基于GPRS振動(dòng)光纜周界報(bào)警系統(tǒng)在水中安防應(yīng)用

諶啟偉

(宜昌測(cè)試技術(shù)研究所103室，湖北宜昌 443003)

廣州亞運(yùn)會(huì)開幕式期間組織了珠江巡禮活動(dòng)，針對(duì)當(dāng)前恐怖襲擊時(shí)有發(fā)生的國(guó)際大背景，為保證廣州亞運(yùn)會(huì)順利進(jìn)行，必需采取全面而有效的水域安防措施以保障水域安全。珠江水域環(huán)境復(fù)雜，特別是河涌和下水道數(shù)量繁多且錯(cuò)綜復(fù)雜，排水管道90余口，河涌等近20條，總計(jì)110多個(gè)區(qū)域，由于潮汐，排水管道有時(shí)淹沒于水下。如果不對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行有效封鎖和監(jiān)測(cè)，水下蛙人或水中漂流危險(xiǎn)物極易通過這些區(qū)域進(jìn)入目標(biāo)防區(qū)，對(duì)亞運(yùn)會(huì)順利進(jìn)行造成威脅。對(duì)于支流河涌這種分散的區(qū)域，如何才能有效防范恐怖入侵。

目前常用的周界報(bào)警設(shè)備主要有智能型脈沖電子圍欄、靜電感應(yīng)電纜、埋地感應(yīng)電纜、振動(dòng)傳感電纜、紅外設(shè)備、振動(dòng)光纜等。由于應(yīng)用環(huán)境為排水管道和河涌，設(shè)備長(zhǎng)期布放在水域環(huán)境，因此，供電式的周界報(bào)警設(shè)備不適合在此環(huán)境應(yīng)用。因此，本系統(tǒng)考慮使用振動(dòng)光纜報(bào)警設(shè)備。由于使用的水域太多，且過于分散，若將全部排水管道和河涌實(shí)行全封閉，則要敷設(shè)上百公里的光纜，工程量巨大，耗資不菲。為降低工程成本，考慮使用無(wú)線報(bào)警方式，采用離散型敷設(shè)，集中監(jiān)控的方式布防，不僅可以降低施工成本，還可以降低施工難度。采用基于GPRS無(wú)線傳輸技術(shù)的振動(dòng)光纜周界防御系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單，各防區(qū)相對(duì)獨(dú)立，報(bào)警信號(hào)最終匯聚至監(jiān)控中心。該系統(tǒng)的布設(shè)，能有效防范恐怖分子從河涌和下水道的入侵［1-2］。

1 振動(dòng)光纜報(bào)警系統(tǒng)組成及原理

封鎖區(qū)域報(bào)警系統(tǒng)采用振動(dòng)光纜報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由終端盒、傳感光纜、光信號(hào)處理器、GPRS模塊、供電單元及監(jiān)控中心接警軟件組成。由于整個(gè)周界防區(qū)多達(dá)110余個(gè)，根據(jù)實(shí)際調(diào)研情況，相鄰較近的共用一套振動(dòng)光纜，相對(duì)分散區(qū)域單獨(dú)安裝一套振動(dòng)光纜。每個(gè)封鎖區(qū)包括一道隔離網(wǎng)和一道帶有振動(dòng)光纜周界報(bào)警系統(tǒng)的隔離柵欄。

報(bào)警系統(tǒng)工作原理:當(dāng)河涌或下水道有危險(xiǎn)漂流物，由于使用了隔離網(wǎng)，危險(xiǎn)漂流物將被隔離在隔離網(wǎng)外。若有蛙人入侵，其突破隔離柵欄的方法包括兩種，剪切破壞或攀爬翻越。由于這兩種行為都將引起隔離欄的振動(dòng)，這種振動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致傳感光纜形變，瞬時(shí)光路的改變導(dǎo)致傳感光纜中傳輸?shù)墓庑盘?hào)發(fā)生改變。振動(dòng)光纜信號(hào)處理器對(duì)傳感光纜中光信號(hào)的變化進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)光纜傳感器信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別，一旦處理分析結(jié)果認(rèn)定為外界入侵，信號(hào)處理器通過GPRS模塊將當(dāng)前防區(qū)預(yù)置的GPS位置信息傳送給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心收到來(lái)自防區(qū)的報(bào)警信息后，在電子地圖上顯示報(bào)警防區(qū)。振動(dòng)光纜報(bào)警系統(tǒng)能有效檢測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)，并防止蛙人對(duì)振動(dòng)光纜破壞，一旦蛙人破壞振動(dòng)光纜或試圖拆除系統(tǒng)設(shè)備，系統(tǒng)將立即報(bào)警。

實(shí)際使用表明，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，在有水流存在的因素下，系統(tǒng)能有效檢測(cè)蛙人水下剪切柵欄或攀爬報(bào)警，而排除水流沖擊柵欄的誤報(bào)警。根據(jù)GPRS的工作機(jī)制，監(jiān)控中心需有固定IP地址的網(wǎng)絡(luò)端口。

圖1 GPRS無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)組成示意圖

2 GPRS無(wú)線通信模塊

GPRS［3］是構(gòu)架在傳統(tǒng)GSM網(wǎng)絡(luò)上的一種標(biāo)準(zhǔn)化的分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，是GSM系統(tǒng)發(fā)展出來(lái)的一種承載業(yè)務(wù)，以提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為目的。GPRS允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，資源利用率高。GPRS具有永遠(yuǎn)在線、按量計(jì)費(fèi)、快速登錄、高速傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)的通信模塊采用西門子公司推出的無(wú)線通信GPRS模塊MC351［4］，它可以快速可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、短消息服務(wù)。模塊的工作電壓為3.3～4.8 V，可以工作在900 MHz和1 800 MHz兩個(gè)頻段，所在頻段功耗分別為2 W和1 W。采用GPRS分時(shí)復(fù)用的CLASS 8標(biāo)準(zhǔn)，具有始終在線的功能且理論上傳輸速率可達(dá)171.2 kbit·s-1，通信傳輸時(shí)延較小，最長(zhǎng)不超過3 s。

模塊具有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息。MC351通過ZIF連接器分別與電源電路、啟動(dòng)與關(guān)機(jī)電路、數(shù)據(jù)通信電路、語(yǔ)音通信電路、SIM卡電路、指示燈電路等連接。這40個(gè)引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。圖2為MC351硬件連接圖。驅(qū)動(dòng)使用串口驅(qū)動(dòng)程序，主要工作是編寫串口的應(yīng)用程序，來(lái)接收和發(fā)送并存儲(chǔ)短信息。

圖2 GPRS模塊接口電路

當(dāng)監(jiān)控主板通電后，主機(jī)進(jìn)行初始化，系統(tǒng)通過AT指令對(duì)MC351進(jìn)行初始化。初始化完成后，系統(tǒng)判斷是否有報(bào)警，圖3為GPRS通信模塊軟件流程圖。

圖3 GPRS模塊軟件流程

在發(fā)送中文SMS時(shí)，采用PDU編碼，實(shí)現(xiàn)的方式也通過AT指令。通常采用SMS的AT指令如表1所示。

表1 AT指令表

發(fā)送短消息的流程圖為圖4所示。

圖4 短消息發(fā)送流程圖

3 供電

通過實(shí)地考察，了解到在水域沿岸均有景觀燈布置，因此，有景觀燈的防區(qū)，可以直接使用景觀燈供電電源轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的DC12 V。而對(duì)于沒有市電的防區(qū)，系統(tǒng)采用一次性鋰電池組供電。

系統(tǒng)中需要供電的設(shè)備包括兩部分，GPRS采集器和開關(guān)量輸出型振動(dòng)光纜采集器。采集器采用DC12 V供電，最大功率按照4 W計(jì)算，GPRS模塊一般采用DC12 V供電，最大發(fā)射功率3 W。因此，設(shè)備供電要求最大為7 W/DC12 V。設(shè)備每天供電功率為168 W/14 Ah/12 V。

對(duì)于使用市電的防區(qū)，系統(tǒng)使用AC/DC電源轉(zhuǎn)換模塊供電。電源使用AC 220 V轉(zhuǎn)DC12 V/1 A供電。對(duì)于無(wú)法就近取市電的防區(qū)，選用鋰亞硫酰氯電池ER34615M為設(shè)備供電。ER34615M型鋰電池標(biāo)稱容量13 Ah，標(biāo)稱電壓3.6 V，電池尺寸為Ф34×61.5 mm。使用4粒電池為一組串聯(lián)使用，則每組電池組為14.4 V/13 Ah。使用9組電池封裝并聯(lián)使用為設(shè)備供電則為14.4 V/117 Ah，電池可以為設(shè)備連續(xù)供電8天，間隔8天更換一次電池。使用電池供電，需對(duì)電池做好防護(hù)處理，防止電池浸水或暴曬導(dǎo)致危險(xiǎn)。

4 施工運(yùn)行

隔離柵欄采用鐵圍欄安裝，柵欄高出支流水面1.5 m，鐵圍欄需固定牢固［5-6］。

(1)水深＞1.5 m且＜4 m支流的振動(dòng)傳感光纜鋪設(shè)方式。在水下，振動(dòng)傳感光纜呈三道直線型鋪設(shè)在水面和水底間鐵圍欄的中間位置上，振動(dòng)傳感光纜之間間距均勻。在水面上，振動(dòng)傳感光纜呈一道直線型鋪設(shè)在距離水面約1 m處的鐵圍欄上，如圖5所示。

圖5 水深＞1.5 m且＜4 m支流的振動(dòng)傳感光纜鋪設(shè)方式

(2)水深＜1.5 m支流的振動(dòng)傳感光纜鋪設(shè)方式。在水下，振動(dòng)傳感光纜呈一道直線型鋪設(shè)在水面和水底間鐵圍欄的中間位置上。在水面上，振動(dòng)傳感光纜呈一道直線型鋪設(shè)在距離水面約1 m處的鐵圍欄上，如圖6所示。

圖6 水深＜1.5 m支流的振動(dòng)傳感光纜鋪設(shè)方式

(3)直徑約1.5 m的下水道的振動(dòng)傳感光纜鋪設(shè)方式。振動(dòng)傳感光纜呈兩道直線型鋪設(shè)在鐵圍欄上，如圖7所示。

圖7 直徑約1.5 m的下水道的振動(dòng)傳感光纜鋪設(shè)方式

終端盒和單防區(qū)GPRS傳輸型光纜采集器在鐵圍欄的同一側(cè)，以方便設(shè)備維護(hù)。終端盒固定在水面以上鐵圍欄的頂部。單防區(qū)GPRS傳輸型光纜采集器放置在河岸邊的配電箱或金屬設(shè)備箱內(nèi)，設(shè)備天線放置在配電箱或金屬設(shè)備箱外部的頂部。設(shè)備安裝做好防雷措施［7-9］。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于GPRS振動(dòng)光纜周界報(bào)警系統(tǒng)已成功應(yīng)用于2010年廣州亞運(yùn)會(huì)水下安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)從布防到亞運(yùn)會(huì)結(jié)束，連續(xù)工作超過1個(gè)月。通過用戶測(cè)試驗(yàn)收，系統(tǒng)報(bào)警漏報(bào)和虛警率低。潮汐及下水道排水對(duì)系統(tǒng)影響較小，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間快速有效。使用中偶有清漂船掛靠隔離柵欄報(bào)警，其他未見異常報(bào)警。

［1］余啟家.基于ARM及GPRS的智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.微型計(jì)算機(jī)，2007(5):29-32.

［2］BATES R J.通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(GPRS)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2004.

［3］呂捷.GPRS技術(shù)［M］.北京，北京郵電大學(xué)出版社，2001.

［4］潘斌，郭紅霞.短信收發(fā)模塊MC351的外圍電路設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004(7):38-41.

［5］王德君.GPRS通信技術(shù)在水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2007(13):204-205.

［6］魏德華，何廷霖，劉占京，等.基于GPRS的小流域水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2006(7):18.

［7］田海河，冉志海.基于GPRS的水情自動(dòng)化采集系統(tǒng)研究［J］.河南水利與南水北調(diào)，2007(3):34-35.

［8］王文博.移動(dòng)通信原理與系統(tǒng)［M］.2版.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2009.

［9］韓斌杰.GPRS原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.