監(jiān)獄環(huán)境下基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李進(jìn)亮

摘要：筆者基于對(duì)當(dāng)前監(jiān)獄監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)發(fā)展的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)一種結(jié)合熱釋電紅外和超聲波傳感技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，遵循的原則是兩種技術(shù)之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，能夠解決過去單一傳感器中存在的漏洞問題，也是一種較為理想的人工智能安防系統(tǒng)。同日寸，文章圍繞這種系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中存在的問題而展開相關(guān)的討論，希望可以對(duì)同行有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器；監(jiān)獄環(huán)境；報(bào)警系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，其主要組成是部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)。這些部件具有量大而價(jià)格低廉的特點(diǎn)，通過無(wú)線的方式進(jìn)行連接，從而組成一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)也在不斷完善，功耗低、功能多而成本低的微型無(wú)線傳感器越來越普遍。這些傳感器在數(shù)據(jù)收集、協(xié)同合作等功能上，都表現(xiàn)出一定的優(yōu)越性。大量的傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同組織起來，就組成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。其節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)在目標(biāo)環(huán)境中的隨機(jī)或者特定布置，利用一種特定的協(xié)議進(jìn)行組織，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)著目標(biāo)信息。信息處理在嵌入式元件中實(shí)現(xiàn)，信息經(jīng)過無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程用戶，以協(xié)同合作的方式來完成任務(wù)。

1 監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

1.1 系統(tǒng)總體相關(guān)介紹

監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效地提高監(jiān)獄看守的安防效率，目前我國(guó)乃至全世界的監(jiān)獄和看守所都配備有相關(guān)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。盡管運(yùn)用了這些技術(shù)之后，能夠在監(jiān)控后端獲得較為清晰的圖像和信息，但是從當(dāng)前的安防工作需求來看，視頻監(jiān)控技術(shù)依然存在不足，因?yàn)橐曨l監(jiān)控技術(shù)需要人的雙眼來獲取和觀察視頻中的信息，這樣容易讓人產(chǎn)生視覺疲勞，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致精神不夠集中等問題。鑒于當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)存在的漏洞，今后其發(fā)展趨勢(shì)必定是無(wú)人值守、智能化的。

本文對(duì)監(jiān)獄監(jiān)墻無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入討論，研究將熱釋電紅外傳感器和超聲波傳感器有效結(jié)合來使用的系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其兩方面優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的特點(diǎn)。本文所提到的系統(tǒng)，是指將傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)在監(jiān)獄的墻上，如果監(jiān)獄犯人靠近監(jiān)墻，就能夠通過這個(gè)系統(tǒng)對(duì)具體的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而為監(jiān)獄監(jiān)墻報(bào)警提供可靠的依據(jù)。形象地觀察這個(gè)系統(tǒng)的工作可如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.2.1 系統(tǒng)工作流程

本文所論述及設(shè)計(jì)的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，主要目的是防止服刑犯人攀越監(jiān)墻的行為發(fā)生。如果犯人靠近警戒區(qū)域，這個(gè)系統(tǒng)就可以發(fā)揮組合報(bào)警的功能，從而發(fā)出報(bào)警的信號(hào)，讓勤務(wù)人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并采取有效的應(yīng)對(duì)措施。

通常來講，報(bào)警系統(tǒng)都是由前端設(shè)備、傳輸設(shè)備和控制/顯示/處理/記錄設(shè)備3個(gè)部分來組成。在前端設(shè)備當(dāng)中，包含有一個(gè)或者多個(gè)探測(cè)器。對(duì)于人類等可發(fā)熱物體，一旦進(jìn)入到了系統(tǒng)警戒的區(qū)域，溫度超過了-273℃的絕對(duì)溫度，就會(huì)發(fā)出9.5um峰值波長(zhǎng)的紅外線，熱釋電紅外傳感器的探測(cè)器可以在一定的距離之內(nèi)感應(yīng)到紅外信號(hào)，在傳感器的作用下，能夠?qū)⑻綔y(cè)出來的信息進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后輸出到微處理器中，熱釋電紅外傳感器的感應(yīng)范圍定為8m，超聲波探測(cè)所能到達(dá)的最遠(yuǎn)距離為6m，比紅外傳感器最大的探測(cè)范圍小2m。一旦有目標(biāo)接近警戒區(qū)域的時(shí)候，首先探測(cè)到目標(biāo)的就是熱釋電紅外傳感器。在測(cè)距原理下，節(jié)點(diǎn)上的超聲波傳感器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，這個(gè)目標(biāo)要在探測(cè)的范圍內(nèi)才行，而微處理器將傳感器模塊得到的信息加以處理，再傳到通信模塊上的射頻芯片，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)助下，進(jìn)一步發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn)上，然后再經(jīng)過串口，到達(dá)監(jiān)控室的監(jiān)控主機(jī)，通過監(jiān)控終端軟件顯示出來。

可以這樣設(shè)計(jì)系統(tǒng)：目標(biāo)靠近一定范圍的時(shí)候，可以將紅外單獨(dú)報(bào)警設(shè)為一級(jí)報(bào)警系統(tǒng)，將超聲波單獨(dú)報(bào)警時(shí)的設(shè)置定為二級(jí)報(bào)警系統(tǒng)，而當(dāng)兩極傳感器發(fā)生報(bào)警信號(hào)的時(shí)候，才會(huì)輸出三級(jí)報(bào)警信號(hào)，也可將其定為最高級(jí)報(bào)警信號(hào)。一級(jí)和二級(jí)主要發(fā)揮警示的功能，要求當(dāng)時(shí)的執(zhí)勤人員要對(duì)復(fù)核情況進(jìn)行查看，在三級(jí)報(bào)警的時(shí)候，就可以確認(rèn)為直接報(bào)警的情況。這樣是為了避免上文提到的因?yàn)閱我粋鞲衅鞔嬖诼┒炊霈F(xiàn)漏報(bào)的問題，同時(shí)也能對(duì)誤報(bào)率加以控制。要注意在監(jiān)控終端軟件上，預(yù)留相關(guān)的備用接口，用于系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)與主機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)連動(dòng)。如果在系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)報(bào)警的情況，可以在程序設(shè)置的報(bào)警系統(tǒng)下進(jìn)行連動(dòng)動(dòng)作，而這個(gè)報(bào)警區(qū)域中的圖像和視頻等可以經(jīng)過主機(jī)終端在視頻監(jiān)控上顯示出來，從而方便復(fù)核和確認(rèn)工作的開展。結(jié)合當(dāng)時(shí)設(shè)置的報(bào)警等級(jí)能夠采取相關(guān)的連動(dòng)動(dòng)作。

1.2.2 節(jié)點(diǎn)軟硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)分析

對(duì)于硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，筆者認(rèn)為則配備有與通信和傳感相關(guān)的器件，同時(shí)選擇這些器件應(yīng)當(dāng)要遵循成本低、耗能小和體積小等原則，而且需要可編程性和可配置性高等要求。

本文所討論的節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)包含有以下10個(gè)部分：傳感器模塊兩個(gè)、RS232串口通信接口、外接電源接口、無(wú)線通信天線、干電池供電模塊、備用傳感器接口、MCU（需要具備有存儲(chǔ)功能）、數(shù)據(jù)處理、JTAG仿真編程器接口和射頻芯片（需要與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信兼容）。

對(duì)于硬件設(shè)計(jì)來說，筆者認(rèn)為需要對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的性能仿真，從而確定出硬件的設(shè)計(jì)是否正確，在完成一部分的時(shí)候就應(yīng)當(dāng)馬上進(jìn)行調(diào)試，目的就是保證整個(gè)系統(tǒng)的整體聯(lián)調(diào)，讓系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)出現(xiàn)的誤差最小。

節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)系軟件平臺(tái)開發(fā)的主要任務(wù)，主要就是對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)其采集來的信息進(jìn)行實(shí)施聚集和處理，然后通過不同的節(jié)點(diǎn)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)傳遞，最后傳到后臺(tái)的監(jiān)控機(jī)中。

在節(jié)點(diǎn)軟件平臺(tái)中，要求實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能，涉及到通信處理、數(shù)據(jù)處理和傳感器數(shù)據(jù)讀取3大部分，而在通信處理中，可將其分為串口、無(wú)線和JTAG仿真器連接等三種通信方式。

完成了軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)之后，就需要在軟件中開展可靠性測(cè)試和正確性測(cè)試，便于發(fā)現(xiàn)問題之后可以及時(shí)采取解決的方案。

1.3 系統(tǒng)工作原理及其特點(diǎn)介紹

1.3.1 熱釋電紅外傳感器

熱釋電材料自發(fā)極化強(qiáng)度在不同的溫度下，能夠產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)，這種效應(yīng)能夠?qū)t外輻射能力進(jìn)行探測(cè)，這就是熱釋電探測(cè)器的工作原理。其具有的特點(diǎn)是探測(cè)率較高、響應(yīng)的速度較快，并且能夠在室溫下開展工作。

1.3.2 超聲波傳感器報(bào)警技術(shù)

這種技術(shù)的工作原理，就是基于人們?cè)诎l(fā)生位移的時(shí)候?qū)Τ暡óa(chǎn)生干擾，響應(yīng)人體在移動(dòng)過程中所發(fā)射出來的超聲波，然后發(fā)生報(bào)警。在報(bào)警的時(shí)候，主要是對(duì)電路進(jìn)行定時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)功能的途徑是把檢測(cè)出來的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄嚓P(guān)的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是與距離存在關(guān)系的。在計(jì)數(shù)方面，則通過時(shí)鐘脈沖來計(jì)算發(fā)送和接收之間所產(chǎn)生的延遲時(shí)間，而有一點(diǎn)有必要認(rèn)識(shí)清楚，那就是超聲波的傳播時(shí)間應(yīng)當(dāng)用每個(gè)計(jì)數(shù)脈沖周期時(shí)間與計(jì)數(shù)值之間的乘積。

2 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在當(dāng)前不斷發(fā)展的電子技術(shù)水平下得以良好的發(fā)展，其已經(jīng)廣泛地被應(yīng)用在工業(yè)和學(xué)術(shù)界當(dāng)中。這項(xiàng)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等可以完美地結(jié)合在一起，今后監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的一大發(fā)展趨勢(shì)也應(yīng)當(dāng)是完善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。筆者對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，提出了一種在熱釋電紅外傳感器和超聲波的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具備的特點(diǎn)較多，其應(yīng)用前景比較可觀。