迅速发现、精确定位、准确处置突发事件。

基于物联网无线感应的智慧感知定位围栏系统，如图1所示，包括常规围栏或另外设置的隐形及有形围栏，感应桩、段控网关、专用无线配置终端和系统管理中心。围栏上带有2个以上的固定装置；整个围栏被划分成若干防区段，每个防区段内包括若干个固定装置。每个防区段内均设置有2个以上的感应桩，这些感应桩安装在固定装置上；每个感应桩均包含1个及以上的ISM频段物联网无线收发感应模块和1个物联网数据通信模块；每个感应桩的所有物联网无线收发感应模块均与该感应桩的物联网数据通信模块通信；相邻的感应桩的物联网无线收发感应模块相互通信；感应桩通过感应周围电磁场的增衰情况来检测异常入侵信息，并形成告警信息上报至该防区段的段控网关。每个防区段内均设置有1个段控网关，该段控网关与该防区段内的所有感应桩的物联网数据通信模块相互通信；段控网关接收防区段内感应桩发送来的信息，并上报给系统管理中心。整个围栏内设有1个系统管理中心，该系统管理中心与所有防区段的段控网关相互通信；系统管理中心接收各个段控网关发来的信息，以实现整个系统所有信息的管理和控制。防区段内可通过专用无线配置终端管理，该专用无线配置终端与该防区段内的所有感应桩的物联网数据通信模块以及段控网关相互通信；专用无线配置终端向该防区段内的各个感应桩和段控网关下发附加配置信息及工作状态监测，并记录巡逻人员是否到达某个感应桩，方便维护人员的围栏检测和维修装置。

(1)感应桩

由于任何围栏都由众多的立柱或支架构成围栏固定及连接，可以在铁丝网围栏的固定装置上安装感应桩，因此感应桩沿着围栏的立柱安装，或独立架设感应桩安装支架。每个感应桩由安装在立柱或支架上的[1,2,…,N]个物联网无线收发感应模块和一个物联网数据通信模块组成。即

这里S表示智慧围栏定位系统，C(i)表示数据通信模块，G(i)表示第i个感应桩的物联网无线收发感应模块，I(n)表示第G(i)个物联网无线收发感应模块，K表示感应桩总数量。

在本发明中，与常规围栏配合时，感应桩的数量少于等于围栏立柱的数量，即按照定位精度及实际需要在围栏立柱或支架上安装感应桩。独立布设时，感应桩的数量与围栏支架的数量一致，即围栏支架上均安装有1个感应桩。物联网无线收发感应模块所采用的物联网无线收发感应模块可以采用蓝牙、Zigbee、WiFi等通用或自研无线超低功耗技术。在本发明优选实施例中，在配合铁丝网围栏应用场景下，每个感应桩包括2个ISM频段物联网无线收发感应模块，其中，1个物联网无线收发感应模块位于立柱的上部，1个物联网无线收发感应模块位于立柱的下部。相邻两个感应桩构成1个检测段，可级联也可交叉，其上的物联网收发模块以类似无线信道的形式发送和接收射频信号，如图2所示。在每两个感应桩之间，4个物联网无线收发感应模块相互发射和接收信号，即某个感应桩上的物联网无线收发感应模块R₁可以接收来自相邻的感应桩上的两个物联网无线收发感应模块T₁，T₂发射的信号：

R_i＝T₁±T₂

详细地，对于任何一个物联网无线收发感应模块是间歇发射信号，第一个感应桩发射信号，第二个感应桩接收信号，分析接收信号，如出现异常，然后通过物联网数据通信模块上报给段控网关。每个感应桩与段控网关的距离为0-6公里，可以根据实际情况调整。

当一个感应桩上存在2个以上的物联网无线收发感应模块，从而感应桩发射信号具备多频点多扇面的特性，感应桩相互之间发射接收多频点ISM信号。

根据物体进入布防电磁场区域产生影响的感知思想，物联网无线收发感应模块I(n)在围栏周界产生一个椭球形状电磁场入侵监测区域。当有物体进入该区域时会出现电磁场能量衰减，或者增强的现象。从而准确、灵敏定位围栏遭遇入侵等异常信息的检测、判断并形成告警信息，把该告警信息不断上报系统管理中心。在物联网无线收发感应模块的信号覆盖区域内，主要有物体遮挡了最小菲涅尔区的40％的时候，信号强度会出现明显变化，可以使用下面式子表示

这里Φ(T₁(x))表示遮挡函数，表示接收的信号发生了变化。

每个感应桩的工作状态和通信状态检测，比如微功耗数据链交互设备工作状态和心跳信息，定期通过一个物联网数据通信模块上报给段控网关，完成设备状态、心跳信息产生及上报。

对于本发明的感应桩无线感知检测模式，因具备环境条件自主学习、感知算法自适应动态调整、设备免人工配置、工作状态实时自巡检等特点，具备鲜明的智慧特性。可以准确实现、灵敏定位围栏周界遭遇入侵等异常信息的检测、判断，告警信息产生及上报。对传播环境变化自适应，检测灵敏度自适应，可以根据地形地物自学习形成信号传播模型纠正。可以自己形成出现非法入侵前后的信号检测模型。在面对复杂地形地物的情况，大大简化了工程施工难度和技术要求。

(2)段控网关

段控网关主要是接收感应桩发送来的设备状态、告警等各项信息，并上报给系统管理中心。一个段控网关负责接收若干个感应桩的信息管理，一个段控网关可以管理最多254个感应桩，即

这里M表示一个段控网关负责管理的感应桩数量值。

详细地，配合光纤、公众通信网等各种数据链接口条件，负责一个防区段的各检测段告警、设备状态、心跳信息集中处理，向系统管理中心实时上报异常位置信息和状态、心跳信息。

整个铁丝网围栏，划分成若干防区段，每段长度在1-3Km，每段包含一个巡更及现场调测多功能终端(Powerless Electronic Fence Gateway，PEFGW)，作为该段的汇聚节点及网关单元。每个检测段包含若干个由感应桩组成的ISM频段双频点双向多扇面探测对，感应桩之间的距离5-30m可按需调整，视地形条件调整间距。

每个防区段的段控网关分段管理，保证本段及其他多段多点告警信息实时上报，避免检测段需通过链状传输产生的传输及处理时延，也可以为后续增加功能及其他监控手段提供了升级预留接口，还可以为将来防区段现场免人工配置，由系统统一下发配置预留通道。系统按防区大小任意扩展至N(N≥1)个防区段。整个围栏区域多点实时检测及上报告警信息。

(3)系统管理中心

系统管理中心负责整个围栏感知定位系统所有信息的管理和控制，一般包括室内服务器。整个围栏定位系统是无线链状监测及MESH传输系统，为边防连队及其他用户提供了科学管边及防控的有效手段，可将发现的非法跨越边境及其他入侵行为拍照回传到系统管理中心。

(4)专用无线配置终端

专用无线配置终端是巡更及现场调测多功能终端，其目的是为了简化维护和施工现场调测。专用无线配置终端主要根据无线通信的原理向各个感应桩和段控网关下发附加配置信息及设备工作状态监测。同时，该终端可以智能引导维护人员到达某个感应桩，方便维护人员的围栏检测和维修装置。负责收集巡逻人员途经铁丝网围栏信息，现场设备状态分析并完成现场各检测段的简单调试工作。这里的专用无线配置终端是一种常规现场维护工具。核心是一个无线收发及处理终端，还可以配置及调整感应桩的各项参数。监测现场是否正常，感应桩的工作状态，比如电池的电量信息，参见图3。

本发明基于物联网无线技术(比如蓝牙、Zigbee、WiFi等通用或自研无线超低功耗技术的智慧感知定位围栏技术，采用物联网无线技术感知检测及组网传输合一的创新思想，能够实现在不同地形地物条件和自然环境下的特定区域内，对非法入侵进行定位、告警信息产生、上报及处置系统控制，如沙漠、丘陵、草原、平原、森林、河流和海岛等的边界定位和防控。也能够完成房屋周围预警和长距离链状条件下的石油气管线监控等涉及到边界围栏的定位功能。

Claims (7)

1.基于物联网无线感应的智慧感知定位围栏系统，其整个围栏区域包括若干防区段；其特征在于：还进一步包括感应桩、段控网关和系统管理中心；

每个防区段内均设置有2个以上的感应桩；每个感应桩上均安装有至少1个物联网无线收发感应模块和1个物联网数据通信模块；每个感应桩上的所有物联网无线收发感应模块均与该感应桩上的物联网数据通信模块通信；每两个相邻感应桩上的物联网无线收发感应模块相互通信；感应桩通过感应周围电磁场的增衰情况来检测异常入侵信息，并形成告警信息上报至该防区段的段控网关；

每个防区段内均设有1个段控网关，该段控网关与该防区段内的所有感应桩上的物联网数据通信模块相互通信；段控网关接收防区段内感应桩发送来的信息，并上报给系统管理中心；

整个围栏区域内设有1个系统管理中心，该系统管理中心与所有防区段的段控网关相互通信；系统管理中心接收各个段控网关发来的信息，以实现整个系统所有信息的管理和控制。

2.根据权利要求1所述基于物联网无线感应的智慧感知定位围栏系统，其特征在于：还进一步包括专用无线配置终端；

每个防区段内均设有1个专用无线配置终端，该专用无线配置终端与该防区段内的所有感应桩的物联网数据通信模块以及段控网关相互通信；专用无线配置终端向该防区段内的各个感应桩和段控网关下发配置信息并检测工作状态，并智能引导记录巡逻人员是否到达某个感应桩，方便维护人员的围栏检测和维修装置。

3.根据权利要求1或2所述基于物联网无线感应的智慧感知定位围栏系统，其特征在于：当围栏为有形围栏时，围栏自带有围栏固定装置，此时感应桩安装在围栏固定装置上。

4.根据权利要求1或2所述基于物联网无线感应的智慧感知定位围栏系统，其特征在于：每个防区段内的感应桩的数量介于2-256之间。

5.根据权利要求1或2所述基于物联网无线感应的智慧感知定位围栏系统，其特征在于：物联网无线收发感应模块为蓝牙无线收发模块、Zigbee无线收发模块或WiFi无线收发模块。

6.根据权利要求1或2所述基于物联网无线感应的智慧感知定位围栏系统，其特征在于：

当每个感应桩上的物联网无线收发感应模块为1个时，该物联网无线收发感应模块位于感应桩的中部；

当每个感应桩上的物联网无线收发感应模块为2个时，这2个物联网无线收发感应模块分别位于感应桩的上部和下部；

当每个感应桩上的物联网无线收发感应模块为多个时，这些物联网无线收发感应模块均匀分布在感应桩上。

7.根据权利要求1或2所述基于物联网无线感应的智慧感知定位围栏系统，其特征在于：每2个相邻感应桩上的物联网无线收发感应模块采用ISM频段进行单频点或多频点通信。