0 引言

    監(jiān)獄對于其安防系統(tǒng)設(shè)計具有高安全性、穩(wěn)定性和實時性的要求。目前，監(jiān)獄系統(tǒng)中所采用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、報警系統(tǒng)以及門禁系統(tǒng)等都是基于有線通信，這就使得一些不便于布線的區(qū)域成為了安防監(jiān)測的盲區(qū)，另外，一成不變的監(jiān)測區(qū)域也給犯罪分子以可乘之機(jī)。為預(yù)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(zhǔn)確地掌控和調(diào)閱監(jiān)獄暴力現(xiàn)場、越獄行為等信息資料，構(gòu)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(wǎng)絡(luò)的監(jiān)獄安防系統(tǒng)設(shè)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(hù)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(qū)域。正如西門子樓宇技術(shù)組的首席技術(shù)專家Helmut Macht所說："無線通信的創(chuàng)新使越來越多的有線通信將被取代"。然而，由于監(jiān)獄內(nèi)部環(huán)境的特殊性，在監(jiān)獄內(nèi)部采用無線技術(shù)會面臨很多問題。首先，采用無線技術(shù)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(wǎng)絡(luò)的可靠性和可擴(kuò)展性，影響寬帶通信的數(shù)據(jù)吞吐量；其次，由于現(xiàn)有絕大多數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)都是基于有線網(wǎng)絡(luò)來設(shè)計的，因此，其原有的高層應(yīng)用和協(xié)議要在無線網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用必須作相應(yīng)的改進(jìn)；另外，無線技術(shù)要在監(jiān)獄安防系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，設(shè)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(jiān)測系統(tǒng)的低成本要求。 本文所研究的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)獄安防系統(tǒng)設(shè)計，并不是一味地用無線代替有線，而是在現(xiàn)有監(jiān)獄有線安防系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，保留其原有的數(shù)據(jù)傳輸量較大的視頻、門限等有線監(jiān)控手段，加入靜態(tài)溫度振動敏感無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)實時定位無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而更加完善安防系統(tǒng)，消除監(jiān)測盲區(qū)，使各個子系統(tǒng)的功能相得益彰。

1、監(jiān)獄安防系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

    　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一組傳感器以Ad Hoc方式組成的有線或者無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理傳感器網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并傳遞給觀察者。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)集中了傳感器技術(shù)、嵌入式計算機(jī)技術(shù)和無線通信技術(shù)，能協(xié)作地感知、監(jiān)測和采集各種環(huán)境下所感知對象的信息，通過對這些信息的協(xié)作式信息處理，獲得感知對象的準(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)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(yīng)的變化信息外，還要具備遠(yuǎn)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(shù)據(jù)傳輸通信部件等。圖1是典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，它包括傳感節(jié)點(diǎn)（sensor），觀測節(jié)點(diǎn)（sink）和基站等。

    在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通過飛機(jī)布撒、人工布置等方式，大量部署在感知對象內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中特定的信息，可以實現(xiàn)對任意地點(diǎn)信息在任意時間的采集、處理和分析。這種以自組織形式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，通過多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回sink節(jié)點(diǎn)（中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)），最后，借助sink鏈路將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行集中處理。

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成元素是節(jié)點(diǎn)，在不同的應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計也各不相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)是一樣的。節(jié)點(diǎn)的典型硬件結(jié)構(gòu)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(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成），處理單元（由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括微處理器、存儲器、信號調(diào)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(tǒng)、移動系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。

2、現(xiàn)場執(zhí)行層設(shè)計方案

2.1 靜態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

    將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置在獄室、生產(chǎn)區(qū)、制高點(diǎn)、禁閉室、教學(xué)區(qū)、醫(yī)務(wù)室等，實現(xiàn)對于監(jiān)獄的全面覆蓋。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入監(jiān)獄安防系統(tǒng)，主要是因為在監(jiān)獄中傳感器節(jié)點(diǎn)非常多，布線工程非常大，并且，許多區(qū)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(jié)點(diǎn)或改變節(jié)點(diǎn)的位置。通過周期性或不定期地改變監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)的位置，可以消除現(xiàn)有有線監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測上的盲區(qū)，通過傳感器陣列對目標(biāo)進(jìn)行定位。并且，由于監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的位置經(jīng)常變化，犯人無法找到監(jiān)測漏洞，從而更加完善安防系統(tǒng)。

2.2動態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

    通過將節(jié)點(diǎn)佩戴在犯人身上，利用定位機(jī)制實時掌握犯人的活動情況。但由于犯人數(shù)目較多，故只需傳輸兩類數(shù)據(jù)：一是犯人的活動范圍超過規(guī)定范圍時；二是節(jié)點(diǎn)由于受到外力作用或是能量耗盡而失效時，遠(yuǎn)程中心必須檢測到缺失的節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)可以在本地進(jìn)行簡單處理，然后，進(jìn)行聚集并傳送到基站（PC機(jī)或PDA），監(jiān)獄的遠(yuǎn)程服務(wù)器和監(jiān)測系統(tǒng)對每位被監(jiān)測犯人的指標(biāo)進(jìn)行實時分析，通過專家系統(tǒng)判斷犯人的實時狀況。如果發(fā)現(xiàn)犯人出現(xiàn)異?；蛭ｋU則進(jìn)行報警并快速做出措施。同時，本系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)在對犯人必要的振動、位置指標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)測的同時還允許犯人在一定范圍內(nèi)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(yīng)的傳感器，所以，獄警還可以全面掌握犯人的休息情況。當(dāng)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(wǎng)絡(luò)）時，獄警仍然可以對其進(jìn)行定位、跟蹤，并及時獲取其振動、位置指標(biāo)參數(shù)。

    將節(jié)點(diǎn)佩戴在獄警身上。利用節(jié)點(diǎn)上配置的振動傳感器和定位系統(tǒng)，可以實時監(jiān)控獄警的工作區(qū)域和保障其人身安全。一方面當(dāng)發(fā)生突發(fā)情況時，如犯人襲警或犯人之間斗毆，監(jiān)測系統(tǒng)和遠(yuǎn)程服務(wù)中心迅速做出反應(yīng)，通知警力迅速到達(dá)事發(fā)現(xiàn)場進(jìn)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。

3、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計方案

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計

    每個傳感器節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)，mote負(fù)責(zé)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)交尽?br />
    射頻采用nRF9E5，nRF9E5是由挪威Nordic公司推出的系統(tǒng)級RF芯片。其采用GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)；支持多點(diǎn)通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高可達(dá)0.1 MB／s；具有特有的Shock Burst信號發(fā)射模式和發(fā)射信號載波監(jiān)測功能，可有效地降低功耗電流、避免數(shù)據(jù)沖突。內(nèi)部寄存器為用戶提供了基礎(chǔ)的通信協(xié)議，便于用戶擴(kuò)展，因此，很適用于無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計。nRF9E5的收發(fā)器有3種工作方式：Shock Burst接收（RX）方式、Shock Burst發(fā)送（TX）方式和空閑方式。nRF9E5收發(fā)器的工作方式由特殊功能寄存器TRX_CE和TX_EN決定。

    數(shù)字振動溫度傳感器DS181320是由Dallas公司開發(fā)的微型化、低功耗的可編程單總線數(shù)字振動溫度傳感器，可直接將測得的溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。DS18B20的工作遵循嚴(yán)格的單總線協(xié)議，即先初始化，然后，發(fā)送ROM命令，最后，發(fā)送功能命令。初始化包括主機(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖（通過將總線拉低至少480μs來實現(xiàn)），主機(jī)等待DS18B20發(fā)回的存在脈沖。DS18B20則從檢測到復(fù)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(xiàn)存在脈沖的發(fā)送。DS18B20的讀寫操作是通過讀寫時序來實現(xiàn)的。因此，采用DS18B20能使電路簡單化，提高節(jié)點(diǎn)集成度和振動溫度測量精度。

3.2軟件設(shè)計

    本系統(tǒng)是一點(diǎn)對多點(diǎn)通信模式，所以，將通信協(xié)議分為3層：第一層為物理層，由nRF9E5模塊硬件實現(xiàn)；第二層為網(wǎng)絡(luò)層；第三層為應(yīng)用層。

    網(wǎng)絡(luò)層采用TEEN（threshold sensitive energy efficientsensor network protocol）協(xié)議。該協(xié)議為響應(yīng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，只是在被觀測變量發(fā)生突變時才傳送數(shù)據(jù)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的能量有限，且不便補(bǔ)充，故使用該協(xié)議可有效地節(jié)約能量，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。另外，在監(jiān)獄安防系統(tǒng)中，只有當(dāng)振動和溫度數(shù)據(jù)產(chǎn)生突變時，才需要傳輸數(shù)據(jù)，而持續(xù)的以恒定速率發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)給sink節(jié)點(diǎn)對于監(jiān)獄安防系統(tǒng)來說是不必要的。圖3、圖4分別為主機(jī)模塊軟件流程圖和節(jié)點(diǎn)模塊軟件流程圖。

    在具體應(yīng)用中，TEEN中定義了硬、軟2個門限值，以確定是否需要發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)。硬門限的設(shè)置，當(dāng)溫度以及振動超過該值時，則節(jié)點(diǎn)發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)到sink節(jié)點(diǎn)；軟門限的設(shè)置，當(dāng)振動以及溫度變化范圍超過該值時，則發(fā)送數(shù)據(jù)。

4、仿真與結(jié)果分析

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

    如圖5所示，假設(shè)3只傳感器節(jié)點(diǎn)分布在100 m×100m的區(qū)域。圖中，o代表目標(biāo)實際位置，＊代表傳感器節(jié)點(diǎn)位置，+號代表計算得到的目標(biāo)位置。

    通過靜態(tài)分布的傳感器陣列可以對目標(biāo)進(jìn)行定位。經(jīng)過仿真驗證，利用目標(biāo)定位系統(tǒng)計算出的目標(biāo)位置與實際目標(biāo)位置之間的誤差在可接收的范圍內(nèi)。當(dāng)發(fā)生突發(fā)情況時，按照計算結(jié)果，通過警力可以迅速、有效的采取措施。

    在100m×100m的正方形仿真區(qū)域中，隨機(jī)均勻分布一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，10，20，……，100，每個節(jié)點(diǎn)具有相同的通信距離10m，其中，有5個簇首節(jié)點(diǎn)。圖6所示是DV-Hop定位算法在隨機(jī)選取錨節(jié)點(diǎn)的情況下的定位誤差。仿真結(jié)果表明：隨著傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，定位所產(chǎn)生的誤差減小。因此，在實際應(yīng)用中，可以在綜合考慮成本的基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)脑黾觿討B(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

5、結(jié)束語

    監(jiān)獄安防系統(tǒng)的根本目的就是給管理帶來更高的可靠性，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展給監(jiān)獄安防系統(tǒng)的集成帶來更寬闊的空間，不僅克服了安防系統(tǒng)集成過程中線纜限制引起的不便性，也使安防系統(tǒng)可以實現(xiàn)許多新的應(yīng)用。本文所給出的無線傳感器組網(wǎng)方式，無線傳感器與控制網(wǎng)絡(luò)的集成框架能夠使無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在監(jiān)獄安防系統(tǒng)中得到有效應(yīng)用。