用于周界入侵報(bào)警的紅外—超聲波無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

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(武警工程大學(xué) 軍事通信學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710086)

0 引 言

周界入侵探測是一種對超越規(guī)定界線非法進(jìn)入限制區(qū)域的人員進(jìn)行探測識(shí)別并發(fā)出報(bào)警信號的目標(biāo)識(shí)別探測技術(shù),主要應(yīng)用于監(jiān)獄防越獄、住宅小區(qū)防入侵和重要建筑物、辦公場所、保密機(jī)構(gòu)、軍事禁區(qū)防沖擊的外圍警戒。傳統(tǒng)的防越界方法主要依賴于人，包括瞭望觀察、定時(shí)巡邏等，技術(shù)上通常采用視頻監(jiān)控和部署紅外對射傳感器的方法達(dá)到對限制區(qū)域的監(jiān)控[1]。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，需要進(jìn)行越界探測的場所增多，區(qū)域擴(kuò)大，傳統(tǒng)以“人防”為主的工作模式難以滿足當(dāng)前需求。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)和紅外對射傳感器雖然從技術(shù)上緩解了一部分“人防”的壓力，但受到監(jiān)控區(qū)域自然環(huán)境、占地面積等因素的影響，一些部位難以架設(shè)有線數(shù)字視頻監(jiān)控設(shè)備和紅外對射傳感器，或者架設(shè)成本過高，形成監(jiān)控盲區(qū)。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)以其低成本、低功耗、多功能、自組織、容錯(cuò)性強(qiáng)、無線通信等特點(diǎn)[2]，能夠大量迅速地布置在圍墻內(nèi)或限制區(qū)域外圍，通過多跳中繼的方式把探測信息傳送給控制中心，形成對限制區(qū)域全天候、全時(shí)段、全區(qū)域的警戒監(jiān)控。

1 紅外—超聲波聯(lián)合探測報(bào)警技術(shù)

進(jìn)行越界探測要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有及時(shí)發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)并判斷其是否越界的功能。各種傳感報(bào)警技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，被動(dòng)紅外熱釋電報(bào)警技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是無盲區(qū)、測量精度高、反應(yīng)速度快、方向性強(qiáng)，不產(chǎn)生系統(tǒng)互擾問題，但其缺點(diǎn)是受環(huán)境影響較大、探測距離較近；超聲波傳感器存在測量盲區(qū)，容易產(chǎn)生串?dāng)_，容易受噪聲的影響；紅外傳感器可以在一定程度上彌補(bǔ)超聲波傳感器存在測量盲區(qū)的缺點(diǎn)，超聲波傳感器可以彌補(bǔ)被動(dòng)熱釋電紅外容易受溫度和地?zé)岬拳h(huán)境因素影響的缺點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用紅外輻射與超聲波相結(jié)合的方法進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，二者探測范圍相當(dāng)且重疊。系統(tǒng)的熱釋電紅外傳感器感應(yīng)范圍設(shè)計(jì)為8 m，超聲波最遠(yuǎn)探測距離設(shè)計(jì)為6 m。節(jié)點(diǎn)部署在圍墻墻體內(nèi)或限制區(qū)域邊界線周圍，預(yù)設(shè)固定的ID號，以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組織網(wǎng)絡(luò)。前端探測節(jié)點(diǎn)采用熱釋電紅外傳感器接收人體輻射的峰值波長在9.5 μm左右的紅外線進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別[3]，一旦進(jìn)入探測范圍，立即向系統(tǒng)發(fā)出預(yù)報(bào)警信號并激活超聲波傳感器，通過超聲波測距原理確定與目標(biāo)的距離[4]，對距離小于安全值的目標(biāo)進(jìn)行報(bào)警。其中，節(jié)點(diǎn)間通信以多跳方式完成，將采集數(shù)據(jù)匯聚到Sink節(jié)點(diǎn)后傳輸給控制中心的計(jì)算機(jī)，并與其他聯(lián)動(dòng)報(bào)警機(jī)制聯(lián)動(dòng)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對限制區(qū)域周圍的實(shí)時(shí)監(jiān)測。控制計(jì)算機(jī)使用常見的Windows操作系統(tǒng)。紅外—超聲波聯(lián)合報(bào)警系統(tǒng)工作流程如圖1。

圖1 紅外—超聲波聯(lián)合報(bào)警系統(tǒng)工作流程

2 探測報(bào)警節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)框架

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)必須滿足低成本、低功率、高效率、可擴(kuò)展、通用性強(qiáng)等實(shí)際需求，并且考慮到較為復(fù)雜的工作環(huán)境，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上采用模塊化分層的方式，獨(dú)立設(shè)計(jì)前端探測模塊、數(shù)字處理模塊、無線通信模塊3個(gè)部分，并使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口將不同模塊連接起來，節(jié)約開發(fā)資源和時(shí)間。通過比較，選擇成本較低、功能較強(qiáng)的GAINz節(jié)點(diǎn)平臺(tái)，并使用功耗小、成本低、復(fù)雜度低、時(shí)延短、協(xié)議棧簡單，具有雙向通信能力和地理定位功能的Zig Bee[5]技術(shù)進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)開發(fā)。

節(jié)點(diǎn)整體結(jié)構(gòu)實(shí)際上是前端探測模塊、數(shù)字處理模塊和無線通信模塊與GAINz節(jié)點(diǎn)的套接。其中熱釋電紅外傳感器和超聲波傳感器采集的信息分別由I2C總線和A/D轉(zhuǎn)換通道傳輸給微處理器；蜂鳴器通過通用I/O接口控制；無線傳輸模塊和電源模塊通過標(biāo)準(zhǔn)50針管腳與GAINz平臺(tái)套接，并通過I/O口給各模塊供電。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)工作模塊設(shè)計(jì)

如圖2所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由熱釋電紅外傳感器、超聲波傳感器、微處理器、無線傳輸模塊、電源調(diào)理模塊等部分組成。

圖2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)

2.2.1 升穩(wěn)壓電路

電源采用2節(jié)干電池提供的3 V直流電源供電，通過升壓穩(wěn)壓器把電壓提升到期望的5 V水平。器件上選擇堿性DC—DC升壓穩(wěn)壓器SP6641A，其靜態(tài)電流為10 μA，最低啟動(dòng)電壓為0.9 V，固定3.3 V或5 V輸出電壓的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)87 %。SP6641提供5引腳的SOT—23封裝，SHDN引腳上1 mA的電流即可完成控制。調(diào)理電路原理如圖3所示。

圖3 升壓穩(wěn)壓電路原理圖

2.2.2 紅外信號探測模塊

本文使用RE200B熱釋電紅外傳感器和BISS0001紅外信號處理器組成圖4所示的紅外信號探測模塊。

RE200B通過加裝菲涅爾透鏡與放大電路配合，可以將信號強(qiáng)度放大到70 dB以上，探測到10～20 m內(nèi)9.5 μm左右的紅外波長，與人體37 ℃的體溫相符合。BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器和狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器、封鎖時(shí)間定時(shí)器及參考電壓源等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?，主要對采集到的紅外信號進(jìn)行放大、濾波、整形處理，經(jīng)過處理后的信號被微處理器采樣進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。根據(jù)使用者的實(shí)際需要，利用運(yùn)算放大器OP1 組成傳感信號預(yù)處理電路，將信號放大。然后耦合給運(yùn)算放大器OP2，再進(jìn)行第二級放大，同時(shí)將直流電位抬高約為0.5VDD后，送到由比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號Vs。

圖4 紅外信號探測模塊原理圖

2.2.3 超聲波探測模塊

本節(jié)點(diǎn)采用SRF08超聲波傳感器，其工作電壓為5 V，工作電流為30 mA，工作頻率為40 kHz。采用獨(dú)特的觸發(fā)指令集可以使SRF08工作在連續(xù)模式，使其在完成一次距離探測后自動(dòng)進(jìn)行第二次探測。

SRF08通過I2C與ATmega128L連接，電路原理圖如圖5所示。時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA通過模塊的引出電路，分別與ATmega128L上D0和D1端口連接，把采集的數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的時(shí)序發(fā)送給微處理器。

圖5 超聲波傳感器接口電路原理圖

2.3 數(shù)字處理模塊

節(jié)點(diǎn)采用基于AVR精簡指令集的低功耗CMOS 8位微處理器ATmega128L[6]構(gòu)成核心處理電路，承擔(dān)著設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、能量計(jì)算、功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)等重要功能。通過在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，ATmega128L可以取得1MIPS/MHz的性能，從而使得處理器核心的選擇在功耗和執(zhí)行速度之間取得平衡。另外，數(shù)字處理模塊上配置了雙排60針外部通用接口，主要包括2路8位PWN，8路10位ADC，2路USART接口，一組I2C接口，一組SPI接口等，并使用2個(gè)外部時(shí)鐘源：7.372 8 MHz和32.768 kHz分別作為工作和低功耗操作的時(shí)鐘源。功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 微處理器模塊功能結(jié)構(gòu)圖

2.4 通信傳輸模塊

通信模塊的無線收發(fā)器采用Chipcon As公司推出的首款符合2.4 GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器CC2420。它采用O-QPSK調(diào)制方式，最大收發(fā)波特率250 kB/s，碼片速率達(dá)2 MChip/s，電流能耗僅為RX：19.7 mA，TX：17.4 mA，接收靈敏度高達(dá)-99 dBm，內(nèi)部集成有VCO,LNA,PA和電源整流器，支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測、16 bit CRC校驗(yàn)、電源檢測、完全自動(dòng)MAC層安全保護(hù)，并通過4總線SPI接口與微處理器相連，安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗干擾能力強(qiáng)[7]。

3 報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 報(bào)警終端軟件功能

如圖7所示，當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，打開監(jiān)控軟件接收按鈕，軟件自動(dòng)接收傳感器采集的數(shù)據(jù)信息并顯示在界面上的編輯框中，同時(shí)在后臺(tái)進(jìn)行分析，接收數(shù)據(jù)的傳感器ID號與預(yù)設(shè)的地址進(jìn)行匹配，并且與報(bào)警閾值進(jìn)行比較判斷。藍(lán)色節(jié)點(diǎn)表示監(jiān)測區(qū)域沒有目標(biāo)，不閃爍。當(dāng)熱釋電紅外傳感器報(bào)警時(shí)，界面上與之匹配的節(jié)點(diǎn)閃爍并顯示綠色；當(dāng)超聲波傳感器工作時(shí)，界面上與之匹配的節(jié)點(diǎn)閃爍并顯示黃色；當(dāng)目標(biāo)距離小于報(bào)警閾值，紅外—超聲波聯(lián)合報(bào)警時(shí)，界面上與之匹配的節(jié)點(diǎn)閃爍顯示紅色。當(dāng)系統(tǒng)停止工作時(shí)點(diǎn)擊界面上的關(guān)閉按鈕，軟件結(jié)束工作。

圖7 報(bào)警終端軟件功能圖

3.2 聯(lián)合報(bào)警軟件實(shí)現(xiàn)

本文用s1表示熱釋電紅外傳感器的值，當(dāng)s1=T時(shí)表示紅外傳感器探測到目標(biāo)，當(dāng)s1=F時(shí)表示熱釋電紅外傳感器沒有探測到目標(biāo)；k表示超聲波傳感器開關(guān)信號，s2=50 cm作為閾值，當(dāng)s2≤50時(shí)表示目標(biāo)侵入監(jiān)測區(qū)，否則不在。根據(jù)界面接收到的信息進(jìn)行判斷，然后調(diào)用不同顏色的位圖，如圖8所示，把數(shù)據(jù)分成4種情況。讀取到數(shù)據(jù)時(shí)，首先判斷s1是否為真，為“否”，則顯示藍(lán)色節(jié)點(diǎn)；如果是顯示綠色節(jié)點(diǎn)，令k=1，表示激活超聲波傳感器并顯示黃色節(jié)點(diǎn)，再判斷s2是否小于等于50，判斷為“是”，顯示紅色節(jié)點(diǎn)，判斷為“否”，則繼續(xù)顯示黃色節(jié)點(diǎn)。更改節(jié)點(diǎn)顯示顏色后如果重新接收到新數(shù)據(jù)就進(jìn)行下一循環(huán)的判斷，沒有接收到新數(shù)據(jù)即結(jié)束。

圖8 報(bào)警軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測試

本文在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對設(shè)計(jì)的紅外—超聲波無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試。表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示了超聲波傳感器測定距離的準(zhǔn)確度，在目標(biāo)距離475,200,50 cm條件下，誤差范圍小于1 cm。

表1 超聲波傳感器測距精度測試

5 結(jié)束語

本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于周界入侵探測，設(shè)計(jì)了一種紅外—超聲波聯(lián)合報(bào)警節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)基于GAINz平臺(tái)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，分別設(shè)計(jì)前端探測模塊、無線通信模塊和數(shù)字處理模塊。工作時(shí)，各節(jié)點(diǎn)使用Zig Bee技術(shù)組織網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行無線通信，熱釋電紅外傳感器對進(jìn)入限制區(qū)域監(jiān)控范圍的人體目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別并觸發(fā)超聲波傳感器，利用超聲波測距原理對目標(biāo)距離進(jìn)行測定，對小于安全距離的目標(biāo)進(jìn)行報(bào)警。通過實(shí)驗(yàn)室測試，被動(dòng)式紅外報(bào)警和觸發(fā)式超聲波報(bào)警相結(jié)合，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)周界入侵報(bào)警功能，既能降低單一傳感器的錯(cuò)報(bào)漏報(bào)的概率，又能夠減少能耗。

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