基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的監獄安防系統設計

　　0引言

　　監獄對于其安防系統設計具有高安全性、穩定性和實(shí)時(shí)性的要求。目前，監獄系統中所采用的視頻監控系統、報警系統以及門(mén)禁系統等都是基于有線(xiàn)通信，這就使得一些不便于布線(xiàn)的區域成為了安防監測的盲區，另外，一成不變的監測區域也給犯罪分子以可乘之機。為預防服刑人員斗毆、自殘、自殺、越獄、襲警等違法犯罪活動(dòng)，及時(shí)準確地掌控和調閱監獄暴力現場(chǎng)、越獄行為等信息資料，構筑人防、物防、技防三位一體的安全防范體系，提出了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的監獄安防系統設計方案。采用無(wú)線(xiàn)代替有線(xiàn)可以帶來(lái)諸多好處，如，減小部署難度、降低維護成本和增加靈活性，尤其是在那些不能布線(xiàn)或者不便布線(xiàn)的區域。正如西門(mén)子樓宇技術(shù)組的首席技術(shù)專(zhuān)家Helmut Macht所說(shuō)："無(wú)線(xiàn)通信的創(chuàng )新使越來(lái)越多的有線(xiàn)通信將被取代"。然而，由于監獄內部環(huán)境的特殊性，在監獄內部采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)會(huì )面臨很多問(wèn)題。首先，采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)會(huì )面臨多徑傳輸干擾、傳輸沖突和障礙物反射等問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì )影響無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的可靠性和可擴展性，影響寬帶通信的數據吞吐量；其次，由于現有絕大多數監測系統都是基于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )來(lái)設計的，因此，其原有的高層應用和協(xié)議要在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上應用必須作相應的改進(jìn)；另外，無(wú)線(xiàn)技術(shù)要在監獄安防系統中廣泛應用，設備的成本問(wèn)題也是一個(gè)重要的因素，無(wú)線(xiàn)通信模塊必須適合監測系統的低成本要求。 本文所研究的基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的監獄安防系統設計，并不是一味地用無(wú)線(xiàn)代替有線(xiàn)，而是在現有監獄有線(xiàn)安防系統的基礎上，保留其原有的數據傳輸量較大的視頻、門(mén)限等有線(xiàn)監控手段，加入靜態(tài)溫度振動(dòng)敏感無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定位無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，從而更加完善安防系統，消除監測盲區，使各個(gè)子系統的功能相得益彰。

　　1 監獄安防系統無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一組傳感器以Ad Hoc方式組成的有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理傳感器網(wǎng)絡(luò )所覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并傳遞給觀(guān)察者。這種傳感器網(wǎng)絡(luò )集中了傳感器技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，能協(xié)作地感知、監測和采集各種環(huán)境下所感知對象的信息，通過(guò)對這些信息的協(xié)作式信息處理，獲得感知對象的準確信息，然后，通過(guò)Ad Hoc方式傳送到需要這些信息的用戶(hù)。用于傳感器網(wǎng)絡(luò )的傳感器與一般概念的傳感器不同，它除了能夠感測被測物理量的變化并輸出相應的變化信息外，還要具備遠程通信功能，必須是一種智能型的傳感器。另外，要完成通信功能，除具有敏感元件外，還必須具有電源、嵌入式微處理器、存儲器、數據傳輸通信部件等。圖1是典型的傳感器網(wǎng)絡(luò )結構圖，它包括傳感節點(diǎn)(sensor)，觀(guān)測節點(diǎn)(sink)和基站等。

　　在傳感器網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)通過(guò)飛機布撒、人工布置等方式，大量部署在感知對象內部或者附近。這些節點(diǎn)通過(guò)自組織方式構成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中特定的信息，可以實(shí)現對任意地點(diǎn)信息在任意時(shí)間的采集、處理和分析。這種以自組織形式構成的網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)多跳中繼方式將數據傳回sink節點(diǎn)(中轉節點(diǎn))，最后，借助sink鏈路將整個(gè)區域內的數據傳送到遠程控制中心進(jìn)行集中處理。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基本組成元素是節點(diǎn)，在不同的應用中，傳感器節點(diǎn)設計也各不相同，但它們的基本結構是一樣的。節點(diǎn)的典型硬件結構如圖2所示，主要包括如下幾個(gè)單元：傳感單元(由傳感器和模數轉換功能模塊組成)，處理單元(由嵌入式系統構成，包括微處理器、存儲器、信號調理電路等)、通信單元(由無(wú)線(xiàn)射頻模塊組成)，以及電源部分。此外，可以選擇的其他功能單元包括：定位系統、移動(dòng)系統以及電源自供電系統等。

　　2現場(chǎng)執行層設計方案

　　2.1 靜態(tài)監測系統設計方案

　　將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)布置在獄室、生產(chǎn)區、制高點(diǎn)、禁閉室、教學(xué)區、醫務(wù)室等，實(shí)現對于監獄的全面覆蓋。將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)引入監獄安防系統，主要是因為在監獄中傳感器節點(diǎn)非常多，布線(xiàn)工程非常大，并且，許多區域不適合采用有線(xiàn)連接，如果采用無(wú)線(xiàn)接入方式，則使傳感器的部署變得非常方便，可以方便地增加傳感器節點(diǎn)或改變節點(diǎn)的位置。通過(guò)周期性或不定期地改變監測傳感器節點(diǎn)的位置，可以消除現有有線(xiàn)監測系統在監測上的盲區，通過(guò)傳感器陣列對目標進(jìn)行定位。并且，由于監測節點(diǎn)的位置經(jīng)常變化，犯人無(wú)法找到監測漏洞，從而更加完善安防系統。

　　2.2動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監測系統設計方案

　　通過(guò)將節點(diǎn)佩戴在犯人身上，利用定位機制實(shí)時(shí)掌握犯人的活動(dòng)情況。但由于犯人數目較多，故只需傳輸兩類(lèi)數據：一是犯人的活動(dòng)范圍超過(guò)規定范圍時(shí)；二是節點(diǎn)由于受到外力作用或是能量耗盡而失效時(shí)，遠程中心必須檢測到缺失的節點(diǎn)。傳感器節點(diǎn)獲取的數據可以在本地進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，然后，進(jìn)行聚集并傳送到基站(PC機或PDA)，監獄的遠程服務(wù)器和監測系統對每位被監測犯人的指標進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，通過(guò)專(zhuān)家系統判斷犯人的實(shí)時(shí)狀況。如果發(fā)現犯人出現異?；蛭ｋU則進(jìn)行報警并快速做出措施。同時(shí)，本系統還可以提供其他輔助功能，如犯人的定位跟蹤。通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò )在對犯人必要的振動(dòng)、位置指標進(jìn)行實(shí)時(shí)監測的同時(shí)還允許犯人在一定范圍內自由活動(dòng)，這有助于讓患者保持良好的情緒，對于犯人的改造很有幫助。由于每個(gè)獄室都部署相應的傳感器，所以，獄警還可以全面掌握犯人的休息情況。當犯人在獄室或在獄室外活動(dòng)(要求病房外也要部署傳感器網(wǎng)絡(luò ))時(shí)，獄警仍然可以對其進(jìn)行定位、跟蹤，并及時(shí)獲取其振動(dòng)、位置指標參數。

　　將節點(diǎn)佩戴在獄警身上。利用節點(diǎn)上配置的振動(dòng)傳感器和定位系統，可以實(shí)時(shí)監控獄警的工作區域和保障其人身安全。一方面當發(fā)生突發(fā)情況時(shí)，如犯人襲警或犯人之間斗毆，監測系統和遠程服務(wù)中心迅速做出反應，通知警力迅速到達事發(fā)現場(chǎng)進(jìn)行支援；另一方面，通過(guò)對獄警的定位跟蹤，可以掌握獄警的工作情況，有利于提高工作效率。

　　3系統軟硬件設計方案

　　3.1 傳感器節點(diǎn)的設計

　　每個(gè)傳感器節點(diǎn)包括1只或多只傳感器元件，mote和電池組。傳感器主要探測振動(dòng)和溫度的數據，mote負責對這些數據進(jìn)行處理并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸到基站。

　　射頻采用nRF9E5，nRF9E5是由挪威Nordic公司推出的系統級RF芯片。其采用GFSK調制，抗干擾能力強；支持多點(diǎn)通信，數據傳輸速率高可達0.1 MB／s；具有特有的Shock Burst信號發(fā)射模式和發(fā)射信號載波監測功能，可有效地降低功耗電流、避免數據沖突。內部寄存器為用戶(hù)提供了基礎的通信協(xié)議，便于用戶(hù)擴展，因此，很適用于無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統的設計。nRF9E5的收發(fā)器有3種工作方式：Shock Burst接收(RX)方式、Shock Burst發(fā)送(TX)方式和空閑方式。nRF9E5收發(fā)器的工作方式由特殊功能寄存器TRX_CE和TX_EN決定。

　　數字振動(dòng)溫度傳感器DS181320是由Dallas公司開(kāi)發(fā)的微型化、低功耗的可編程單總線(xiàn)數字振動(dòng)溫度傳感器，可直接將測得的溫度值轉換為數字信號輸出。DS18B20的工作遵循嚴格的單總線(xiàn)協(xié)議，即先初始化，然后，發(fā)送ROM命令，最后，發(fā)送功能命令。初始化包括主機發(fā)出復位脈沖(通過(guò)將總線(xiàn)拉低至少480μs來(lái)實(shí)現)，主機等待DS18B20發(fā)回的存在脈沖。DS18B20則從檢測到復位脈沖的上升沿開(kāi)始等待15～16μs后，通過(guò)將單總線(xiàn)拉低60～240μs，實(shí)現存在脈沖的發(fā)送。DS18B20的讀寫(xiě)操作是通過(guò)讀寫(xiě)時(shí)序來(lái)實(shí)現的。因此，采用DS18B20能使電路簡(jiǎn)單化，提高節點(diǎn)集成度和振動(dòng)溫度測量精度。

　　3.2軟件設計

　　本系統是一點(diǎn)對多點(diǎn)通信模式，所以，將通信協(xié)議分為3層：第一層為物理層，由nRF9E5模塊硬件實(shí)現；第二層為網(wǎng)絡(luò )層；第三層為應用層。

　　網(wǎng)絡(luò )層采用TEEN(threshold sensitive energy efficientsensor network protocol)協(xié)議。該協(xié)議為響應型傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，只是在被觀(guān)測變量發(fā)生突變時(shí)才傳送數據。由于傳感器節點(diǎn)的能量有限，且不便補充，故使用該協(xié)議可有效地節約能量，延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )壽命。另外，在監獄安防系統中，只有當振動(dòng)和溫度數據產(chǎn)生突變時(shí)，才需要傳輸數據，而持續的以恒定速率發(fā)送監測數據給sink節點(diǎn)對于監獄安防系統來(lái)說(shuō)是不必要的。圖3、圖4分別為主機模塊軟件流程圖和節點(diǎn)模塊軟件流程圖。

　　在具體應用中，TEEN中定義了硬、軟2個(gè)門(mén)限值，以確定是否需要發(fā)送監測數據。硬門(mén)限的設置，當溫度以及振動(dòng)超過(guò)該值時(shí)，則節點(diǎn)發(fā)送監測數據到sink節點(diǎn)；軟門(mén)限的設置，當振動(dòng)以及溫度變化范圍超過(guò)該值時(shí)，則發(fā)送數據。

　　4仿真與結果分析

　　為了驗證算法的可行性和有效性，暫時(shí)不考慮風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、噪聲等因素對定位精度造成的影響，假設聲音在空氣中的傳播速度為340 m／s。

　　如圖5所示，假設3只傳感器節點(diǎn)分布在100 m×100m的區域。圖中，o代表目標實(shí)際位置，*代表傳感器節點(diǎn)位置，+號代表計算得到的目標位置。

　　通過(guò)靜態(tài)分布的傳感器陣列可以對目標進(jìn)行定位。經(jīng)過(guò)仿真驗證，利用目標定位系統計算出的目標位置與實(shí)際目標位置之間的誤差在可接收的范圍內。當發(fā)生突發(fā)情況時(shí)，按照計算結果，通過(guò)警力可以迅速、有效的采取措施。

　　在100m×100m的正方形仿真區域中，隨機均勻分布一定數量的節點(diǎn)，10，20，……，100，每個(gè)節點(diǎn)具有相同的通信距離10m，其中，有5個(gè)簇首節點(diǎn)。圖6所示是DV-Hop定位算法在隨機選取錨節點(diǎn)的情況下的定位誤差。仿真結果表明：隨著(zhù)傳感器節點(diǎn)數目的增加，定位所產(chǎn)生的誤差減小。因此，在實(shí)際應用中，可以在綜合考慮成本的基礎上，適當的增加動(dòng)態(tài)監測系統中傳感器節點(diǎn)的數量。

　　5 結束語(yǔ)

　　監獄安防系統的根本目的就是給管理帶來(lái)更高的可靠性，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展給監獄安防系統的集成帶來(lái)更寬闊的空間，不僅克服了安防系統集成過(guò)程中線(xiàn)纜限制引起的不便性，也使安防系統可以實(shí)現許多新的應用。本文所給出的無(wú)線(xiàn)傳感器組網(wǎng)方式，無(wú)線(xiàn)傳感器與控制網(wǎng)絡(luò )的集成框架能夠使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在監獄安防系統中得到有效應用。