基于無線傳感器網絡的防盜墓系統設計

馬亞松，韓焱，邵云峰，李坤

（中北大學信息探測與處理技術研究所，山西 太原 030051）

基于無線傳感器網絡的防盜墓系統設計

馬亞松，韓焱，邵云峰，李坤

（中北大學信息探測與處理技術研究所，山西 太原 030051）

針對盜墓形勢日益嚴重，傳統防盜墓措施已經不能解決“高科技盜墓技術”出現的問題，提出一種基于無線傳感器網絡的防盜墓系統設計方案。該系統采用動態選擇工作節點和對崗哨節點進行閾值設置的方式降低了系統的功耗；采用改進型Infrastructure結構，解決室內多遮擋無線傳輸衰減問題；利用無線網橋，完成遠程控制平臺對偏僻墓穴的實時監測。測試結果表明：對盜墓者定位與軌跡跟蹤結果精確，無線傳輸距離≥13km，傳輸速率達16Mb/s，數據傳輸性能良好。

防盜墓；無線傳感器網絡；多遮擋；動態選擇；Infrastructure結構；無線網橋

0 引言

近些年來盜墓[1]現象日益突發，不僅會給墓穴造成極大的破壞，而且會讓眾多有價值的文物流失，使得考古學家難以對文物進行正確的考證。為了防止盜墓，古人采取了許多措施，例如設置“疑冢”“機關”“形制”等。但是隨著盜墓技術的不斷“發展”，古人的防盜墓技術已經捉襟見肘。

考慮到采集現場為具有很高文化價值的墓穴，有線布設不但難度大，而且容易對墓穴造成破壞。無線傳感器網絡[2-5]因其網絡覆蓋范圍大、自組織、動態拓撲、低功耗、易布設等特點非常適合墓穴的特殊環境。無線傳感器網絡的工作方式使得它在特殊環境中的使用有明顯優勢，在遠距離、多傳感的傳輸方面也可以有效解決有線帶來的布設難度大、高成本、隱蔽性差等問題。

針對現代防盜墓系統，國外鮮有研究，我國是文物大國，對現代防盜墓系統做出了許多有益的研究。文獻[6]提出采用ZigBee組網的方式完成對地震波信號的采集，但傳輸速率較慢，傳輸距離較短。文獻[7]提出利用SuperE RTU解決無線遠距離傳輸的問題，但數傳電臺的傳輸速率很難達到系統要求。本文設計采用改進的Infrastructure拓撲結構，有效地解決了無線信號在多遮擋下的傳輸問題，選擇傳輸距離長達13 km的無線網橋[8-9]作為無線傳輸的中繼，滿足系統對遠距離傳輸速率與距離的要求。

1 系統整體設計

系統用無線傳感器網絡覆蓋被測區域，完成對目標的信息采集。每一個被測區域都有一個中心無線AP，負責信息的匯總與處理。無線AP通過網線與無線網橋連接，無線網橋再通過無線方式將數據傳送到遠程的控制平臺上。系統總體結構圖如圖1所示。

遠程控制平臺對采集到的數據分別進行目標定位與軌跡跟蹤[10]。目標定位中采用任意多元定位算法，滿足節點的任意安裝特性，實用性更強。軌跡跟蹤對定位數據進行軌跡繪制，根據機動目標模型對定位數據進行匹配濾波。

圖1 系統總體結構圖

圖2 墓室組網與節點布設示意圖

2 硬件設計

2.1 無線傳感器網絡組網設計

Infrastructure結構是WIFI網絡應用最為廣泛的結構，它是STA（工作站）和無線AP共同搭建起來的網絡結構，整個網絡成星狀，中間的無線AP起橋接作用，這樣所有的STA就可以通過無線AP與其他有線或無線網絡進行信息交互。在這種結構中，無線AP是最為重要的部分，因為它決定所支持STA的數量、WIFI熱點的覆蓋范圍、安全級別等。

考慮到墓穴中的墓室眾多、復雜和不規則，而單無線AP所支持的STA數量有限，所以采取改進型Infrastructure結構，一個墓室放置一個無線AP+無線路由器[11]的方式，所有無線路由器用其WDS功能進行級聯，所有節點通過各自中心無線AP組成一個整體網絡，最大程度保證了無線信號在墓室遮擋嚴重的情況下的保真傳輸，組網示意圖如圖2所示。

2.2 無線傳感器網絡節點的布設

由于墓穴中的墓室分布具有多樣、隱蔽和空間不規則等特點，有規律地布設傳感器陣列不現實。該設計采用的是任意多元方式布設傳感器節點，根據墓室實際情況進行無規則高密度布設。節點布設圖如圖2所示。

2.3 基站

基站選擇能遠距離傳輸的無線網橋，采用先進的OFDM調制技術，2.4G/5.8GHz頻段，符合IEEE802.11n標準，具有速率高、距離遠等優勢。支持300Mb/s網橋模式，網橋模式可達15km傳輸距離，800mW（29dBm）輸出功率可調。天線選用2.4G高增益柵狀無源天線，增益為27 dBi。被測區與終端各放置一套無線網橋+定向天線，被測區基站選擇AP（無線接入點）模式，終端基站選擇STA（站）模式。

2.4 無線傳感器網絡節點設計

傳感器節點[12]對聲源進行定位跟蹤，節點采用高保真半球形拾音頭為傳感器模塊，S3C6410為處理器，HX-M02 WIFI為無線通信模塊。節點硬件框圖如圖3所示。

考慮到整體硬件電路設計尺寸問題，將其內嵌到半球形外殼里面，外接WIFI天線。實際安裝方便，只需將節點固定到指定地點即可。

圖3 節點硬件框圖

3 功能實現

3.1 自動報警與動態跟蹤

當沒有移動目標出現時，某些少量崗哨節點對聲音強度進行周期性的采樣，其余大部分節點處于休眠狀態，這時無線傳感器網絡用于狀態監測。當崗哨節點發現聲音強度超過某一閾值時，節點會進行兩個工作：1）直接將目標入侵信息發送給最近的無線AP，通過無線AP發送給基站，最后由基站發回遠程控制平臺，提示目標入侵報警；2）喚醒鄰近節點，與崗哨節點一起對聲源進行采樣，啟動目標跟蹤任務。當聲源分貝低于設置的閾值時重新自動休眠，由下一批鄰近聲源的節點開始跟蹤任務。這樣就很大程度降低了系統的整體能耗，延長網絡壽命。自動報警與動態跟蹤示意圖如圖4所示。

圖4 自動報警與動態跟蹤示意圖

閾值設定：墓穴可以考慮為理想安靜環境，實際測試為較安靜環境，用精密1級聲級計測得人的走路聲大約為40dB，墓穴節點的聲音閾值應設定為30dB左右。

3.2 自動報警與動態跟蹤

圖5 任意多元定位算法

在無線傳感器網絡中對目標的定位是目標跟蹤的基礎，由于傳感器是采用任意元、不規則的布設方式，所以定位算法不能再采用傳統的特殊規則陣列定位算法。該系統采用任意多元定位算法，符合傳感器節點動態變換的過程。定位原理如圖5所示。

如圖所示，其中P0為參考坐標系原點，其他傳感器Pi坐標已知，點P為聲源位置，聲音在介質中的傳播速度為c，Ri為聲源P到傳感器Pi的距離，t0i為Pi到P0的時間差，則R0i=ct0i=Ri-R0，所以可建立n個定位方程：

式中：

整理上式可得如下方程組：

求解上述方程組可得到聲源的坐標P（x，y，z）。當方程個數大于未知數的個數時，等價于非線性最優化問題，采用最小二乘解與迭代法修正得到定位算法的優化值。

4 實驗測試

4.1 網橋拉距實驗

網橋拉距實驗的目的是檢測無線網橋在遠距離的極限傳輸速率，無線網橋的接收端放置在山頂，發射端放置在山下的馬路上。使用激光校準定向天線方向，接收端用上位機接收數據，顯示碼率，實際距離由GPS測距儀測得，不同距離下測得的無線網橋傳輸速率如表1所示。

表1 網橋在不同距離下的傳輸速率

無線網橋的搭建十分方便，并且該系統完全擺脫了對固定電源和無線網絡的依賴，這使得該系統對環境的適應能力更強，例如在災后或者沒有4G基站的情況下完成遠距離高速無線傳輸。

圖6 室內節點布設圖

圖7 軌跡跟蹤結果

4.2 模擬墓穴實驗

實驗中，選用一層多房間的實驗室模擬墓穴環境，將節點隨機大密度的擺放在墻壁、屋頂、走廊。每一個房間放置一個無線AP，最后由無線網橋把數據遠距離傳輸到另一個樓房中的控制平臺上。控制平臺的上位機將目標的位置及時顯示出來，并與預定的軌跡進行比較。

室內節點布設如圖6所示，軌跡跟蹤結果如圖7所示。

5 結束語

系統用多室結構的樓層模擬真實墓穴，對人員目標進行了精確的軌跡跟蹤定位。充分考慮墓穴多遮擋、偏僻、非破壞性的真實環境，采用多無線AP方式的改進型Infrastructure結構，有效解決了無線信號在多遮擋室內衰減嚴重的問題。利用無線網橋將WIFI傳輸距離擴展到了13km，傳輸速率達16Mb/s，符合實際遠距離、高速傳輸要求。聲音采集節點，具備低功耗、易安裝、動態選擇等特性，算法配合節點的任意多元方式完成定位、軌跡跟蹤工作。這對在多遮擋情況下無線傳感器組網以及無線傳感器網絡遠距離、高速傳輸具有積極意義。

[1]古墓的“防盜門”[J].小學科學，2013（10）：12-13.

[2]黃建清，王衛星，姜晟，等.基于無線傳感器網絡的水產養殖水質監測系統開發與試驗[J].農業工程學報，2013（4）：183-190.

[3]PRASAD P.Recent trend in wireless sensor network and its applications:a survey[J].Sensor Review，2015，35（2）：229-236.

[4]戴歡.無線傳感器網絡定位算法及其應用研究[D].無錫：江南大學，2012.

[5]司海飛，楊忠，王珺.無線傳感器網絡研究現狀與應用[J].機電工程，2011（1）：16-20.

[6]王濤，李冠越，劉文博.基于ZigBee的古墓葬群防盜報警系統[J].電子測試，2013（增刊2）：67-69.

[7]王剛.SuperE RTU在防盜墓系統中的應用[J].自動化博覽，2004（5）：104-105.

[8]賀穎穎.基于無線網橋技術的油田視頻監控系統的實現[D].濟南：山東大學，2015.

[9]曹恒，梅凱，姜崇，等.基于無線網橋的遠程數據采集實時狀態監測系統[J].儀表技術與傳感器，2010（6）：44-47.

[10]林瑞仲.面向目標跟蹤的無線傳感器網絡研究[D].杭州：浙江大學，2005.

[11]朱山.室內無線傳播及覆蓋性能研究[D].武漢：華中科技大學，2012.

[12]吳超.基于ARM的無線傳感器網絡節點的設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

（編輯：商丹丹）

Design of theft-proof tomb system based on w ireless sensor network

MA Yasong，HAN Yan，SHAO Yunfeng，LI Kun
（Institute of Information Detection and Processing Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

With growing cases of grave robbery，the conventional theft-proof tomb measures can no longer avoid high-tech robbery.To address this problem，a design scheme of a theft-proof tomb system based on wireless sensor network is proposed.The system reduces power consumption through dynamic selection of work nodes and threshold value setting of sentry nodes.Improved Infrastructure structure is applied to tackle the wireless transmission attenuation problem because of multi-occlusion in the tomb and wireless bridge is used for real-time monitoring of desolate tomb through remote control platform.Test results show that the proposed method can accurately locate and track the tomb-robber，with wireless transmission distance being no less than 13km and transmission rate up to 16Mb/s，showing excellent data transmission performance.

theft-proof tomb；wireless sensor network；multi-occlusion；dynamic selection；Infrastructure structure；wireless bridge

A

1674-5124（2017）05-0066-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.05.014

2016-07-19；

2016-09-20

國家自然科學基金（61471325）；高等學校博士學科點專項科研基金（博導類）（20121420110006）；國防重點實驗室基金（9140c12040051010）

馬亞松（1990-），男，河北晉州市人，碩士研究生，專業方向為信號處理與定位算法、無線傳感器網絡。