無線傳感器網絡在安防系統中的應用

夏蒞武 王衛強 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

無線傳感器網絡在安防系統中的應用

夏蒞武1王衛強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絡運用于安防系統中，該系統是以微波傳感器作為感應終端，通過無線通信方式形成的一個多跳、自組織的網絡系統，它集數據采集、報警、遠程控制于一身，具有實時性高，安全可靠的特點。

無線傳感器網絡；微波傳感器；安防系統

引言

變電站作為電力能源的中轉中心，其安全性不僅關系到整個社會的正常生產及生活，而且也關系到人民的生命、財產安全。傳統的監控方法多采用有線方式，其缺點是布線麻煩，增減設備需要重新布線，而且影響美觀；系統安裝和維護成本高，移動性能差，升級和維護都不方便。微機電系統（MEMS）與無線通信、移動計算以及自組織網絡技術的緊密結合，孕育出了一種新的信息獲取、傳輸、處理的智能網絡——無線傳感器網絡[1]。無線傳感器網絡具有自組織性、魯棒性和隱蔽性等特點，對進入傳感器監測區域的目標進行監測有其自身的優勢[2-8]。本文設計的基于無線傳感器網絡的安防系統，是一種集數據采集、報警、遠程控制于一身，實時性高，安全可靠的報警系統。既節省了人力資源，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、變電站使用。

1 系統結構

系統結構如圖1所示，包括感應終端、網關節點、前置機和后臺展示系統。感應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節點。WSN節點一方面采集各傳感器發來的數據，另一方面，分別部署于作業現場周界的多個WSN節點相互形成自組織網絡，將數據以無線方式傳輸至網關。網關節點是WSN網絡采集數據的匯聚中心，經由匯聚節點，現場數據即可上傳前置機，并最終發送至監控中心。前置機作為現場數據處理的嵌入式系統，負責對數據進行分析和處理，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，前置機將數據通過有線或無線方式上傳監控中心，并接收監控中心下達的進一步指令，比如報警、燈光指示燈。

圖1 系統結構圖

2 硬件設計

系統的硬件結構如圖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。本系統傳感器采用微波探測器，負責采集監控區域的入侵信息；處理器采用高性能的ATmega1281處理器，負責存儲和處理采集的數據和其它節點發來的數據；通信模塊采用AT86RF231芯片，負責與其它傳感器節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據；報警模塊采用聲光報警，在出現異常情況時及時地提醒人員盡快采取措施，減少危險，避免災難性后果的出現；電源模塊為整個系統提供運行所需的電源，系統采用電池供電。

圖2 硬件結構

2.1 傳感器模塊

傳感器節點負責采集監測區域的周界信息。系統采用的傳感器是GH100微波移動傳感器，它由介質振蕩器（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、塵埃等周圍環境因素影響，適合惡劣環境，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射能量的反射強度有關，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、協調各功能模塊的正常工作，并對報警信息做出相應的處理，包括信息記錄、現場報警、遠程通信報警等。系統采用的是高性能的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256KB的Flash存儲器、8KB的SRAM數據存儲器(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)進行數據讀寫操作，由串行時鐘( SCK)控制讀寫操作。處理器與外圍設備連接圖如4所示。

圖4 處理器與外圍設備連接圖

圖5 軟件流程圖

2.3 報警模塊

報警模塊包括現場報警和遠程報警，均采用聲光報警。現場報警用蜂鳴器和LED燈來實現。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點監測到有人入侵時，在實現現場報警的同時將數據傳輸給后臺，在屏幕上顯示告警信號。

3 軟件設計

當系統建立了一個網絡后，終端設備（微波傳感器入侵檢測節點）請求加入該網絡。終端設備成功加入該網絡后，傳感器節點定時采集數據，因經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，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轉換，當檢測到的幅值高于設定的閾值時認為報警事件產生，處理器置位相關引腳發出報警信號，同時將入侵信息傳送到監控中心。軟件設計流程如圖5所示。

4結語

本文詳細介紹了系統所使用的各個模塊，實現了對遠程目標的實時監控，系統穩定性高，體積小，安全可靠，便于安裝，傳感器的選擇適合電力設備系統的設計要求，并將整個系統安裝于半球型塑料殼內，它防水性能好，質量優良，可以很好的保護內部元器件，適合于野外條件惡劣的場合。

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

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[4]孫利民.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社,2005.

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[8]M.Waelchli,P.Skoczylas,M.Meer,and T.Braun, Distributed Event Localization and Tracking with Wireless Sensors, 5th International Conference on Wired/Wireless Internet Communications(WWIC’07),Coi mbra,Portugal,May23～25

[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；王衛強（1979-），男，河南省委辦公廳電力管理科，高工（鄭州450003）。