CN117542157A - 无人值守磁探测智能入侵预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人值守磁探测智能入侵预警系统，包括：依次连接的数据采集模块、数据预处理模块、云端服务器模块和终端显示模块；其中，所述数据采集模块用于采集磁场信息；所述数据预处理模块用于对所述磁场信息进行处理得到HTTP数据包；所述云端服务器模块用于基于所述HTTP数据包进行目标定位处理得到目标位置信息；所述终端显示模块用于基于所述目标位置信息进行入侵预警。本发明通过远程通信在终端界面自动显示报警信息和入侵信号的行动轨迹，实现远程监控以及无人值守化。
Description
技术领域
本发明涉及智能入侵预警技术领域，特别涉及一种无人值守磁探测智能入侵预警系统。
背景技术
传统的入侵预警往往采用人工值守的方式进行，但是随着数字信息化技术发展，近年来出现了多种入侵预警系统，例如：振动电缆/光纤，埋地泄漏电缆、张力式围栏，脉冲电子围栏、传统高压电网以及新兴的智能视频分析系统等，这些入侵预警系统基于各自技术特点都有广泛应用。
但上述现有入侵预警系统受制于自身技术条件或环境因素都存在明显不足，且含有共同的劣势，即所使用的探测设备均为外接设备，供电与数据通路分离增加了材料成本和施工成本，且外接设备的固定位置与所处空间需要特殊设计，并在放置好后不易调整与挪动。另外传统单一的入侵检测手段已不足以应对当下的挑战，急需一种可应对多种入侵方式的一体化安防系统。
因此需根据实际周界环境与布防情况进行联合调度才能提高入侵预警系统的柔性，而无人值守传感器系统(Unattended Sensor System,USS)是集成声音、振动、磁敏、红外、视频等传感器模块组成的自主探测设备，可根据不同的探测和部署需求进行个性化搭建，满足各类入侵检测需求，再通过设定的通信网络即可实现数据传输及处理。周界安防融入该种入侵检测方式以应对多方面的威胁能够极大地保障核心资产与人员安全，同时提高检测效率。
USS主要应用于目标监测、识别、定位以及跟踪等，呈现出数字化、网络化、一体化、智能化及高度融合等特点。当前设计研发的USS主要以声/振动、红外等传感器为探测节点，其中声/振动探测距离较远但虚警率高，而红外虽然能识别生物同样虚警率不低。目前还没有一种检测技术能单独准确实现入侵目标的识别与定位。因此，本发明提出一种无人值守磁探测智能入侵预警系统。
发明内容
针对现有技术中存在技术缺陷或改进需求，本发明的目的在于无人值守磁探测智能入侵预警系统。
本发明提供的一种无人值守磁探测智能入侵预警系统，包括：依次连接的数据采集模块、数据预处理模块、云端服务器模块和终端显示模块；
其中，所述数据采集模块用于采集磁场信息；
所述数据预处理模块用于对所述磁场信息进行处理得到HTTP数据包；
所述云端服务器模块用于基于所述HTTP数据包进行目标定位处理得到目标位置信息；
所述终端显示模块用于基于所述目标位置信息进行入侵预警。
可选地，所述数据采集模块包括磁传感器单元和数采电路单元；
其中，所述磁传感器单元用于构建磁电耦合磁传感器；
所述数采电路单元用于基于若干MCU对采集的所述磁场信息进行转换、传输。
可选地，所述磁电耦合磁传感器用于采集磁场模拟信号；其中，构建所述磁电耦合磁传感器的过程包括：
选取压电晶体和软磁合金；
基于单晶面内/面外串联方法对所述取压电晶体和所述软磁合金进行处理得到磁电复合结构；
基于多级放大策略对所述磁电复合结构匹配放大电路得到所述磁电耦合磁传感器。
可选地，每片所述MCU包括若干模数转换子单元和数据传输子单元；
其中，所述模数转换子单元用于基于AD717x系列芯片将所述磁场模拟信号转换为数字信号；
所述数据传输子单元用于基于串行数据通信接口将所述数字信号构成的TCP数据包传输至上位机。
可选地，所述数据预处理模块包括：通信连接单元、验证单元、数据提取单元、数据变换单元和远程通信单元；
其中，所述通信连接单元用于通过socket套接字通信方式将所述上位机分别与所述数采电路单元和所述云端服务器模块建立通信连接；
所述验证单元用于验证所述TCP数据包的格式正确性，得到正确TCP数据包；
所述数据提取单元用于提取所述正确TCP数据包的数字信号；
所述数据变换单元用于将所述数字信号转换成FFT能量值；
所述远程通信单元用于将所述能量值打包成HTTP数据包传输至所述云端服务器模块。
可选地，所述云端服务器模块包括：噪声阈值判断单元、异常场匹配单元和中心定位单元；
其中，所述噪声阈值判断单元用于基于判断所述FFT能量值与最低阈值的关系，得到高于最低阈值的传感器能量值；
所述异常场匹配单元用于基于所述高于最低阈值的传感器能量值得到报警传感器的位置信息；
所述中心定位单元用于基于所述报警传感器的位置信息得到目标点的位置信息。
可选地，所述所述报警传感器的数量小于等于四个。
可选地，所述中心定位单元包括算法子单元，所述算法子单元基于中心定位算法对所述报警传感器的位置信息进行计算得到目标点位置信息的公式包括：
式中，F1,F2,F3,F4表示四个报警传感器的能量值，(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)表示四个报警传感器的位置坐标，(x0,y0)表示目标点的位置坐标。
可选地，所述云端服务器模块还包括前端交互单元；所述前端交互单元用于基于HTTP协议将目标点的位置信息传输至前端。
可选地，所述终端显示模块包括：第一单元和第二单元；
其中，所述第一单元用于显示报警传感器的位置坐标；
所述第二单元用于显示目标点的位置坐标和行进轨迹。
本发明具有如下技术效果：
本发明提出的“无人值守磁探测智能入侵预警系统”可以在重要的敏感区域布局大范围的磁探测网络并融合多类型传感器辅助探测。通过静态布局高精度的磁场传感器和信号传输系统构建可长期监测的磁探测网络，对重要区域的车辆、地下(水下)入侵物、人员等活动进行实时监测，提高核心资产领域乃至国家关键区域的安全性。
本系统既可以降低使用成本又可以全天候工作，不受恶劣天气的影响，可以对异常入侵者开展24小时无人值守的监控。
本系统通过远程通信在终端界面自动显示报警信息和入侵信号的行动轨迹，实现远程监控以及无人值守化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中的技术方案图；
图2为本发明实施例中的数采电路与数采机箱图；
图3为本发明实施例中的云端服务器定位算法集成图；
图4为本发明实施例中的系统结构示意图；
图5为本发明实施例中的定位追踪图；
图6为本发明实施例中的磁传感器阵列图；
图7为本发明实施例中的逐点测试结果图；
图8为本发明实施例中的随机测试结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本实施例公开了一种无人值守磁探测智能入侵预警系统，具体包括以下步骤：
无人值守磁探测智能入侵预警系统基于磁传感器对磁异常信息的检测，采用软硬件结合、前后端分离的方式，对采集到的磁场信息进行AD(模拟-数字)转换、FFT(快速傅里叶)变换、阈值判断、异常场匹配以及目标定位算法，并借助远程通信方式，实现远程实时监控传感器布放地区中异常目标的定位和追踪。系统包括：数据采集模块、数据预处理模块、云端服务器模块和终端显示模块。
数据采集模块用于采集磁场信息，数据采集模块包括磁传感器单元和数采电路单元，具体实施过程包括(1)-(2)。
磁传感器单元用于构建磁电耦合磁传感器，具体包括以下内容：
(1)磁传感器节点研制
从设计1-1型磁电复合材料和低噪声前置放大电路出发，通过选择低损耗的压电晶体以及软磁合金，利用单晶面内/面外串联的磁电复合结构，同时匹配低功耗、低噪声的电荷放大电路，其中采用多级放大策略保证前置放大电路在通频带(0.01Hz—1Hz)的增益。实现综合性能优异的磁电耦合磁传感器的设计与制备，为本项目中弱磁探测网络的构建提供硬件基础。
数采电路单元用于基于若干MCU对采集的磁场信息进行转换、传输，具体过程包括：
(2)数据采集系统
MCU包括若干模数转换子单元和数据传输子单元；
其中，模数转换子单元用于基于AD717x系列芯片将磁场模拟信号转换为数字信号；
数据传输子单元用于基于串行数据通信接口将数字信号构成的TCP数据包传输至上位机。
如图2所示，数据采集模块集成多路MCU(微控制器Microcontroller Unit)控制电路，每片MCU搭载6片AD转换芯片实现多通道高精度数据采集转换，再经过串口转RS232(串行数据通信接口标准EIA-RS-232)发送至上位机。MCU基于Cortex-M(微处理器内核)系列内核，由RT-Thread(开源实时操作系统)系统多线程操作，发挥MCU最大性能。ADC(模数转换芯片)采用AD717x系列芯片，采样精度高达24位-32位。数采电路可根据传感器数量灵活设计。整体电路嵌入水密性封装机箱，可深埋于地下工作，杜绝潮湿等环境对电路影响。
数据预处理模块用于对磁场信息进行处理得到HTTP数据包，具体包括以下内容：
(3)数据预处理
数据预处理模块包括：通信连接单元、验证单元、数据提取单元、数据变换单元和远程通信单元；
其中，通信连接单元用于通过socket套接字通信方式将上位机分别与数采电路单元和云端服务器模块建立通信连接；
验证单元用于验证TCP数据包的格式正确性，得到正确TCP数据包；
数据提取单元用于提取正确TCP数据包的数字信号；
数据变换单元用于将数字信号转换成FFT能量值；
远程通信单元用于将能量值打包成HTTP数据包传输至云端服务器模块。
数据预处理采用C++语言在Linux操作系统(按照MINIX操作系统设计的现代操作系统)中实现，用于对传感器采集信号进行初步处理。基本流程如下：1)首先PC(电脑)机和数采电路、云端服务器双端通过socket套接字(不同主机上的应用进程之间进行双向通信的端点的抽象)通信方式建立连接，两端连接的物理方式分别是以太网网线和外网；2)成功建立连接后，PC机接收来自数采电路的TCP(传输控制协议Transmission ControlProtocol)数据包；3)查找数据包包头，并进行奇偶校验，确定数据包格式是否正确，倘若不正确则重新接收数据；4)正确则进行数据包解析，去掉包头，提取含有传感器采集的磁场信息的数字信号；5)数据提取完成后，对数据进行FFT变换，得到1—3Hz的能量值，用于后续判断传感器状态是否异常；6)将代表1—3Hz能量值的数据打包成HTTP(超文本传输协议Hypertext Transfer Protocol)数据包格式；7)通过外网建立远程通信将数据传送到云端服务器，进行下一步处理。
(4)目标定位追踪
云端服务器模块用于基于HTTP数据包进行目标定位处理得到目标位置信息，具体包括以下内容：
云端服务器模块包括：噪声阈值判断单元、异常场匹配单元和中心定位单元；
其中，噪声阈值判断单元用于基于判断FFT能量值与最低阈值的关系，得到高于最低阈值的传感器能量值；
异常场匹配单元用于基于高于最低阈值的传感器能量值得到报警传感器的位置信息；
中心定位单元用于基于报警传感器的位置信息得到目标点的位置信息。
如图3所示，云端服务器接收预处理完成的HTTP数据包，完成目标定位处理，并将目标位置信息发送到远程PC机，用于前端网页显示。云端服务器数据处理程序同样采用C++语言，并基于muduo库(多线程服务器开发库)进行编写。整体主要分为两个线程，一个线程用于接收经过预处理的多路传感器节点能量值并进行数据再处理，主要包括噪声阈值判断、异常场匹配算法以及中心定位算法；另一个线程用于采用HTTP协议与前端交互。
噪声阈值判断法，即首先对传感器布放区域中存在的固有噪声能量值进行取值，并设置为能量最低阈值，只有当通道FFT能量值高于该最低阈值时，才能说明传感器周围有异常信号出现，并能进行下一步异常场匹配算法处理。
异常场匹配算法采用排序的方式，对超过最低阈值的传感器能量值进行由大到小的顺序排列，并取出能量值最高的四个传感器，作为报警传感器，表示这四个传感器周围有目标经过。倘若超过能量最低阈值的能量值不足四个，则仅用超过最低阈值的传感器作为报警传感器，即每次报警传感器数量不大于四。
中心定位算法用于根据报警传感器的位置信息，进一步确定目标出现的位置信息。中心定位算法本质采用传感器能量值加权处理，假设四个报警传感器的能量值为F1,F2,F3,F4，位置坐标为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)，那目标位置点坐标(x0,y0)为：
云端服务器完成数据处理后，得到报警传感器信息和目标位置点坐标，并将上述信息借助远程通信采用Http数据包的格式发送到前端，用于后续网页显示定位。
终端显示模块用于基于目标位置信息进行入侵预警，具体包括以下内容：
(5)终端显示
终端显示模块包括：第一单元和第二单元；
其中，第一单元用于显示报警传感器的位置坐标；
第二单元用于显示目标点的位置坐标和行进轨迹。
终端目标轨迹显示流程可分为加载地图资源、请求后端数据、页面渲染等操作。其中请求后端数据最为关键。通过Ajax(异步JavaScript和XML Asynchronous JavascriptAnd XML)实现与Web(广域网World Wide Web)数据交互，在生命周期函数中定时调用Ajax请求，请求到云端服务器发送的数据后，弹框与文本框即可在页面中展开并分别显现报警传感器坐标与对应时间戳。同时在循环遍历接收数据后，即可通过相应代码在地图指定经纬度处标记报警传感器位置坐标与目标信号位置坐标。以上步骤即可完成一次页面渲染工作，实现一次页面显示。整体页面设计风格以简约为主，采用深蓝为主色基调。页面模块大致包括百度地图(页面背景)及其部分组件、弹框与文本框等(等份的div(分区或节division/section)块对应实际的传感器阵列)。
如图5所示，终端显示是监控人员能够远程监控处理前线突发情况的重要途径。将报警传感器位置坐标与目标信号行进轨迹呈现在网页页面中，以便监控人员直观了解到传感器阵列处的实时情况并做出相应处理。
但相比之下，基于磁传感器的磁异常探测具备低虚警率、可跨介质探测、受自然环境干扰小、隐蔽性好等优势。可将磁信号目标探测技术作为预警检测，以此为基础通过USS系统融合其他探测技术组建先进传感智能感知网进一步实现精准识别。
实施例二
本实施例公开了一种无人值守磁探测智能入侵预警系统，如图4所示为系统结构示意图。为验证本系统设计的可行性和精度，采用18路磁传感器进行实验。18路传感器分为3组，每组搭配6个传感器，传感器节点列间距为2m，行间距为4m。磁传感器阵列整体如图6所示。
系统搭建：1)建立传感器阵列、两台PC机以及云端服务器之间的通信连接。2)将18路传感器对应的两组线缆连接数采电路，并通过网线将数采电路与第一台PC通过以太网连接，在第一台PC机上完成数据预处理；3)第一台PC机通过外网与云端服务器建立远程通信，在云端服务器完成噪声阈值判断、异常场匹配算法以及中心点定位，得到报警传感器信息和目标位置点信息；4)云端服务器通过远程通信与前端建立连接，在终端界面显示异常信号等信息。实验流程如下：首先确立背景地磁场噪声，要求系统开始前进行空采，为后续实际测量确定偏置噪声；其次在当前环境中确立目标探测距离，本次实验中人员携带铁磁性物体被探测距离约为1—2m，无人装甲车5—6m；然后确立目标在传感器阵列中顺序行进，观测轨迹；接着目标在传感器阵列中随机行进，观测轨迹。
逐点测试中，人员手持铁磁性物体/无人装甲车沿阵列摆放顺序行进，轨迹示意图以及终端显示如图7所示。
随机测试中，人员手持铁磁性物体/无人装甲车在阵列探测范围中随机行进，轨迹示意图以及终端显示如图8所示。
通过测试可发现目标实际轨迹能够通过传感器阵列探测数据完整精确的反演出来并能实时呈现于终端界面。
本发明公开的一套集成目标探测、识别、定位以及跟踪的无人值守磁探测智能入侵预警系统，主要包括高灵敏度传感器、高精度数采系统及定位算法。系统通过远程通信在终端界面自动显示报警信息和入侵信号的行动轨迹，实现远程监控以及无人值守化。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种无人值守磁探测智能入侵预警系统，其特征在于，包括：依次连接的数据采集模块、数据预处理模块、云端服务器模块和终端显示模块；
其中，所述数据采集模块用于采集磁场信息；
所述数据预处理模块用于对所述磁场信息进行处理得到HTTP数据包；
所述云端服务器模块用于基于所述HTTP数据包进行目标定位处理得到目标位置信息；
所述终端显示模块用于基于所述目标位置信息进行入侵预警。
2.根据权利要求1所述的无人值守磁探测智能入侵预警系统，其特征在于，所述数据采集模块包括磁传感器单元和数采电路单元；
其中，所述磁传感器单元用于构建磁电耦合磁传感器；
所述数采电路单元用于基于若干MCU对采集的磁场信息进行转换、传输。
3.根据权利要求2所述的无人值守磁探测智能入侵预警系统，其特征在于，所述磁电耦合磁传感器用于采集磁场模拟信号；其中，构建所述磁电耦合磁传感器的过程包括：
选取压电晶体和软磁合金；
基于单晶面内/面外串联方法对所述取压电晶体和所述软磁合金进行处理得到磁电复合结构；
基于多级放大策略对所述磁电复合结构匹配放大电路得到所述磁电耦合磁传感器。
4.根据权利要求2所述的无人值守磁探测智能入侵预警系统，其特征在于，每片所述MCU包括若干模数转换子单元和数据传输子单元；
其中，所述模数转换子单元用于基于AD717x系列芯片将所述磁场模拟信号转换为数字信号；
所述数据传输子单元用于基于串行数据通信接口将所述数字信号构成的TCP数据包传输至上位机。
5.根据权利要求4所述的无人值守磁探测智能入侵预警系统，其特征在于，所述数据预处理模块包括：通信连接单元、验证单元、数据提取单元、数据变换单元和远程通信单元；
其中，所述通信连接单元用于通过socket套接字通信方式将所述上位机分别与所述数采电路单元和所述云端服务器模块建立通信连接；
所述验证单元用于验证所述TCP数据包的格式正确性，得到正确TCP数据包；
所述数据提取单元用于提取所述正确TCP数据包的数字信号；
所述数据变换单元用于将所述数字信号转换成FFT能量值；
所述远程通信单元用于将所述能量值打包成HTTP数据包传输至所述云端服务器模块。
6.根据权利要求5所述的无人值守磁探测智能入侵预警系统，其特征在于，所述云端服务器模块包括：噪声阈值判断单元、异常场匹配单元和中心定位单元；
其中，所述噪声阈值判断单元用于基于判断所述FFT能量值与最低阈值的关系，得到高于最低阈值的传感器能量值；
所述异常场匹配单元用于基于所述高于最低阈值的传感器能量值得到报警传感器的位置信息；
所述中心定位单元用于基于所述报警传感器的位置信息得到目标点的位置信息。
7.根据权利要求6所述的无人值守磁探测智能入侵预警系统，其特征在于，所述所述报警传感器的数量小于等于四个。
8.根据权利要求7所述的无人值守磁探测智能入侵预警系统，其特征在于，所述中心定位单元包括算法子单元，所述算法子单元基于中心定位算法对所述报警传感器的位置信息进行计算得到目标点位置信息的公式包括：
式中，F1,F2,F3,F4表示四个报警传感器的能量值，(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)表示四个报警传感器的位置坐标，(x0,y0)表示目标点的位置坐标。
9.根据权利要求6所述的无人值守磁探测智能入侵预警系统，其特征在于，所述云端服务器模块还包括前端交互单元；所述前端交互单元用于基于HTTP协议将目标点的位置信息传输至前端。
10.根据权利要求1所述的无人值守磁探测智能入侵预警系统，其特征在于，所述终端显示模块包括：第一单元和第二单元；
其中，所述第一单元用于显示报警传感器的位置坐标；
所述第二单元用于显示目标点的位置坐标和行进轨迹。
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