監(jiān)獄環(huán)境下基于無線傳感器網絡技術的監(jiān)控報警系統(tǒng)設計

李進亮

摘要：筆者基于對當前監(jiān)獄監(jiān)控報警系統(tǒng)發(fā)展的研究基礎上，結合自己的實際工作經驗，對一種結合熱釋電紅外和超聲波傳感技術無線傳感器網絡監(jiān)控報警系統(tǒng)的設計進行闡述，遵循的原則是兩種技術之間的優(yōu)勢互補，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)在設計和實現(xiàn)過程中存在的問題而展開相關的討論，希望可以對同行有一定的借鑒意義。

關鍵詞：無線傳感器；監(jiān)獄環(huán)境；報警系統(tǒng)；設計

對于無線傳感器網絡來說，其主要組成是部署在監(jiān)測區(qū)域內的微型傳感器節(jié)點。這些部件具有量大而價格低廉的特點，通過無線的方式進行連接，從而組成一個多跳自組織網絡系統(tǒng)。隨著計算機技術的快速發(fā)展，傳感器技術、現(xiàn)代網絡技術等多種技術也在不斷完善，功耗低、功能多而成本低的微型無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)點協(xié)同組織起來，就組成了無線傳感器網絡。其節(jié)點能夠實現(xiàn)在目標環(huán)境中的隨機或者特定布置，利用一種特定的協(xié)議進行組織，實時監(jiān)測著目標信息。信息處理在嵌入式元件中實現(xiàn)，信息經過無線通信網絡發(fā)送給遠程用戶，以協(xié)同合作的方式來完成任務。

1 監(jiān)控報警系統(tǒng)設計分析

1.1 系統(tǒng)總體相關介紹

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

本文對監(jiān)獄監(jiān)墻無線傳感器網絡監(jiān)控報警系統(tǒng)的設計進行深入討論，研究將熱釋電紅外傳感器和超聲波傳感器有效結合來使用的系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其兩方面優(yōu)勢互補的特點。本文所提到的系統(tǒng)，是指將傳感器節(jié)點布設在監(jiān)獄的墻上，如果監(jiān)獄犯人靠近監(jiān)墻，就能夠通過這個系統(tǒng)對具體的情況進行實時監(jiān)測，進而為監(jiān)獄監(jiān)墻報警提供可靠的依據(jù)。形象地觀察這個系統(tǒng)的工作可如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)總體設計方案

1.2.1 系統(tǒng)工作流程

本文所論述及設計的監(jiān)控報警系統(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，這個系統(tǒng)就可以發(fā)揮組合報警的功能，從而發(fā)出報警的信號，讓勤務人員可以及時發(fā)現(xiàn)問題，并采取有效的應對措施。

通常來講，報警系統(tǒng)都是由前端設備、傳輸設備和控制/顯示/處理/記錄設備3個部分來組成。在前端設備當中，包含有一個或者多個探測器。對于人類等可發(fā)熱物體，一旦進入到了系統(tǒng)警戒的區(qū)域，溫度超過了-273℃的絕對溫度，就會發(fā)出9.5um峰值波長的紅外線，熱釋電紅外傳感器的探測器可以在一定的距離之內感應到紅外信號，在傳感器的作用下，能夠將探測出來的信息進一步轉化為電信號，然后輸出到微處理器中，熱釋電紅外傳感器的感應范圍定為8m，超聲波探測所能到達的最遠距離為6m，比紅外傳感器最大的探測范圍小2m。一旦有目標接近警戒區(qū)域的時候，首先探測到目標的就是熱釋電紅外傳感器。在測距原理下，節(jié)點上的超聲波傳感器對目標進行測距，這個目標要在探測的范圍內才行，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，在無線傳感器網絡的協(xié)助下，進一步發(fā)送到Sink節(jié)點上，然后再經過串口，到達監(jiān)控室的監(jiān)控主機，通過監(jiān)控終端軟件顯示出來。

可以這樣設計系統(tǒng)：目標靠近一定范圍的時候，可以將紅外單獨報警設為一級報警系統(tǒng)，將超聲波單獨報警時的設置定為二級報警系統(tǒng)，而當兩極傳感器發(fā)生報警信號的時候，才會輸出三級報警信號，也可將其定為最高級報警信號。一級和二級主要發(fā)揮警示的功能，要求當時的執(zhí)勤人員要對復核情況進行查看，在三級報警的時候，就可以確認為直接報警的情況。這樣是為了避免上文提到的因為單一傳感器存在漏洞而出現(xiàn)漏報的問題，同時也能對誤報率加以控制。要注意在監(jiān)控終端軟件上，預留相關的備用接口，用于系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)連接，實現(xiàn)與主機視頻監(jiān)控系統(tǒng)連動。如果在系統(tǒng)內出現(xiàn)報警的情況，可以在程序設置的報警系統(tǒng)下進行連動動作，而這個報警區(qū)域中的圖像和視頻等可以經過主機終端在視頻監(jiān)控上顯示出來，從而方便復核和確認工作的開展。結合當時設置的報警等級能夠采取相關的連動動作。

1.2.2 節(jié)點軟硬件平臺的設計分析

對于硬件平臺的設計，筆者認為則配備有與通信和傳感相關的器件，同時選擇這些器件應當要遵循成本低、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)點硬件平臺設計包含有以下10個部分：傳感器模塊兩個、RS232串口通信接口、外接電源接口、無線通信天線、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（需要與無線傳感器網絡通信兼容）。

對于硬件設計來說，筆者認為需要對其進行相關的性能仿真，從而確定出硬件的設計是否正確，在完成一部分的時候就應當馬上進行調試，目的就是保證整個系統(tǒng)的整體聯(lián)調，讓系統(tǒng)硬件的設計出現(xiàn)的誤差最小。

節(jié)點軟件設計系軟件平臺開發(fā)的主要任務，主要就是對節(jié)點進行控制，同時對其采集來的信息進行實施聚集和處理，然后通過不同的節(jié)點在無線網絡之間實現(xiàn)傳遞，最后傳到后臺的監(jiān)控機中。

在節(jié)點軟件平臺中，要求實現(xiàn)3個功能，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、無線和JTAG仿真器連接等三種通信方式。

完成了軟件平臺設計之后，就需要在軟件中開展可靠性測試和正確性測試，便于發(fā)現(xiàn)問題之后可以及時采取解決的方案。

1.3 系統(tǒng)工作原理及其特點介紹

1.3.1 熱釋電紅外傳感器

熱釋電材料自發(fā)極化強度在不同的溫度下，能夠產生熱釋電效應，這種效應能夠對紅外輻射能力進行探測，這就是熱釋電探測器的工作原理。其具有的特點是探測率較高、響應的速度較快，并且能夠在室溫下開展工作。

1.3.2 超聲波傳感器報警技術

這種技術的工作原理，就是基于人們在發(fā)生位移的時候對超聲波產生干擾，響應人體在移動過程中所發(fā)射出來的超聲波，然后發(fā)生報警。在報警的時候，主要是對電路進行定時控制，實現(xiàn)功能的途徑是把檢測出來的超聲波信號轉變?yōu)橄嚓P的信號，這個信號是與距離存在關系的。在計數(shù)方面，則通過時鐘脈沖來計算發(fā)送和接收之間所產生的延遲時間，而有一點有必要認識清楚，那就是超聲波的傳播時間應當用每個計數(shù)脈沖周期時間與計數(shù)值之間的乘積。

2 結語

無線傳感器網絡技術在當前不斷發(fā)展的電子技術水平下得以良好的發(fā)展，其已經廣泛地被應用在工業(yè)和學術界當中。這項技術與網絡技術、計算機技術等可以完美地結合在一起，今后監(jiān)控報警系統(tǒng)的一大發(fā)展趨勢也應當是完善系統(tǒng)結構。筆者對無線傳感器網絡技術進行了深入的研究，提出了一種在熱釋電紅外傳感器和超聲波的無線傳感器網絡監(jiān)控系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具備的特點較多，其應用前景比較可觀。