基于WSN的工厂安防管理系统

摘要：从传统报警系统的局限性出发，将入侵检测技术与身份识别技术相结合，通过对同一时刻检测的信号的辨析及入侵探测设备的发出信号来辨别非法入侵与合法进入。结合实际，设计一套基于无线传感器网络的人体探测、身份识别和定位应用于工厂等大型场所的智能安防监测系统。
关键词：无线传感器；安防系统；人体探测；身份识别

1 引 言
1．1 基于WSN的身份识别技术
    随着计算机技术、自控技术及现代通信技术的高速发展和多技术的融合，安防系统也逐渐趋于智能化发展，并逐渐将电子地图、多媒体、管理和控制软件逐步引入到系统中。但现有安防系统还存人体探测精度低、存在误报、漏报现象。究其原因，在于探测技术只能在分辨现场物理量的变化，不能清晰分辨“敌”我。与此同时现有系统一般均为点监控，无法实现面监控，对入侵人员出现的入侵位置无法精确定位和跟踪。此外还存在施工周期长，监控设备大、复杂，能耗高，不灵活。因此，高探测精度，明辩双方，智能、简洁、低耗的安防系统是今后的发展方向。
1．2 无线传感器网络的概念
    无线传感器网络是一种由部署在监测区域内大量的微型智能的传感器节点通过无线通信形成的一个多跳的自组织网络系统构成的网络应用系统。各节点间连接是采用无线信道，采用对等、多跳通信方式，自组织网络拓扑结构；传感器节点间协同，协作感知、采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息，通过对数据局部采集、预处理及节点间数据交换从而完成全局任务并发送给观察者。
1．3 基于ZigBee技术的无线传感器网络
    ZigBee是一种低速率、低功耗、短距离无线接入技术，是专为低速率传感器和控制网络设计的短距离无线通信技术无线网络协议。与其他无线协议相比，由于具有路径选择、自动连结网络及自我回复等主要功能，适和用于监控、控制与感测式网络应用。ZigBee是一种经济、安全、可靠的选择。在自动化领域，ZigBee技术有助于改进安全性和访问控制。
1．4 无线传感器网络定位算法分类
    大多数无线传感器网络定位算法分为两个步骤：第一步计算网络中未知节点到信标节点的距离或角度。第二步，利用数学方法计算出未知节点的自身位置坐标。目前常用的未知节点自身位置坐标的算法已基本成熟，现阶段研究在于如何求出网络中未知节点到信标节点之间的距离或角度。常用计算定位的方法分为基于测距的和不基于测距的。在基于测距的算法中典型方法有四种：到达时间、到达时间差、到达角度和接收信号强度指示的算法等。这些测量方法测量了节点间的距离或角度，一般数据相对准确，定位精度高，但对节点的硬件配置要求较高，易受外界环境因素的影响。不基于测距的方法是利用节点间的连通性和多跳路由信息交换等方法来估计节点间的距离或角度，受外界环境因素的影响小，对硬件要求不高，这种方法更多的得到人们的使用。不基于测距的典型算法有质心算法、DV-Hop算法等多种。这些算法成本低、效率高，但存在着一定的误差。

2 基于WSN的工厂安防管理系统设计
2．1 建立基于WSN的工厂安防管理系统总模型
    目前，安防监控技术飞速发展，在一些较大厂区，由于无线终端节点传输距离限制无法满足工厂安防及监控的要求，因此可采用网络协调器及多个路由节点，如图1所示，路由节点与各终端节点组成子网，负责监控区域内的一部分，各子网间相互独立，在终端节点上安装各种传感器，负责所需的测量，数据采集及确定所属的路由节点。子网内的终端节点再同时与路由节点构成网络，进行数据采集。首先给终端节点布置固定的位置，负责采集信息及发送信息到路由节点，此过程通过无线网络实现。网络协调器协调网络中路由节点，与各路由节点进行通信，实现对工厂安防的网络化管理；监控中心对系统全部功能进行管理，是整个安防管理及预警系统的数据中心及监控网络的总控制台。

    以某个子网为例，组网成功后，终端节点处于休眠状态；网络协调器每隔一定时间发出一次指令，指令被路由节点接收后，先是传递给下一级路由节点，之后传送给自身子网内的各终端节点。终端节点收到路由节点的指令后停止休眠，进行数据采集并将信息通过无线网络传送给路由节点；路由节点接收信息，传送到上一级路由节点，多跳后传递到网络协调器，数据到达网络协调器后再由网络协调器传送到监测中心，监测中心负责对数据进行接收及建数据库存储等。监测中心的数据或某子网的实时工作情况管理者查询后可制定相应的方案。通过这种方式，使预防警戒监控区域全部连接在一起，实现了监测面积的扩大，厂区的大型化和分区管理。
2．2 厂区固定及移动式传感器节点分系统设计
    厂区外围以及厂区内固定节点的安防管理功能主要是利用无线传感器网络技术与微波探测技术、人体的热红外感应技术相结合来实现。厂区外围分系统由四部分组成，分别为：固定感应节点、通信基站、控制中心、个人身份识别卡。系统结构见图2。流动布控分系统由四部分组成，分别为：移动感应节点、通信基站、控制中心、身份识别卡。系统结构见图3。

2．3 厂区安防管理系统中所涉及到的器件
2．3．1 子网系统的核心元器件
    ·CC2430无线芯片CC2430芯片在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时问的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
    ·三鉴探测器三鉴探测器：包含被动式红外探测器和微波探测器，二者相结合作为系统中的感应模块，提高人体探测精度。

    ·监控探头采用夜视监控探头，可以方便晚上或环境昏暗条件下进行监控或图像录取。在普通车间及一些非重要的厂房的房檐四周和厂区道路上安装可以旋转的摄像头，当有情况时可以通过所报警指示的具体位置，控制中心控制摄像头的旋转，查看周围的环境，也可以查看车间或厂区道路周围的摄像头可视范围内的场景，减少摄像头的安装数量，节约系统的成本。对于重点监控的车间仓库和厂区外围监控可以安装固定式摄像头，对摄像头所监控区域全时段重点监控。当有突发事件时可以直接进行对所监控区域内的环境进行摄像取证。对于车辆进出的区域入口安装带有可拍照时摄像头，摄像头采用有线布防，因为摄像头的能耗较高，摄像头也可以与固定传感器节点相组网，当有人员或车辆非法闯入时，当探测器检测到有人或车辆即将进入该子网监控系统，唤醒该子网的身份识别传感器与终端连接查询人员身份，当查无此身份或者身份不符时，对监控中心发出警示，监控中心终端唤醒监控探头，进行监控拍照取证。这样可以减少监控探头的能耗，高效地利用好探头，避免能源的不必要浪费。由于监控探头所需能耗高，图像的质量所需的空间很大，不利于无线网络的传输，因此采用有线传输，通过终端与子网系统组网。
    ·车辆出入管理系统厂区内部车辆按照员工车辆和厂区工作车辆分为不同警戒级别，临时进入厂区的车辆发放临时识别卡；依照车辆的身份识别卡，系统对进入区域的车辆进行识别并放行或禁止其驶入该区域，实现对车辆的有效监管，使厂区车辆行驶、停放有序，便于管理。
    ·电磁或红外门禁系统作为固定感应节点的探测和感应模块，当有人非法撬动门窗时，安装在门窗上的电磁或红外感应门禁系统感应到环境的变化，则迅速向子网终端发出警示警报，终端唤醒监控探头进行监控和拍照取证，与此同时子网终端向控制中心报告发出警示，控制中心终端按照事先做出的突发处置预案程序，启动该程序。
2．4 系统能耗的解决方式
    鉴于无线传感器网络能耗有限，因此对于固定传感器节点可以与探测器、监控探头或者路边的路灯的电源相连作为固定传感器的直接长期能源供给以防传感器因能量耗尽而影响网络的安防监控能力。身份识别卡的电源由纽扣式电池提供，由于识别卡多数情况下处于休眠状态因此能耗不会过大，电池不用常换。对于移动式传感器节点的能量供给可由安保人员的巡逻车的电瓶供给或安保人员手持控制器的电池提供。对于摄像头的工作能耗，可以让探头处于休眠状态，保持低功耗，当受到控制中心或者子网终端的命令则被唤醒进行工作。这样可以使该套安防管理系统处于低能耗状态，节约能源。

3 小结
    本文从应用角度出发设计了一套基于无线传感器网络的工厂安防监控管理系统。本文设计的工厂安防监控管理系统低功耗、低成本，可实现自我识别定位，并可以随时随地实现布防，实用性强，是对传统安防报警系统的重大改进，运用本论文的理论基础还可以设计小区的职能安全管理系统，小区停车管理系统，军队驻防预警系统等其他智能安保预警系统，大大提高安保的工作效率，节约大量的人力物力。