無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在安防系統(tǒng)中的應(yīng)用

夏蒞武 王衛(wèi)強 李瑛梅

1.河南省委辦公廳電力管理科 450003

2.黃河科技學院信息工程學院 450063

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在安防系統(tǒng)中的應(yīng)用

夏蒞武1王衛(wèi)強1李瑛梅2

1.河南省委辦公廳電力管理科 450003

2.黃河科技學院信息工程學院 450063

針對目前變電站安防監(jiān)控的一些缺點：如布線麻煩、安裝、維護成本高、移動性差等，本文提出了將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運用于安防系統(tǒng)中，該系統(tǒng)是以微波傳感器作為感應(yīng)終端，通過無線通信方式形成的一個多跳、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它集數(shù)據(jù)采集、報警、遠程控制于一身，具有實時性高，安全可靠的特點。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；微波傳感器；安防系統(tǒng)

引言

變電站作為電力能源的中轉(zhuǎn)中心，其安全性不僅關(guān)系到整個社會的正常生產(chǎn)及生活，而且也關(guān)系到人民的生命、財產(chǎn)安全。傳統(tǒng)的監(jiān)控方法多采用有線方式，其缺點是布線麻煩，增減設(shè)備需要重新布線，而且影響美觀；系統(tǒng)安裝和維護成本高，移動性能差，升級和維護都不方便。微機電系統(tǒng)（MEMS）與無線通信、移動計算以及自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的緊密結(jié)合，孕育出了一種新的信息獲取、傳輸、處理的智能網(wǎng)絡(luò)——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織性、魯棒性和隱蔽性等特點，對進入傳感器監(jiān)測區(qū)域的目標進行監(jiān)測有其自身的優(yōu)勢[2-8]。本文設(shè)計的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安防系統(tǒng)，是一種集數(shù)據(jù)采集、報警、遠程控制于一身，實時性高，安全可靠的報警系統(tǒng)。既節(jié)省了人力資源，又具有隱蔽性，也無需布線，安裝非常方便。特別適合軍事禁區(qū)、變電站使用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括感應(yīng)終端、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、前置機和后臺展示系統(tǒng)。感應(yīng)終端負責周界信息檢測，包括微波移動傳感器、震動、壓力等傳感器，當有外來入侵時，自動感知外來入侵引起的震動、壓力信號的變化，并上傳WSN節(jié)點。WSN節(jié)點一方面采集各傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)，另一方面，分別部署于作業(yè)現(xiàn)場周界的多個WSN節(jié)點相互形成自組織網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)以無線方式傳輸至網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點是WSN網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)的匯聚中心，經(jīng)由匯聚節(jié)點，現(xiàn)場數(shù)據(jù)即可上傳前置機，并最終發(fā)送至監(jiān)控中心。前置機作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理的嵌入式系統(tǒng)，負責對數(shù)據(jù)進行分析和處理，比對入侵行為引起的特征量的變化是否超出既定閾值，從而裁斷入侵行為的真實性、入侵地點等，另一方面，前置機將數(shù)據(jù)通過有線或無線方式上傳監(jiān)控中心，并接收監(jiān)控中心下達的進一步指令，比如報警、燈光指示燈。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由傳感器模塊、處理器模塊、通信模塊、報警模塊、電源模塊組成。本系統(tǒng)傳感器采用微波探測器，負責采集監(jiān)控區(qū)域的入侵信息；處理器采用高性能的ATmega1281處理器，負責存儲和處理采集的數(shù)據(jù)和其它節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；通信模塊采用AT86RF231芯片，負責與其它傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；報警模塊采用聲光報警，在出現(xiàn)異常情況時及時地提醒人員盡快采取措施，減少危險，避免災(zāi)難性后果的出現(xiàn)；電源模塊為整個系統(tǒng)提供運行所需的電源，系統(tǒng)采用電池供電。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 傳感器模塊

傳感器節(jié)點負責采集監(jiān)測區(qū)域的周界信息。系統(tǒng)采用的傳感器是GH100微波移動傳感器，它由介質(zhì)振蕩器（DRO）和一對微帶天線組成，微波頻率為10.525GHz。GH100微波移動傳感器是一種非接觸式、功耗低、靈敏度高、體積小，不受熱、噪音、濕度、氣流、塵埃等周圍環(huán)境因素影響，適合惡劣環(huán)境，是理想的低成本移動檢測器。由于傳感器信號輸出端的輸出強度與發(fā)射能量的反射強度有關(guān)，一般在微伏級，所以需要一個高增益的低頻放大器來處理該信號，使它能達到用處理器來處理。放大電路如圖3所示。

圖3 放大電路

2.2 處理器模塊和通信模塊

處理器負責接收報警信號并控制、協(xié)調(diào)各功能模塊的正常工作，并對報警信息做出相應(yīng)的處理，包括信息記錄、現(xiàn)場報警、遠程通信報警等。系統(tǒng)采用的是高性能的ATmega1281處理器。ATmega1281是Atmel公司的具有極低的能耗和豐富的資源的8位微控制器。該芯片具有片內(nèi)256KB的Flash存儲器、8KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲器(可外接擴展到64KB )和4KB的EPROM存儲器。該芯片還有 8/16通道的10位ADC，2個8位和4個16位硬件定時／計數(shù)器，4個8位PWM通道、可編程看門狗定時器和片上振蕩器、片上模擬比較器，2/4個可編程串行USART 、51/86個可編程I/O口線，SPI、I2C總線接口；可以采用JTAG編程和ISP編程兩種方式。除正常工作模式外，ATmega1281還具有6種睡眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴展的Standby模式。[9]因此ATmegal281非常適合于低能耗的應(yīng)用場合。

通信模塊采用AT86RF231芯片，該芯片是一款低功耗、低電壓，SPI接口，支持2.4GHZ IEEE802.15.4標準的無線收發(fā)芯片。[10]AT86RF231通過SPI接口與處理器ATmega1281連接，通過串行輸出(MOSI)和串行輸入(MISO)進行數(shù)據(jù)讀寫操作，由串行時鐘( SCK)控制讀寫操作。處理器與外圍設(shè)備連接圖如4所示。

圖4 處理器與外圍設(shè)備連接圖

圖5 軟件流程圖

2.3 報警模塊

報警模塊包括現(xiàn)場報警和遠程報警，均采用聲光報警?，F(xiàn)場報警用蜂鳴器和LED燈來實現(xiàn)。將蜂鳴器和LED分別接處理器的I/ O口上，其中蜂鳴器需用一個三極管作為驅(qū)動。當有人入侵時，通過拉高I/O口電平來控制蜂鳴器和LED燈。遠程報警是當傳感器節(jié)點監(jiān)測到有人入侵時，在實現(xiàn)現(xiàn)場報警的同時將數(shù)據(jù)傳輸給后臺，在屏幕上顯示告警信號。

3 軟件設(shè)計

當系統(tǒng)建立了一個網(wǎng)絡(luò)后，終端設(shè)備（微波傳感器入侵檢測節(jié)點）請求加入該網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備成功加入該網(wǎng)絡(luò)后，傳感器節(jié)點定時采集數(shù)據(jù)，因經(jīng)過放大整形后的中頻信號的幅度和頻率與物體移動的速度及遠近有關(guān)，物體移動時其幅值的變化相對于頻率更明顯，并且幅度檢測比頻率檢測也要容易得多，因此系統(tǒng)只對其幅值進行檢測，利用處理器的AD通道對IF信號進行幅值的模數(shù)轉(zhuǎn)換，當檢測到的幅值高于設(shè)定的閾值時認為報警事件產(chǎn)生，處理器置位相關(guān)引腳發(fā)出報警信號，同時將入侵信息傳送到監(jiān)控中心。軟件設(shè)計流程如圖5所示。

4結(jié)語

本文詳細介紹了系統(tǒng)所使用的各個模塊，實現(xiàn)了對遠程目標的實時監(jiān)控，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，體積小，安全可靠，便于安裝，傳感器的選擇適合電力設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計要求，并將整個系統(tǒng)安裝于半球型塑料殼內(nèi)，它防水性能好，質(zhì)量優(yōu)良，可以很好的保護內(nèi)部元器件，適合于野外條件惡劣的場合。

[1]任豐原,黃海寧,林闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].軟件學報，2003,14(7):1282～1291

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[9] Atmel Corporation. ATmega640/1280/1281/2560/2561 Preliminary[DB/OL].[2009-10]. Http://www.atmel. com

[10]Atmel Corporation. AT86RF231 [DB/OL].[2009-09].http://www.atmel.com

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.098

夏蒞武（1976-），男，河南省委辦公廳電力管理科，助理工程師；王衛(wèi)強（1979-），男，河南省委辦公廳電力管理科，高工（鄭州450003）。