监狱环境下基于无线传感器网络技术的监控报警系统设计

    李进亮

    

    摘要：笔者基于对当前监狱监控报警系统发展的研究基础上，结合自己的实际工作经验，对一种结合热释电红外和超声波传感技术无线传感器网络监控报警系统的设计进行阐述，遵循的原则是两种技术之间的优势互补，能够解决过去单一传感器中存在的漏洞问题，也是一种较为理想的人工智能安防系统。同日寸，文章围绕这种系统在设计和实现过程中存在的问题而展开相关的讨论，希望可以对同行有一定的借鉴意义。

    关键词：无线传感器；监狱环境；报警系统；设计

    对于无线传感器网络来说，其主要组成是部署在监测区域内的微型传感器节点。这些部件具有量大而价格低廉的特点，通过无线的方式进行连接，从而组成一个多跳自组织网络系统。随着计算机技术的快速发展，传感器技术、现代网络技术等多种技术也在不断完善，功耗低、功能多而成本低的微型无线传感器越来越普遍。这些传感器在数据收集、协同合作等功能上，都表现出一定的优越性。大量的传感器节点协同组织起来，就组成了无线传感器网络。其节点能够实现在目标环境中的随机或者特定布置，利用一种特定的协议进行组织，实时监测着目标信息。信息处理在嵌入式元件中实现，信息经过无线通信网络发送给远程用户，以协同合作的方式来完成任务。

    1 监控报警系统设计分析

    1.1 系统总体相关介绍

    监控系统能够有效地提高监狱看守的安防效率，目前我国乃至全世界的监狱和看守所都配备有相关的视频监控系统。尽管运用了这些技术之后，能够在监控后端获得较为清晰的图像和信息，但是从当前的安防工作需求来看，视频监控技术依然存在不足，因为视频监控技术需要人的双眼来获取和观察视频中的信息，这样容易让人产生视觉疲劳，同时还会导致精神不够集中等问题。鉴于当前监控系统存在的漏洞，今后其发展趋势必定是无人值守、智能化的。

    本文对监狱监墙无线传感器网络监控报警系统的设计进行深入讨论，研究将热释电红外传感器和超声波传感器有效结合来使用的系统，发现其两方面优势互补的特点。本文所提到的系统，是指将传感器节点布设在监狱的墙上，如果监狱犯人靠近监墙，就能够通过这个系统对具体的情况进行实时监测，进而为监狱监墙报警提供可靠的依据。形象地观察这个系统的工作可如图1所示。

    1.2 系统总体设计方案

    1.2.1 系统工作流程

    本文所论述及设计的监控报警系统，主要目的是防止服刑犯人攀越监墙的行为发生。如果犯人靠近警戒区域，这个系统就可以发挥组合报警的功能，从而发出报警的信号，让勤务人员可以及时发现问题，并采取有效的应对措施。

    通常来讲，报警系统都是由前端设备、传输设备和控制/显示/处理/记录设备3个部分来组成。在前端设备当中，包含有一个或者多个探测器。对于人类等可发热物体，一旦进入到了系统警戒的区域，温度超过了-273℃的绝对温度，就会发出9.5um峰值波长的红外线，热释电红外传感器的探测器可以在一定的距离之内感应到红外信号，在传感器的作用下，能够将探测出来的信息进一步转化为电信号，然后输出到微处理器中，热释电红外传感器的感应范围定为8m，超声波探测所能到达的最远距离为6m，比红外传感器最大的探测范围小2m。一旦有目标接近警戒区域的时候，首先探测到目标的就是热释电红外传感器。在测距原理下，节点上的超声波传感器对目标进行测距，这个目标要在探测的范围内才行，而微处理器将传感器模块得到的信息加以处理，再传到通信模块上的射频芯片，在无线传感器网络的协助下，进一步发送到Sink节点上，然后再经过串口，到达监控室的监控主机，通过监控终端软件显示出来。

    可以这样设计系统：目标靠近一定范围的时候，可以将红外单独报警设为一级报警系统，将超声波单独报警时的设置定为二级报警系统，而当两极传感器发生报警信号的时候，才会输出三级报警信号，也可将其定为最高级报警信号。一级和二级主要发挥警示的功能，要求当时的执勤人员要对复核情况进行查看，在三级报警的时候，就可以确认为直接报警的情况。这样是为了避免上文提到的因为单一传感器存在漏洞而出现漏报的问题，同时也能对误报率加以控制。要注意在监控终端软件上，预留相关的备用接口，用于系统与视频监控系统连接，实现与主机视频监控系统连动。如果在系统内出现报警的情况，可以在程序设置的报警系统下进行连动动作，而这个报警区域中的图像和视频等可以经过主机终端在视频监控上显示出来，从而方便复核和确认工作的开展。结合当时设置的报警等级能够采取相关的连动动作。

    1.2.2 节点软硬件平台的设计分析

    对于硬件平台的设计，笔者认为则配备有与通信和传感相关的器件，同时选择这些器件应当要遵循成本低、耗能小和体积小等原则，而且需要可编程性和可配置性高等要求。

    本文所讨论的节点硬件平台设计包含有以下10个部分：传感器模块两个、RS232串口通信接口、外接电源接口、无线通信天线、干电池供电模块、备用传感器接口、MCU（需要具备有存储功能）、数据处理、JTAG仿真编程器接口和射频芯片（需要与无线传感器网络通信兼容）。

    对于硬件设计来说，笔者认为需要对其进行相关的性能仿真，从而确定出硬件的设计是否正确，在完成一部分的时候就应当马上进行调试，目的就是保证整个系统的整体联调，让系统硬件的设计出现的误差最小。

    节点软件设计系软件平台开发的主要任务，主要就是对节点进行控制，同时对其采集来的信息进行实施聚集和处理，然后通过不同的节点在无线网络之间实现传递，最后传到后台的监控机中。

    在节点软件平台中，要求实现3个功能，涉及到通信处理、数据处理和传感器数据读取3大部分，而在通信处理中，可将其分为串口、无线和JTAG仿真器连接等三种通信方式。

    完成了软件平台设计之后，就需要在软件中开展可靠性测试和正确性测试，便于发现问题之后可以及时采取解决的方案。

    1.3 系统工作原理及其特点介绍

    1.3.1 热释电红外传感器

    热释电材料自发极化强度在不同的温度下，能够产生热释电效应，这种效应能够对红外辐射能力进行探测，这就是热释电探测器的工作原理。其具有的特点是探测率较高、响应的速度较快，并且能够在室温下开展工作。

    1.3.2 超声波传感器报警技术

    这种技术的工作原理，就是基于人们在发生位移的时候对超声波产生干扰，响应人体在移动过程中所发射出来的超声波，然后发生报警。在报警的时候，主要是对电路进行定时控制，实现功能的途径是把检测出来的超声波信号转变为相关的信号，这个信号是与距离存在关系的。在计数方面，则通过时钟脉冲来计算发送和接收之间所产生的延迟时间，而有一点有必要认识清楚，那就是超声波的传播时间应当用每个计数脉冲周期时间与计数值之间的乘积。

    2 结语

    无线传感器网络技术在当前不断发展的电子技术水平下得以良好的发展，其已经广泛地被应用在工业和学术界当中。这项技术与网络技术、计算机技术等可以完美地结合在一起，今后监控报警系统的一大发展趋势也应当是完善系统结构。笔者对无线传感器网络技术进行了深入的研究，提出了一种在热释电红外传感器和超声波的无线传感器网络监控系统，这种系统具备的特点较多，其应用前景比较可观。