基于无线传感器网络的监狱安防系统设计.docx

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1、基于无线传感器网络的监狱安防系统设计zhangting导语：监狱对于其安防系统设计具有高平安性、稳定性和实时性的要求。0引言监狱对于其安防系统设计具有高平安性、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讯，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、袭警等违法犯罪活动，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、技防三位一体的平安防范体系，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众多好处，

2、如，减小部署难度、降低维护本钱和增加灵敏性，尤其是在那些不能布线或不便布线的区域。正如西门子楼宇技术组的首席技术专家HelmutMacht所讲：无线通讯的创新使越来越多的有线通讯将被取代。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，影响宽带通讯的数据吞吐量；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良；另外，无线技术要在监狱安防系统中广泛应用，设备的本钱问题也是一个重要的因素，无线通讯模块

3、必须合适监测系统的低本钱要求。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根底上，保存其原有的数据传输量较大的视频、门限等有线监控手段，参加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，进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方式组成的有线或无线网络，其目的是协作地感悟、收集和处理传感器网络所覆盖的地理区域中感悟对象的信息，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讯技术，能协作地感悟、监测和收集各种

4、环境下所感悟对象的信息，通过对这些信息的协作式信息处理，获得感悟对象的准确信息，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，它除了可以感测被测物理量的变化并输出相应的变化信息外，还要具备远程通讯功能，必须是一种智能型的传感器。另外，要完成通讯功能，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、数据传输通讯部件等。图1是典型的传感器网络构造图，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，大量部署在感悟对象内部或附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感悟、收集

5、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收集、处理和分析。这种以自组织形式构成的网络，通太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展集中处理。无线传感器网络的根本组成元素是节点，在不同的应用中，传感器节点设计也各不一样，但它们的根本构造是一样的。节点的典型硬件构造如图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、通讯单元由无线射频模块组成，以及电源局部。此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、挪动系统以及电源自供电

6、系统等。2、现场执行层设计方案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、消费区、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，主要是由于在监狱中传感器节点非常多，布线工程非常大，并且，很多区域不合适采用有线连接，假如采用无线接入方式，那么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者改变节点的位置。通过周期性或者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的进展定位。并且，由于监测节点的位置经常变化，犯人无法找到监测破绽，进而更加完善安防系统。2.2动态实时监测系统设计方

7、案通过将节点佩戴在犯人身上，利用定位机制实时把握犯人的活动情况。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者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展简单处理，然后，进展聚集并传送到基站PC机或者PDA，监狱的远程效劳器和监测系统对每位被监测犯人的指标进展实时分析，通过专家系统判定犯人的实时状况。假如发现犯人出现异常或者危险那么进展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、位置指标进展实时监测的同时还允许犯人在一定范围内自由活动，

8、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，狱警还可以全面把握犯人的休息情况。当犯人在狱室或者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展定位、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平安。一方面当发生突发情况时，如犯人袭警或者犯人之间斗殴，监测系统和远程效劳中心迅速做出反响，通知警力迅速到达事发现场进展支援；另一方面，通过对狱警的定位跟踪，可以把握狱警的工作情况，有利于进步工作效率。3、系统软硬件设计方案3.1传感器节点的设计每个

9、传感器节点包括1只或者多只传感器元件，mote和电池组。传感器主要探测振动和温度的数据，mote负责对这些数据进展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，抗干扰才能强；支持多点通讯，数据传输速率高可达0.1MBs；具有特有的ShockBurst信号发射形式和发射信号载波监测功能，可有效地降低功耗电流、防止数据冲突。内部存放器为用户提供了根底的通讯协议，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

10、方式。nRF9E5收发器的工作方式由特殊功能存放器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480s来实现，主机等待DS18B20发回的存在脉冲。DS18B20那么从检测到复位脉冲的上升沿开场等待1516s后，通过将单总线拉低60240s，实现存在脉冲的发送。DS18B20的读写操纵是通过读写时序来实现的。因此，采用DS1

11、8B20能使电路简单化，进步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讯形式，所以，将通讯协议分为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TEENthresholdsensitiveenergyefficientsensornetworkprotocol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

12、对于监狱安防系统来讲是不必要的。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。在详细应用中，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，那么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，那么发送数据。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340ms。如图5所示，假设3只传感器节点分布在100m100m的区域。图中，o代表目的实际位置，代表传感器节点位置，+号代表计算得到的目的位置。通过静态分

13、布的传感器阵列可以对目的进展定位。经过仿真验证，利用目的定位系统计算出的目的位置与实际目的位置之间的误差在可接收的范围内。当发生突发情况时，按照计算结果，通过警力可以迅速、有效的采取措施。在100m100m的正方形仿真区域中，随机均匀分布一定数目的节点，10，20，100，每个节点具有一样的通讯间隔10m，其中，有5个簇首节点。图6所示是DV-Hop定位算法在随机选取锚节点的情况下的定位误差。仿真结果说明：随着传感器节点数目的增加，定位所产生的误差减小。因此，在实际应用中，可以在综合考虑本钱的根底上，适当的增加动态监测系统中传感器节点的数目。5、完毕语监狱安防系统的根本目的就是给治理带来更高的可靠性，无线网络技术的开展给监狱安防系统的集成带来更宽广的空间，不仅克制了安防系统集成经过中线缆限制引起的不便性，也使安防系统可以实现很多新的应用。本文所给出的无线传感器组网方式，无线传感器与控制网络的集成框架可以使无线网络技术在监狱安防系统中得到有效应用。0