1 、引言

監獄對于其安防系統設計具有高安全性、穩定性和實時性的要求。目前，監獄系統中所采用的視頻監控系統、報警系統以及門禁系統等都是基于有線通信，這就使得一些不便于布線的區域成為了安防監測的盲區，另外，一成不變的監測區域也給犯罪分子以可乘之機。為預防服刑人員斗毆、自殘、自殺、越獄、襲警等違法犯罪活動，及時準確地掌控和調閱監獄暴力現場、越獄行為等信息資料，構筑人防、物防、技防三位一體的安全防范體系，提出了一種基于無線傳感器網絡的監獄安防系統設計方案。采用無線代替有線可以帶來諸多好處，如，減小部署難度、降低維護成本和增加靈活性，尤其是在那些不能布線或者不便布線的區域。正如西門子樓宇技術組的首席技術專家Helmut Macht所說：“無線通信的創新使越來越多的有線通信將被取代”。然而，由于監獄內部環境的特殊性，在監獄內部采用無線技術會面臨很多問題。首先，采用無線技術會面臨多徑傳輸干擾、傳輸沖突和障礙物反射等問題，這些問題會影響無線網絡的可靠性和可擴展性，影響寬帶通信的數據吞吐量；其次，由于現有絕大多數監測系統都是基于有線網絡來設計的，因此，其原有的高層應用和協議要在無線網絡上應用必須作相應的改進；另外，無線技術要在監獄安防系統中廣泛應用，設備的成本問題也是一個重要的因素，無線通信模塊必須適合監測系統的低成本要求。 本文所研究的基于無線傳感器網絡的監獄安防系統設計，并不是一味地用無線代替有線，而是在現有監獄有線安防系統的基礎上，保留其原有的數據傳輸量較大的視頻、門限等有線監控手段，加入靜態溫度振動敏感無線傳感器網絡和動態實時定位無線傳感器網絡，從而更加完善安防系統，消除監測盲區，使各個子系統的功能相得益彰。

2、 監獄安防系統無線網絡技術

無線傳感器網絡是一組傳感器以Ad Hoc方式組成的有線或者無線網絡，其目的是協作地感知、采集和處理傳感器網絡所覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并傳遞給觀察者。這種傳感器網絡集中了傳感器技術、嵌入式計算機技術和無線通信技術，能協作地感知、監測和采集各種環境下所感知對象的信息，通過對這些信息的協作式信息處理，獲得感知對象的準確信息，然后，通過Ad Hoc方式傳送到需要這些信息的用戶。用于傳感器網絡的傳感器與一般概念的傳感器不同，它除了能夠感測被測物理量的變化并輸出相應的變化信息外，還要具備遠程通信功能，必須是一種智能型的傳感器。另外，要完成通信功能，除具有敏感元件外，還必須具有電源、嵌入式微處理器、存儲器、數據傳輸通信部件等。圖1是典型的傳感器網絡結構圖，它包括傳感節點（sensor），觀測節點（sink）和基站等。

在傳感器網絡中，節點通過飛機布撒、人工布置等方式，大量部署在感知對象內部或者附近。這些節點通過自組織方式構成無線網絡，以協作的方式感知、采集和處理網絡覆蓋區域中特定的信息，可以實現對任意地點信息在任意時間的采集、處理和分析。這種以自組織形式構成的網絡，通過多跳中繼方式將數據傳回sink節點（中轉節點），最后，借助sink鏈路將整個區域內的數據傳送到遠程控制中心進行集中處理。

無線傳感器網絡的基本組成元素是節點，在不同的應用中，傳感器節點設計也各不相同，但它們的基本結構是一樣的。節點的典型硬件結構如圖2所示，主要包括如下幾個單元：傳感單元（由傳感器和模數轉換功能模塊組成），處理單元（由嵌入式系統構成，包括微處理器、存儲器、信號調理電路等）、通信單元（由無線射頻模塊組成），以及電源部分。此外，可以選擇的其他功能單元包括：定位系統、移動系統以及電源自供電系統等。

3 、現場執行層設計方案

3.1 靜態監測系統設計方案

將無線傳感器網絡節點布置在獄室、生產區、制高點、禁閉室、教學區、醫務室等，實現對于監獄的全面覆蓋。將無線傳感器網絡技術引入監獄安防系統，主要是因為在監獄中傳感器節點非常多，布線工程非常大，并且，許多區域不適合采用有線連接，如果采用無線接入方式，則使傳感器的部署變得非常方便，可以方便地增加傳感器節點或改變節點的位置。通過周期性或不定期地改變監測傳感器節點的位置，可以消除現有有線監測系統在監測上的盲區，通過傳感器陣列對目標進行定位。并且，由于監測節點的位置經常變化，犯人無法找到監測漏洞，從而更加完善安防系統。

3.2 動態實時監測系統設計方案

通過將節點佩戴在犯人身上，利用定位機制實時掌握犯人的活動情況。但由于犯人數目較多，故只需傳輸兩類數據：

1） 是犯人的活動范圍超過規定范圍時；

2） 是節點由于受到外力作用或是能量耗盡而失效時，遠程中心必須檢測到缺失的節點。

傳感器節點獲取的數據可以在本地進行簡單處理，然后，進行聚集并傳送到基站（PC機或PDA），監獄的遠程服務器和監測系統對每位被監測犯人的指標進行實時分析，通過專家系統判斷犯人的實時狀況。如果發現犯人出現異?；蛭ｋU則進行報警并快速做出措施。同時，本系統還可以提供其他輔助功能，如犯人的定位跟蹤。通過傳感器網絡在對犯人必要的振動、位置指標進行實時監測的同時還允許犯人在一定范圍內自由活動，這有助于讓患者保持良好的情緒，對于犯人的改造很有幫助。由于每個獄室都部署相應的傳感器，所以，獄警還可以全面掌握犯人的休息情況。當犯人在獄室或在獄室外活動（要求病房外也要部署傳感器網絡）時，獄警仍然可以對其進行定位、跟蹤，并及時獲取其振動、位置指標參數。

將節點佩戴在獄警身上。利用節點上配置的振動傳感器和定位系統，可以實時監控獄警的工作區域和保障其人身安全。一方面當發生突發情況時，如犯人襲警或犯人之間斗毆，監測系統和遠程服務中心迅速做出反應，通知警力迅速到達事發現場進行支援；另一方面，通過對獄警的定位跟蹤，可以掌握獄警的工作情況，有利于提高工作效率。

4 、系統軟硬件設計方案

4.1 傳感器節點的設計

每個傳感器節點包括1只或多只傳感器元件，mote和電池組。傳感器主要探測振動和溫度的數據，mote負責對這些數據進行處理并通過網絡傳輸到基站。

射頻采用nRF9E5，nRF9E5是由挪威Nordic公司推出的系統級RF芯片。其采用GFSK調制，抗干擾能力強；支持多點通信，數據傳輸速率高可達0.1 MB／s；具有特有的Shock Burst信號發射模式和發射信號載波監測功能，可有效地降低功耗電流、避免數據沖突。內部寄存器為用戶提供了基礎的通信協議，便于用戶擴展，因此，很適用于無線數據傳輸系統的設計。nRF9E5的收發器有3種工作方式：Shock Burst接收（RX）方式、Shock Burst發送（TX）方式和空閑方式。nRF9E5收發器的工作方式由特殊功能寄存器TRX_CE和TX_EN決定。

數字振動溫度傳感器DS181320是由Dallas公司開發的微型化、低功耗的可編程單總線數字振動溫度傳感器，可直接將測得的溫度值轉換為數字信號輸出。DS18B20的工作遵循嚴格的單總線協議，即先初始化，然后，發送ROM命令，最后，發送功能命令。初始化包括主機發出復位脈沖（通過將總線拉低至少480μs來實現），主機等待DS18B20發回的存在脈沖。DS18B20則從檢測到復位脈沖的上升沿開始等待15～16μs后，通過將單總線拉低60～240μs，實現存在脈沖的發送。DS18B20的讀寫操作是通過讀寫時序來實現的。因此，采用DS18B20能使電路簡單化，提高節點集成度和振動溫度測量精度。

4.2 軟件設計

本系統是一點對多點通信模式，所以，將通信協議分為3層：第一層為物理層，由nRF9E5模塊硬件實現；第二層為網絡層；第三層為應用層。

網絡層采用TEEN（threshold sensitive energy efficientsensor network protocol）協議。該協議為響應型傳感器網絡協議，只是在被觀測變量發生突變時才傳送數據。由于傳感器節點的能量有限，且不便補充，故使用該協議可有效地節約能量，延長網絡壽命。另外，在監獄安防系統中，只有當振動和溫度數據產生突變時，才需要傳輸數據，而持續的以恒定速率發送監測數據給sink節點對于監獄安防系統來說是不必要的。圖3、圖4分別為主機模塊軟件流程圖和節點模塊軟件流程圖。

在具體應用中，TEEN中定義了硬、軟2個門限值，以確定是否需要發送監測數據。硬門限的設置，當溫度以及振動超過該值時，則節點發送監測數據到sink節點；軟門限的設置，當振動以及溫度變化范圍超過該值時，則發送數據。

5 、仿真與結果分析

為了驗證算法的可行性和有效性，暫時不考慮風速、風向、溫度、濕度、噪聲等因素對定位精度造成的影響，假設聲音在空氣中的傳播速度為340 m／s。

如圖5所示，假設3只傳感器節點分布在100 m100m的區域。圖中，o代表目標實際位置，*代表傳感器節點位置，+號代表計算得到的目標位置。

通過靜態分布的傳感器陣列可以對目標進行定位。經過仿真驗證，利用目標定位系統計算出的目標位置與實際目標位置之間的誤差在可接收的范圍內。當發生突發情況時，按照計算結果，通過警力可以迅速、有效的采取措施。

在100m100m的正方形仿真區域中，隨機均勻分布一定數量的節點，10，20，……，100，每個節點具有相同的通信距離10m，其中，有5個簇首節點。圖6所示是DV-Hop定位算法在隨機選取錨節點的情況下的定位誤差。仿真結果表明：隨著傳感器節點數目的增加，定位所產生的誤差減小。因此，在實際應用中，可以在綜合考慮成本的基礎上，適當的增加動態監測系統中傳感器節點的數量。

6 、結束語

監獄安防系統的根本目的就是給管理帶來更高的可靠性，無線網絡技術的發展給監獄安防系統的集成帶來更寬闊的空間，不僅克服了安防系統集成過程中線纜限制引起的不便性，也使安防系統可以實現許多新的應用。本文所給出的無線傳感器組網方式，無線傳感器與控制網絡的集成框架能夠使無線網絡技術在監獄安防系統中得到有效應用。

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