基于WSN的工廠安防管理系統(tǒng)*

郭曉樂，楊瑞峰，賈建芳

（中北大學信息與通信工程學院，山西太原 030051）

1引言

1.1 基于WSN的身份識別技術

隨著計算機技術、自控技術及現(xiàn)代通信技術的高速發(fā)展和多技術的融合，安防系統(tǒng)也逐漸趨于智能化發(fā)展，并逐漸將電子地圖、多媒體、管理和控制軟件逐步引入到系統(tǒng)中［1］。但現(xiàn)有安防系統(tǒng)還存人體探測精度低、存在誤報、漏報現(xiàn)象。究其原因，在于探測技術只能在分辨現(xiàn)場物理量的變化，不能清晰分辨“敵”我。與此同時現(xiàn)有系統(tǒng)一般均為點監(jiān)控，無法實現(xiàn)面監(jiān)控，對入侵人員出現(xiàn)的入侵位置無法精確定位和跟蹤。此外還存在施工周期長，監(jiān)控設備大、復雜，能耗高，不靈活。因此，高探測精度，明辯雙方，智能、簡潔、低耗的安防系統(tǒng)是今后的發(fā)展方向。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡的概念

無線傳感器網(wǎng)絡是一種由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型智能的傳感器節(jié)點通過無線通信形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)構成的網(wǎng)絡應用系統(tǒng)。各節(jié)點間連接是采用無線信道，采用對等、多跳通信方式，自組織網(wǎng)絡拓撲結(jié)構;傳感器節(jié)點間協(xié)同，協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域里被監(jiān)測對象的信息，通過對數(shù)據(jù)局部采集、預處理及節(jié)點間數(shù)據(jù)交換從而完成全局任務并發(fā)送給觀察者［2］。

1.3 基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡

ZigBee是一種低速率、低功耗、短距離無線接入技術，是專為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡設計的短距離無線通信技術無線網(wǎng)絡協(xié)議。與其他無線協(xié)議相比，由于具有路徑選擇、自動連結(jié)網(wǎng)絡及自我回復等主要功能，適和用于監(jiān)控、控制與感測式網(wǎng)絡應用。ZigBee是一種經(jīng)濟、安全、可靠的選擇。在自動化領域，ZigBee技術有助于改進安全性和訪問控制［5］。

1.4 無線傳感器網(wǎng)絡定位算法分類

大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡定位算法分為兩個步驟:第一步計算網(wǎng)絡中未知節(jié)點到信標節(jié)點的距離或角度。第二步，利用數(shù)學方法計算出未知節(jié)點的自身位置坐標。目前常用的未知節(jié)點自身位置坐標的算法已基本成熟，現(xiàn)階段研究在于如何求出網(wǎng)絡中未知節(jié)點到信標節(jié)點之間的距離或角度［6］。常用計算定位的方法分為基于測距的和不基于測距的。在基于測距的算法中典型方法有四種:到達時間、到達時間差、到達角度和接收信號強度指示的算法等［3］。這些測量方法測量了節(jié)點間的距離或角度，一般數(shù)據(jù)相對準確，定位精度高，但對節(jié)點的硬件配置要求較高，易受外界環(huán)境因素的影響。不基于測距的方法是利用節(jié)點間的連通性和多跳路由信息交換等方法來估計節(jié)點間的距離或角度，受外界環(huán)境因素的影響小，對硬件要求不高，這種方法更多的得到人們的使用。不基于測距的典型算法有質(zhì)心算法、DV-Hop算法等多種。這些算法成本低、效率高，但存在著一定的誤差［4］。

2 基于WSN的工廠安防管理系統(tǒng)設計

2.1 建立基于WSN的工廠安防管理系統(tǒng)總模型

目前，安防監(jiān)控技術飛速發(fā)展，在一些較大廠區(qū)，由于無線終端節(jié)點傳輸距離限制無法滿足工廠安防及監(jiān)控的要求，因此可采用網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器及多個路由節(jié)點，如圖1所示，路由節(jié)點與各終端節(jié)點組成子網(wǎng)，負責監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的一部分，各子網(wǎng)間相互獨立，在終端節(jié)點上安裝各種傳感器，負責所需的測量，數(shù)據(jù)采集及確定所屬的路由節(jié)點。子網(wǎng)內(nèi)的終端節(jié)點再同時與路由節(jié)點構成網(wǎng)絡，進行數(shù)據(jù)采集［7］。首先給終端節(jié)點布置固定的位置，負責采集信息及發(fā)送信息到路由節(jié)點，此過程通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)網(wǎng)絡中路由節(jié)點，與各路由節(jié)點進行通信，實現(xiàn)對工廠安防的網(wǎng)絡化管理;監(jiān)控中心對系統(tǒng)全部功能進行管理，是整個安防管理及預警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心及監(jiān)控網(wǎng)絡的總控制臺。

以某個子網(wǎng)為例，組網(wǎng)成功后，終端節(jié)點處于休眠狀態(tài);網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器每隔一定時間發(fā)出一次指令，指令被路由節(jié)點接收后，先是傳遞給下一級路由節(jié)點，之后傳送給自身子網(wǎng)內(nèi)的各終端節(jié)點。終端節(jié)點收到路由節(jié)點的指令后停止休眠，進行數(shù)據(jù)采集并將信息通過無線網(wǎng)絡傳送給路由節(jié)點;路由節(jié)點接收信息，傳送到上一級路由節(jié)點，多跳后傳遞到網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)到達網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器后再由網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器傳送到監(jiān)測中心，監(jiān)測中心負責對數(shù)據(jù)進行接收及建數(shù)據(jù)庫存儲等。監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)或某子網(wǎng)的實時工作情況管理者查詢后可制定相應的方案［8］。通過這種方式，使預防警戒監(jiān)控區(qū)域全部連接在一起，實現(xiàn)了監(jiān)測面積的擴大，廠區(qū)的大型化和分區(qū)管理。

圖1 基于ZigBee的工廠安防預警監(jiān)控系統(tǒng)WSN數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.2 廠區(qū)固定及移動式傳感器節(jié)點分系統(tǒng)設計

廠區(qū)外圍以及廠區(qū)內(nèi)固定節(jié)點的安防管理功能主要是利用無線傳感器網(wǎng)絡技術與微波探測技術、人體的熱紅外感應技術相結(jié)合來實現(xiàn)。廠區(qū)外圍分系統(tǒng)由四部分組成，分別為:固定感應節(jié)點、通信基站、控制中心、個人身份識別卡。系統(tǒng)結(jié)構見圖2。流動布控分系統(tǒng)由四部分組成，分別為:移動感應節(jié)點、通信基站、控制中心、身份識別卡。系統(tǒng)結(jié)構見圖3。

圖2 固定節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構圖

圖3 移動式節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構圖

2.3 廠區(qū)安防管理系統(tǒng)中所涉及到的器件

2.3.1 子網(wǎng)系統(tǒng)的核心元器件

·CC2430無線芯片 CC2430芯片在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

·三鑒探測器 三鑒探測器:包含被動式紅外探測器和微波探測器，二者相結(jié)合作為系統(tǒng)中的感應模塊，提高人體探測精度。

圖4 三鑒探測器的基本電路組成方框圖

·監(jiān)控探頭 采用夜視監(jiān)控探頭，可以方便晚上或環(huán)境昏暗條件下進行監(jiān)控或圖像錄取。在普通車間及一些非重要的廠房的房檐四周和廠區(qū)道路上安裝可以旋轉(zhuǎn)的攝像頭，當有情況時可以通過所報警指示的具體位置，控制中心控制攝像頭的旋轉(zhuǎn)，查看周圍的環(huán)境，也可以查看車間或廠區(qū)道路周圍的攝像頭可視范圍內(nèi)的場景，減少攝像頭的安裝數(shù)量，節(jié)約系統(tǒng)的成本。對于重點監(jiān)控的車間倉庫和廠區(qū)外圍監(jiān)控可以安裝固定式攝像頭，對攝像頭所監(jiān)控區(qū)域全時段重點監(jiān)控。當有突發(fā)事件時可以直接進行對所監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的環(huán)境進行攝像取證。對于車輛進出的區(qū)域入口安裝帶有可拍照時攝像頭，攝像頭采用有線布防，因為攝像頭的能耗較高，攝像頭也可以與固定傳感器節(jié)點相組網(wǎng)，當有人員或車輛非法闖入時，當探測器檢測到有人或車輛即將進入該子網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，喚醒該子網(wǎng)的身份識別傳感器與終端連接查詢?nèi)藛T身份，當查無此身份或者身份不符時，對監(jiān)控中心發(fā)出警示，監(jiān)控中心終端喚醒監(jiān)控探頭，進行監(jiān)控拍照取證。這樣可以減少監(jiān)控探頭的能耗，高效地利用好探頭，避免能源的不必要浪費。由于監(jiān)控探頭所需能耗高，圖像的質(zhì)量所需的空間很大，不利于無線網(wǎng)絡的傳輸，因此采用有線傳輸，通過終端與子網(wǎng)系統(tǒng)組網(wǎng)。

·車輛出入管理系統(tǒng) 廠區(qū)內(nèi)部車輛按照員工車輛和廠區(qū)工作車輛分為不同警戒級別，臨時進入廠區(qū)的車輛發(fā)放臨時識別卡;依照車輛的身份識別卡，系統(tǒng)對進入?yún)^(qū)域的車輛進行識別并放行或禁止其駛?cè)朐搮^(qū)域，實現(xiàn)對車輛的有效監(jiān)管，使廠區(qū)車輛行駛、停放有序，便于管理。

·電磁或紅外門禁系統(tǒng) 作為固定感應節(jié)點的探測和感應模塊，當有人非法撬動門窗時，安裝在門窗上的電磁或紅外感應門禁系統(tǒng)感應到環(huán)境的變化，則迅速向子網(wǎng)終端發(fā)出警示警報，終端喚醒監(jiān)控探頭進行監(jiān)控和拍照取證，與此同時子網(wǎng)終端向控制中心報告發(fā)出警示，控制中心終端按照事先做出的突發(fā)處置預案程序，啟動該程序。

2.4 系統(tǒng)能耗的解決方式

鑒于無線傳感器網(wǎng)絡能耗有限，因此對于固定傳感器節(jié)點可以與探測器、監(jiān)控探頭或者路邊的路燈的電源相連作為固定傳感器的直接長期能源供給以防傳感器因能量耗盡而影響網(wǎng)絡的安防監(jiān)控能力。身份識別卡的電源由紐扣式電池提供，由于識別卡多數(shù)情況下處于休眠狀態(tài)因此能耗不會過大，電池不用常換。對于移動式傳感器節(jié)點的能量供給可由安保人員的巡邏車的電瓶供給或安保人員手持控制器的電池提供。對于攝像頭的工作能耗，可以讓探頭處于休眠狀態(tài)，保持低功耗，當受到控制中心或者子網(wǎng)終端的命令則被喚醒進行工作。這樣可以使該套安防管理系統(tǒng)處于低能耗狀態(tài)，節(jié)約能源。

3 小結(jié)

本文從應用角度出發(fā)設計了一套基于無線傳感器網(wǎng)絡的工廠安防監(jiān)控管理系統(tǒng)。本文設計的工廠安防監(jiān)控管理系統(tǒng)低功耗、低成本，可實現(xiàn)自我識別定位，并可以隨時隨地實現(xiàn)布防，實用性強，是對傳統(tǒng)安防報警系統(tǒng)的重大改進，運用本論文的理論基礎還可以設計小區(qū)的職能安全管理系統(tǒng)，小區(qū)停車管理系統(tǒng)，軍隊駐防預警系統(tǒng)等其他智能安保預警系統(tǒng)，大大提高安保的工作效率，節(jié)約大量的人力物力。

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