CN108428315A - 电子哨兵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电子哨兵系统，其包括多个传感器组、客户端和多部基站；传感器组包括：壳体、地震动传感器、磁传感器、第一红外传感器、声传感器、定位模块、无线通信模块和控制器，地震动传感器和声传感器用于远距离感知目标，磁传感器和第一红外传感器用于近距离感知目标，定位模块用于对传感器组进行定位，控制器用于根据四种传感器产生的信号对经过待测区域的目标进行关联验证以生成告警信息，还与定位模块连接，告警信息包括目标的类型、数量和传感器组的位置信息；基站与传感器组的无线通信模块连接；客户端与基站连接。本发明通过上述技术方案实现了目标的感知、分类、测距、定位，并对传感器产生的信号进行多重关联验证，减少了虚警率。
Description
技术领域
本发明属于监控技术领域，尤其涉及一种电子哨兵系统。
背景技术
我国陆地边境线长达2万余公里，且环境、气候、地形地貌复杂，个别区域本地边民的日常活动与走私贩毒、违法越境等活动交织。为了更好地维护国境线安全，需对国境线进行警戒、值勤、设伏。
现有技术中，我国边防部队对国境线进行警戒值勤设伏的基础监控装备以长距离摄像机、望远镜为主。近年来，在一些敏感区域(如中印边境)的国境线重点地区安装了视频监控系统，虽然视频监控系统具备快速、直观、可存储查询的优点，但也存在遮挡，易受雨、雪、雾等天气影响的不足的问题，尤其是对摄像机信号的传输组网、设备供电等基础设施有着很高的要求，存在投入大、施工难度高、维护困难的问题，难以广泛使用。
在一些重点区域(如中朝、中缅、中俄边境)的国境线局部，近年来还安装了光纤振动报警系统，光纤振动报警系统具备灵敏度高、警戒距离远、可靠性高、对基础设施要求低、维护简单等优点，但也存在报警信息单一、报警信息甄别困难的问题，导致系统的可用性较低。
边防部队也曾配发由我国中科院上海院牵头研制的同类UGS(Untended GroundSensor，无人管理的地面传感器)系统，但该系统因存在使用复杂、可靠性差等种种问题而导致使用率不高。
发明内容
为了至少解决现有技术中存在可用性低的问题，本发明实施例提供了一种电子哨兵系统，其包括：多个传感器组、客户端和多部基站；所述传感器组包括：壳体、地震动传感器、磁传感器、第一红外传感器、声传感器、定位模块、无线通信模块和控制器，所述壳体用于提供支撑，所述地震动传感器和声传感器用于远距离感知目标，所述磁传感器和第一红外传感器用于近距离感知目标，所述定位模块用于对所述传感器组的位置进行定位，所述控制器与所述地震动传感器、声传感器、第一红外传感器和磁传感器连接，用于根据四种传感器产生的信号对经过待测区域的目标进行关联验证以生成告警信息，还与定位模块连接，所述告警信息包括目标的类型、数量和所述传感器组的位置信息；所述基站与所述传感器组的无线通信模块连接，用于转发所述告警信息；所述客户端与所述基站连接，用于接收、查看、存储所述告警信息。
在如上所述的电子哨兵系统中，优选地，所述控制器采用到达时间差定位技术对目标进行定位以获得目标的位置信息。
在如上所述的电子哨兵系统中，优选地，所述控制器依次接收到所述地震动传感器、声传感器和第一红外传感器发送来的信号后，判断目标为人员；所述控制器依次接收到所述地震动传感器、声传感器、第一红外传感器和磁传感器发送来的信号后，判断目标为车辆。
在如上所述的电子哨兵系统中，优选地，多个所述传感器组之间、所述传感器组与所述基站之间通过Zigbee Mesh技术无线连接；多部所述基站之间通过WLAN Mesh技术无线连接。
在如上所述的电子哨兵系统中，优选地，所述基站上安装有红外热成像摄像仪，用于在所述告警信息的触发下跟踪发出所述告警信息的传感器组，并对此传感器组附近区域进行拍摄或录像以将生成的传感器组现场图像发送至所述客户端。
在如上所述的电子哨兵系统中，优选地，所述基站上安装有第二红外传感器，用于在探测到目标后触发所述红外热成像摄像仪对此基站附近区域进行拍摄或录像以将生成的基站现场图像发送至所述客户端。
在如上所述的电子哨兵系统中，优选地，所述基站与所述传感器组以星型拓扑结构无线组网；所述基站间以簇型或网型拓扑结构无线组网。
在如上所述的电子哨兵系统中，优选地，所述传感器组的工作状态有两种：低功耗休眠状态和唤醒状态，所述传感器组在所述地震动传感器生成的信号触发下由低功耗休眠状态下切换至唤醒状态；所述基站的工作状态有两种：休眠状态和唤醒状态，所述基站在所述传感器组的告警信息触发下由休眠状态切换至唤醒状态。
在如上所述的电子哨兵系统中，优选地，所述传感器组之间在低功耗休眠状态下的通信周期比唤醒状态下加长；所述基站在休眠状态下的通信周期比唤醒状态下加长。
综上所述，本发明带来的有益效果如下：
通过在待探测区域布置多个具有多种传感器的传感器组，实现对目标的感知、分类、测距、定位，并对传感器产生的信号进行多重关联验证，减少了虚警率，采用能耗优化管理技术，延长了传感器组的续航时间。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种电子哨兵系统的网络(自组网网络)架构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种电子哨兵系统的网络(公网组网网络)架构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种电子哨兵系统的现场部署示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基站间组网网络架构示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种基站间组网网络架构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种传感器组的结构示意图图；
其中，图中符号说明如下：
1传感器组、11地震动传感器、12磁传感器、13第一红外传感器、14声传感器、15定位模块、16无线通信模块、17控制器、2基站、3客户端、4电信运营商网络。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1～图2所示，本发明实施例提供了一种电子哨兵系统，其包括：多个传感器组1、多部基站21、客户端3。
传感器组1布置于待探测区域，用于探测识别经过待探测区域的目标的位置、类别和数量，并以此生成告警信息，目标为地面目标。参见图6，传感器组1包括壳体10、地震动传感器11、磁传感器12、第一红外传感器13、声传感器14、定位模块15、无线通信模块16和控制器17。
壳体10用于提供支撑。地震动传感器11与声传感器14用于远距离(相对于磁传感器与第一红外传感器的感知距离)感知目标。磁传感器12与第一红外传感器13用于近距离(相对于地震动传感器与声传感器的感知距离)感知目标。具体地，地震动传感器11与声传感器14会探测到由目标所引起的震动与声信号，控制器17通过将其与存储的声、震特征库比对，实现对目标的分类、计数。地震动传感器11为无源的地震动传感器11。磁传感器12形成有一个静磁场。当铁磁金属制成的物体进入该静磁场时，会干扰该静磁场使其发生变化，磁传感器12据此会产生信号，控制器17通过对该信号的处理实现对目标的分类，如区别人员和车辆。第一红外传感器13能感应目标辐射的红外线。当目标发出热辐射使第一红外传感器13的工作区域的温度发生变化时，第一红外传感器13据此会产生信号，控制器17通过对该信号进行处理实现对目标的分类，如人员和车辆。可以根据地震动传感器11的信号识别目标的数量。
定位模块用于对传感器组1进行定位，并生成传感器组1的定位信息，其可以为GPS(Global Positioning System，全球定位系统)定位模块，还可以为北斗定位模块，本实施例对此不进行限定。
控制器17用于对四种传感器：地震动传感器11、磁传感器12、第一红外传感器13和声传感器14生成的信号进行关联验证，从而可以避免单一传感器的误报，(如环境中的风声、鸟鸣)，减少虚警率。当目标如人员通过探测区域时，由远及近会触发地震动传感器11及声传感器14和红外传感器，则控制器17在收到这三种传感器的信号后，才确认目标为人员。当目标是车辆时，除触发前述三种传感器外，还会触发磁传感器12，则控制器17在收到这四种传感器的信号后，才确认目标为车辆。
为了提高传感器组1的感知效率，减少传感器组的部署数量，控制器17根据1个传感器组1中的至少4个声传感器14或4个传感器组1中的地震动传感器11的产生的信号对目标进行定位，如此可以知道目标的方向和距离，即知道目标的位置信息，采用的定位技术为TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)无源定位技术，其具有算法简单、不要求目标和节点始终精确同步等优点。
基站2与传感器组1的无线通信模块16通过无线连接，用于接收传感器组1发送的告警信息，告警信息包括传感器组的位置信息、目标类型、数量和目标的位置信息。基站2的数量为多部，多部基站2之间无线连接，如此扩大电子哨兵系统的使用人员的监控区域。参见图1，基站2之间的无线连接可以通过本地独立无线组网；参见图2，也可以通过运营商的公网(如电信运营商网络4)实现广域组网的能力。具体地，基站2可以通过移动通信网络(如3G、4G无线网络)以VPN(Virtual Private Network，虚拟专用网络)的方式接入电信运营商网络4(或称公网传输网络)。基站2可以是固定式基站，即基站作为基础设施永久部署；也可以是便携式基站，即基站在临时布防或设伏时使用，以满足突发性、临时性、移动性的边防警戒的属性。便携式基站可以采用移动电源供电箱，优选，采用的电池组续航时间不少于24小时。
客户端3用于接收、查看、存储告警信息，其可以与多个基站2中的一个基站连接，从而实现与多个基站中的其余基站连接。与基站2连接时可以以有线或无线的方式连接，还可以通过运营商的公网(如电信运行商网络)连接。客户端可以为装载有监控软件的笔记本、平板电脑、手机。需要说明的是，对四种传感器：地震动传感器11、磁传感器12、第一红外传感器13和声传感器14生成的信号进行的关联验证以及对目标进行的定位可由客户端装载的软件完成，此时不需控制器17来完成，如此可以减少传感器组1的设计成本。
本发明实施例通过在待探测区域布置多个具有多种传感器的传感器组1，实现对目标的感知、分类、测距、定位，并对传感器产生的信号进行多重关联验证，减少了虚警率。
下面对电子哨兵系统在现场的部署要求进行举例说明。
参见图3，5个传感器组1部署在前端需探测区域(如道路两侧)，两部基站2中的一部基站部署于探测区域中的关键位置(如图3中的桥梁侧)，另一部基站2部署于使用人员(如边防部队、值勤人员)易隐蔽的位置。使用人员持有的客户端3与该另一部基站2连接。
在探测区域可能会有动物，如牛经过，其会触发多种传感器，但此时产生的告警信息为虚警信息，并不是使用人员想要的告警信息，为了避免使用人员的误判，基站2安装有红外热成像摄像仪，其用于跟踪发出告警信息的传感器组，即由传感器组的告警信息触发其工作，并朝传感器组方向进行拍摄或录像，生成传感器组现场图像以发送给客户端3。使用人员结合传感器组现场图像能直观地了解传感器组1现场的状况，即区分目标是不是牛，从而可以结合告警信息和传感器组现场图像对告警信息做出准确地判断，实现传感器组和红外热成像摄像仪的关联验证。
为了对基站2附近区域进行探测，在基站2上还安装有第二红外传感器，其在探测到目标后，触发红外热成像摄像仪对目标进行拍摄或录像，生成基站现场图像，供使用人员直观地连接基站现场的状况。
基站2与传感器组1、基站2间可以以星型、簇型或网型拓扑结构无线组网，客户端3连接多部基站2中的任意一部基站即可。星型拓扑结构可以均衡负载，减少部署于前端的传感器组1之间的相互影响，简化部署于前端的传感器组1与基站2之间通信协议的复杂程度。参见图4～5，簇型或网型拓扑结构利于延伸基站2的覆盖距离，提高基站2间通信网络的容错能力。优选地，多部基站2以网型拓扑结构无线组网，网络中任一部基站2、任一链路的故障不会影响整个系统的工作，如此可提高系统组网的鲁棒性，能够适应丛林、山地等复杂的地形。
传感器组1之间的通信方式和通信内容与传感器组1与基站2之间的通信方式和通信内容(即告警信息)相同，如此使得传感器组1本身兼具中继转发的功能，可以减少部署基站2的数量、扩大覆盖的范围。传感器组1之间、传感器组1与基站2之间无线连接使用的是Zigbee Mesh通信方式，各部基站2之间无线连接使用的是WLAN Mesh通信方式，如此使得传感器组1之间、传感器组1与基站2之间、基站2之间具备免配置、自动发现、无线自组网功能，以确保系统的使用便捷与网络可靠性。
为了延长传感器组1的续航时间，电子哨兵系统采用了能耗优化管理技术，其包括：
1、告警唤醒休眠机制：
传感器组1的工作状态有两种：低功耗休眠状态和唤醒状态，在低功耗休眠状态下，传感器组1的地震动传感器11一直处于工作状态即不中断状态，声传感器14、第一红外传感器13和磁传感器12处于非工作状态，如未给声传感器14、第一红外传感器13和磁传感器12供电，即切断电源与声传感器14、第一红外传感器13和磁传感器12之间的连接。在低功耗休眠状态下传感器组1之间的通信周期相对于唤醒状态状态下的通信周期加长，如休眠时(低功耗休眠状态下)通信周期为10min，唤醒后(即唤醒状态下)通信周期为3s。在低功耗休眠状态下，定位模块15不启动，不对传感器组1进行定位，在唤醒状态下，定位模块15启动，对传感器组进行定位。传感器组1工作状态的切换由地震动传感器11产生的信号触发，通常先工作在低功耗休眠状态下，触发后，工作在唤醒状态下。具体地，处于工作中的地震动传感器11，当检测到由目标所引起的信号后，唤醒声传感器14、控制器17、第一红外传感器13和磁传感器12，无线通信模块16、定位模块15。
基站的工作状态有两种：休眠状态(即平时工作状态)和唤醒状态，休眠状态是指基站2工作在Zigbee运行、WLAN休眠状态；唤醒状态是指基站2工作在Zigbee、WLAN同时运行状态。基站工作状态的切换由告警信息触发，当基站2接收到告警信息后，将工作状态由平时工作状态切换到唤醒状态，换言之，低功耗通信唤醒高功耗通信机制。进一步地，基站2之间在平时工作状态下的通信周期相对于唤醒状态下加上，如平时工作状态时通信周期为10min，唤醒后(即唤醒状态下)通信周期为3s。
客户端的工作状态有两种：屏保状态和显示状态，在屏保状态下，客户端不接收告警信息；在显示状态下，客户端接收告警信息。
2逐级唤醒机制：
地震动传感器11唤醒声传感器14、控制器17和第一红外传感器13和磁传感器12；进而唤醒无线通信模块16、定位模块15；进而唤醒基站2及客户端上装载的软件。
综上所述，本发明带来的有益效果如下：
通过在待探测区域布置多个具有多种传感器的传感器组，实现对目标的感知、分类、测距、定位，并对传感器产生的信号进行多重关联验证，减少了虚警率，采用能耗优化管理技术，延长了传感器组的续航时间。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (9)
1.一种电子哨兵系统，其特征在于，所述电子哨兵系统包括：多个传感器组、客户端和多部基站；
所述传感器组包括：壳体、地震动传感器、磁传感器、第一红外传感器、声传感器、定位模块、无线通信模块和控制器，所述壳体用于提供支撑，所述地震动传感器和声传感器用于远距离感知目标，所述磁传感器和第一红外传感器用于近距离感知目标，所述定位模块用于对所述传感器组的位置进行定位，所述控制器与所述地震动传感器、声传感器、第一红外传感器和磁传感器连接，用于根据四种传感器产生的信号对经过待测区域的目标进行关联验证以生成告警信息，还与定位模块连接，所述告警信息包括目标的类型、数量和所述传感器组的位置信息；
所述基站与所述传感器组的无线通信模块连接，用于转发所述告警信息；
所述客户端与所述基站连接，用于接收、查看、存储所述告警信息。
2.根据权利要求1所述的电子哨兵系统，其特征在于，所述控制器采用到达时间差定位技术对目标进行定位以获得目标的位置信息。
3.根据权利要求4所述的电子哨兵系统，其特征在于，所述控制器依次接收到所述地震动传感器、声传感器和第一红外传感器发送来的信号后，判断目标为人员；
所述控制器依次接收到所述地震动传感器、声传感器、第一红外传感器和磁传感器发送来的信号后，判断目标为车辆。
4.根据权利要求1所述的电子哨兵系统，其特征在于，多个所述传感器组之间、所述传感器组与所述基站之间通过Zigbee Mesh技术无线连接；
多部所述基站之间通过WLAN Mesh技术无线连接。
5.根据权利要求1所述的电子哨兵系统，其特征在于，所述基站上安装有红外热成像摄像仪，用于在所述告警信息的触发下跟踪发出所述告警信息的传感器组，并对此传感器组附近区域进行拍摄或录像以将生成的传感器组现场图像发送至所述客户端。
6.根据权利要求5所述的电子哨兵系统，其特征在于，所述基站上安装有第二红外传感器，用于在探测到目标后触发所述红外热成像摄像仪对此基站附近区域进行拍摄或录像以将生成的基站现场图像发送至所述客户端。
7.根据权利要求1所述的电子哨兵系统，其特征在于，所述基站与所述传感器组以星型拓扑结构无线组网；所述基站间以簇型或网型拓扑结构无线组网。
8.根据权利要求1所述的电子哨兵系统，其特征在于，所述传感器组的工作状态有两种：低功耗休眠状态和唤醒状态，所述传感器组在所述地震动传感器生成的信号触发下由低功耗休眠状态下切换至唤醒状态；
所述基站的工作状态有两种：休眠状态和唤醒状态，所述基站在所述传感器组的告警信息触发下由休眠状态切换至唤醒状态。
9.根据权利要求8所述的电子哨兵系统，其特征在于，所述传感器组之间在低功耗休眠状态下的通信周期比唤醒状态下加长；
所述基站在休眠状态下的通信周期比唤醒状态下加长。
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