基于无线传感器网络的监狱安防系统设计

    引言

    监狱对于其安防系统设计具有高安全性、稳定性和实时性的要求。目前，监狱系统中所采用的视频监控系统、报警系统以及门禁系统等都是基于有线通信，这就使得一些不便于布线的区域成为了安防监测的盲区，另外，一成不变的监测区域也给犯罪分子以可乘之机。为预防服刑人员斗殴、自残、自杀、越狱、**等违法犯罪活动，及时准确地掌控和调阅监狱暴力现场、越狱行为等信息资料，构筑人防、物防、技防三位一体的安全防范体系，提出了一种基于无线传感器网络的监狱安防系统设计方案。采用无线代替有线可以带来诸多好处，如，减小部署难度、降低维护成本和增加灵活性，尤其是在那些不能布线或者不便布线的区域。正如西门子楼宇技术组的首席技术专家HelmutMacht所说：”无线通信的创新使越来越多的有线通信将被取代”。然而，由于监狱内部环境的特殊性，在监狱内部采用无线技术会面临很多问题。首先，采用无线技术会面临多径传输干扰、传输冲突和障碍物反射等问题，这些问题会影响无线网络的可靠性和可扩展性，影响宽带通信的数据吞吐量；其次，由于现有绝大多数监测系统都是基于有线网络来设计的，因此，其原有的高层应用和协议要在无线网络上应用必须作相应的改进；另外，无线技术要在监狱安防系统中广泛应用，设备的成本问题也是一个重要的因素，无线通信模块必须适合监测系统的低成本要求。本文所研究的基于无线传感器网络的监狱安防系统设计，并不是一味地用无线代替有线，而是在现有监狱有线安防系统的基础上，保留其原有的数据传输量较大的视频、门限等有线监控手段，加入静态温度振动敏感无线传感器网络和动态实时定位无线传感器网络，从而更加完善安防系统，消除监测盲区，使各个子系统的功能相得益彰。

    1、监狱安防系统无线网络技术

    无线传感器网络是一组传感器以AdHoc方式组成的有线或者无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理传感器网络所覆盖的地理区域中感知对象的信息，并传递给观察者。这种传感器网络集中了传感器技术、嵌入式计算机技术和无线通信技术，能协作地感知、监测和采集各种环境下所感知对象的信息，通过对这些信息的协作式信息处理，获得感知对象的准确信息，然后，通过AdHoc方式传送到需要这些信息的用户。用于传感器网络的传感器与一般概念的传感器不同，它除了能够感测被测物理量的变化并输出相应的变化信息外，还要具备远程通信功能，必须是一种智能型的传感器。另外，要完成通信功能，除具有敏感元件外，还必须具有电源、嵌入式微处理器、存储器、数据传输通信部件等。图1是典型的传感器网络结构图，它包括传感节点(sensor)，观测节点(sink)和基站等。

    在传感器网络中，节点通过飞机布撒、人工布置等方式，大量部署在感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。这种以自组织形式构成的网络，通过多跳中继方式将数据传回sink节点(中转节点)，最后，借助sink链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理。

    无线传感器网络的基本组成元素是节点，在不同的应用中，传感器节点设计也各不相同，但它们的基本结构是一样的。节点的典型硬件结构如图2所示，主要包括如下几个单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)，处理单元(由嵌入式系统构成，包括微处理器、存储器、信号调理电路等)、通信单元(由无线射频模块组成)，以及电源部分。此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。

    2.1静态监测系统设计方案

    将无线传感器网络节点布置在狱室、生产区、制高点、禁闭室、教学区、医务室等，实现对于监狱的全面覆盖。将无线传感器网络技术引入监狱安防系统，主要是因为在监狱中传感器节点非常多，布线工程非常大，并且，许多区域不适合采用有线连接，如果采用无线接入方式，则使传感器的部署变得非常方便，可以方便地增加传感器节点或改变节点的位置。通过周期性或不定期地改变监测传感器节点的位置，可以消除现有有线监测系统在监测上的盲区，通过传感器阵列对目标进行定位。并且，由于监测节点的位置经常变化，犯人无法找到监测漏洞，从而更加完善安防系统。

    2.2动态实时监测系统设计方案

    通过将节点佩戴在犯人身上，利用定位机制实时掌握犯人的活动情况。但由于犯人数目较多，故只需传输两类数据：一是犯人的活动范围超过规定范围时；二是节点由于受到外力作用或是能量耗尽而失效时，远程中心必须检测到缺失的节点。传感器节点获取的数据可以在本地进行简单处理，然后，进行聚集并传送到基站(PC机或PDA)，监狱的远程服务器和监测系统对每位被监测犯人的指标进行实时分析，通过专家系统判断犯人的实时状况。如果发现犯人出现异常或危险则进行报警并快速做出措施。同时，本系统还可以提供其他辅助功能，如犯人的定位跟踪。通过传感器网络在对犯人必要的振动、位置指标进行实时监测的同时还允许犯人在一定范围内自由活动，这有助于让患者保持良好的情绪，对于犯人的改造很有帮助。由于每个狱室都部署相应的传感器，所以，狱警还可以全面掌握犯人的休息情况。当犯人在狱室或在狱室外活动(要求病房外也要部署传感器网络)时，狱警仍然可以对其进行定位、跟踪，并及时获取其振动、位置指标参数。

    将节点佩戴在狱警身上。利用节点上配置的振动传感器和定位系统，可以实时监控狱警的工作区域和保障其人身安全。一方面当发生突**况时，如犯人**或犯人之间斗殴，监测系统和远程服务中心迅速做出反应，通知警力迅速到达事发现场进行支援；另一方面，通过对狱警的定位跟踪，可以掌握狱警的工作情况，有利于提高工作效率。

    3、系统软硬件设计方案

    3.1传感器节点的设计

    每个传感器节点包括1只或多只传感器元件，mote和电池组。传感器主要探测振动和温度的数据，mote负责对这些数据进行处理并通过网络传输到基站。

    射频采用nRF9E5，nRF9E5是由挪威Nordic公司推出的系统级RF芯片。其采用GFSK调制，抗干扰能力强；支持多点通信，数据传输速率高可达0.1MB／s；具有特有的ShockBurst信号发射模式和发射信号载波监测功能，可有效地降低功耗电流、避免数据冲突。内部寄存器为用户提供了基础的通信协议，便于用户扩展，因此，很适用于无线数据传输系统的设计。nRF9E5的收发器有3种工作方式：ShockBurst接收(RX)方式、ShockBurst发送(TX)方式和空闲方式。nRF9E5收发器的工作方式由特殊功能寄存器TRX_CE和TX_EN决定。

    数字振动温度传感器DS181320是由Dallas公司开发的微型化、低功耗的可编程单总线数字振动温度传感器，可直接将测得的温度值转换为数字信号输出。DS18B20的工作遵循严格的单总线协议，即先初始化，然后，发送ROM命令，最后，发送功能命令。初始化包括主机发出复位脉冲(通过将总线拉低至少480μs来实现)，主机等待DS18B20发回的存在脉冲。DS18B20则从检测到复位脉冲的上升沿开始等待15～16μs后，通过将单总线拉低60～240μs，实现存在脉冲的发送。DS18B20的读写操作是通过读写时序来实现的。因此，采用DS18B20能使电路简单化，提高节点集成度和振动温度测量精度。

    3.2软件设计

    本系统是一点对多点通信模式，所以，将通信协议分为3层：第一层为物理层，由nRF9E5模块硬件实现；第二层为网络层；第三层为应用层。

    网络层采用TEEN(thresholdsensitiveenergyefficientsensornetworkprotocol)协议。该协议为响应型传感器网络协议，只是在被观测变量发生突变时才传送数据。由于传感器节点的能量有限，且不便补充，故使用该协议可有效地节约能量，延长网络寿命。另外，在监狱安防系统中，只有当振动和温度数据产生突变时，才需要传输数据，而持续的以恒定速率发送监测数据给sink节点对于监狱安防系统来说是不必要的。图3、图4分别为主机模块软件流程图和节点模块软件流程图。

    在具体应用中，TEEN中定义了硬、软2个门限值，以确定是否需要发送监测数据。硬门限的设置，当温度以及振动超过该值时，则节点发送监测数据到sink节点；软门限的设置，当振动以及温度变化范围超过该值时，则发送数据。

    4、仿真与结果分析

    为了验证算法的可行性和有效性，暂时不考虑风速、风向、温度、湿度、噪声等因素对定位精度造成的影响，假设声音在空气中的传播速度为340m／s。

    如图5所示，假设3只传感器节点分布在100m×100m的区域。图中，o代表目标实际位置，*代表传感器节点位置，+号代表计算得到的