专利名称：一种基于无线射频节点网络探测的安全监控系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种无线安全监控系统，尤其是一种利用无线射频节点组成网络对进入监测区域的物体进行实时的定位和跟踪的系统。属于无线安全监控领域。
技术背景 目前，现有的安全监控装置有摄像头，红外设备，雷达和RFID等。一般的摄像头需要通过有线连接传输监控视频，部署和改造起来比较困难，并且在某些涉及到个人隐私的场合不适合使用。红外设备要求环境温度和监测物体有明显的温度差，在许多情况下得不到满足，而且在温度变化剧烈的场合会造成很大的虚警。红外和光学成像技术，在光线不足、场景存在烟雾或者热源的情况下性能严重下降。雷达系统非常昂贵并且需要很大的发射功率才能达到一定的覆盖范围。雷达成像技术，不仅要求较大的能量消耗，而且设备笨重、成本较高；雷达成像技术利用目标的回波信号来获取目标数据，一般情况下无法获得物体或场景的内部信息；基于超宽带(UWB)的穿墙雷达可以穿透墙壁等障碍物，但其大工作带宽以及高能量消耗使得其终端与天线的设计存在许多问题；断层扫描成像技术可以利用高频射线对目标的透射效应得到目标内部信息，但高频射线的获取非常困难，不仅设备繁杂而且对人体有害。RFID系统也是利用无线电信号达到定位的目的，但是它要求进入监测区域的物体携带一个能够发射或者接收信号的电子标签，这对于那些非合作的进入者比如说小偷显然无能为力。
实用新型内容为了克服现有的安防系统受光照、温度影响大，造价昂贵，并且对某些非合作的进入者无能为力的不足，本实用新型提供了一种新的无线安全监控系统，该安全监控系统不仅能够能对进入监测区域的物体进行实时的定位和跟踪，而且辐射功率小，造价低廉，部署方便。本实用新型通过以下技术方案实现一种基于无线射频节点网络探测的安全监控系统，包括多个无线射频测量节点、I个或I个以上接收节点、计算机、监控终端；所述每个无线射频测量节点包括无线射频收发器、天线、微处理器、存储器、串口通信模块，电源；所述每个接收节点包括无线射频收发器、天线、微处理器、存储器、串口通信模块，电源;所述监控终端是手持终端、显示器、监控台中的I种或I种以上；所述无线射频测量节点布置在待监测区域外围，呈矩形或方形布置且保证每个顶点处均布设有I个无线射频测量节点，每两个相邻无线射频测量节点之间的距离是相同的；每个无线射频测量节点都位于其它各个无线射频测量节点的射频传输距离之内；所述的每个无线射频测量节点通过支架或悬挂或吸附方式置于距离地面一定高度，该高度与监测区域内运动目标的横截面高度相当；[0009]所述接收节点的布置位置应保证与各个无线射频测量节点之间可进行直接无线通信，即接收节点位于所有无线射频测量节点的射频传输距离之内；所述无线射频测量节点与接收节点之间通过无线方式进行连接；所述计算机与接收节点之间通过有线或无线的方式进行连接；所述计算机与监控终端之间通过有线或无线的方式进行连接。所述无线射频测量节点能够发送和接 收无线电信号并测量接收信号的强度值(RSS)，并以此作为测量信号，即所述无线射频测量节点向接收节点发送的是该无线射频测量节点接收到来自其它无线射频测量节点的信号的强度值。任何两个无线射频测量节点构成一条无线链路，N个无线射频测量节点可以构成N(N-l)/2条无线链路。作为优选，所有的无线射频测量节点位于同一平面。作为优选，所述的无线射频测量节点为采用Zigbee/IEEE802. 15. 4协议的无线传感器节点。无线射频收发器用于该节点向其他节点发射射频信号，并同时接收来自其他节点的射频信号；可采用2. 4GHz IEEE 802. 15. 4收发器实现；作为优选，所述无线射频测量节点中的无线射频收发器、微处理器、存储器采用集成芯片JN5139实现。作为优选，所述无线射频测量节点中的I个或I个以上节点还带有用于提供该节点位置信息的GPS定位器。所述接收节点，用于接收来自各个无线射频测量节点的测量数据，并将这些数据发送到计算机，计算机进行测量数据解算从而获得监测区域内目标的位置，进一步地，还可将解算结果及位置信息发送到监控终端；作为优选，接收节点和/或计算机还包括GPRS通信模块或3G通信模块，用于将数据发送给监控终端如监控台、显示器、手持终端等；所述电源采用电池或交流电或太阳能进行供电，以避免因为电量耗尽导致节点无法正常工作；作为优选，电源包括太阳能电池板，锂电池，电源管理模块和外围电路构成；所述电源管理模块采用CN3063芯片；本实用新型所述的数据采集系统构成一个星型拓扑网络结构。接收节点充当协调器的角色，负责发起网络，并允许测量节点加入网络。每个测量节点以广播的方式同其他测量节点进行通信。为了避免测量节点同时发送信号会造成数据冲突，引入令牌环的机制即只有拥有令牌的测量节点才能发送信号。同时为了避免令牌在传递中丢失，还引入令牌重发机制。无线通信模块采用支持Zigbee/IEEE 802. 15. 4协议的芯片，利用成熟的协议可以快速组网，保证系统稳定工作，同时有功耗低的优点。作为优选，串口用于本地计算机和接收节点实时通信，天线使用2. 4GHz全向天线。本实用新型所述的计算机上安装有数据处理系统，利用得到的RSS数据，再结合每个无线射频测量节点的位置估计出进入监测区域的物体的位置，并以图像的形式显示出来。它包括以下几个模块I.预处理模块完成数据处理系统正式工作前的一切必要工作。2.串口交互模块实时的从串口读取接收节点发送的RSS数据。[0027]3.信号处理模块利用预处理部分得到的结果对从串口得到的RSS数据进行实时的处理。4.报警模块用于当从信号处理结果中检测到有物体进入到监测区域时输出报
警信号。5.图形显示模块用于当检测到有物体进入监测区域时，以图形的形式显示物体的位置和运动轨迹。6.历史记录模块将物体进入监测区域的时间及运动轨迹记录下来。对比现有技术，本实用新型的有益效果是I.无线监控节点部署在监控区域外围，辐射功率小，对监控区域和监控对象无伤害; 2.与监控对象无接触，无需监控对象携带电子设备(如RFID或传感器节点)；3.能够同时对多个物体进行定位跟踪而且定位精度高，实时性好。
图I是本实用新型所述的无线安全监控系统的示意图；图2是本实用新型所述的无线射频测量节点结构框图；图3是本实用新型所述的计算机上数据处理系统的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的描述。图I是本实用新型所述的无线安全监控系统的示意图。所述系统包括两个部分，一个是数据采集系统，另一是数据处理系统。数据采集系统由若干个无线射频节点(例如采用Zigbee/IEEE802. 15. 4协议的无线传感器节点)构成，这些节点分为两类，一类是无线射频测量节点，另一类是接收节点。当监测区域内是否有人走动时，各个节点由支架支撑达到离地面lm-1. 8m高度。数据处理系统为安装VisualStudio 2008软件的计算机。无线射频测量节点均匀的部署在待监测区域的周围并测量任一条链路的RSS值，将RSS数据通过无线的方式发送给接收节点，接收节点将无线射频测量节点发送的数据通过RS232串口发送给数据处理系统；所述数据处理系统为安装VisualStudio 2008软件的计算机，它利用RSS数据按照既定算法估计出监测区域内每个像素的阴影衰落值，并以图像的形式显示出来。所述的节点构成一个基于Zigbee/IEEE 802. 15. 4协议的星形拓扑网络结构，接收节点充当协调器的角色，负责发起网络，并允许无线射频测量节点加入网络，同时接收测量节点发送的数据并通过RS232串口传给数据处理系统。每个无线射频测量节点用一个唯一的ID标识，以广播的方式同其他无线射频测量节点进行通信，ID从I开始按顺序增加。为了避免无线射频测量节点同时发送信号会造成数据冲突，引入令牌环的机制即只有拥有令牌的无线射频测量节点才能发送信号。同时为了避免令牌在传递中丢失造成通信中断，还引入令牌重发机制。为保证在某个时刻只有一个无线射频测量节点发送数据，无线射频测量节点按照ID号的顺序发送数据，无线射频测量节点发送的数据帧至少包括两个部分，一个是该无线射频测量节点的ID号，一个是记录的RSS值。无线射频测量节点在接收来自其他无线射频测量节点的数据帧时，首先提取出该数据帧中的ID和并记录该帧的RSS。如果该无线射频测量节点的ID比该数据帧的ID大1，那么意味着在这个时刻应该由该无线射频测量节点发送数据，否则该无线射频测量节点继续等待。为了避免由于数据帧丢失而造成通信中断，可以令每个无线射频测量节点维护一个定时器，当该测量节点接收到数据帧时重启定时器，当定时时间到时仍未收到数据帧时认为通信中断，由该无线射频测量节点发送数据。[0043]图2是本实用新型所述的无线射频测量节点结构框图。无线射频测量节点包括无线射频收发器、天线、微处理器、存储器、串口通信模块，电源。电源模块采用太阳能电源，它包括太阳能电池板，锂电池，电源管理模块和外围电路构成。电源管理模块米用CN3063芯片，CN3063是用太阳能电池供电的单节锂电池充电管理芯片，内部的8位模拟-数字转换电路能够根据输入电压源的输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能电池等电流输出能力有限的电源供电的锂电池充电应用。其中所述无线射频收发器、微处理器、存储器采用Jennic公司生产的JN5139芯片，JN5139是一种全集成、单芯片的兼容IEEE 802. 15. 4协议的芯片，功耗一般只有IOOmW,提供了高达-97dBm的接收灵敏度。芯片集成了一个32位的RISC处理器，可充分兼容 2. 4GHz IEEE 802. 15. 4 收发器，192kB 的 ROM，96KB 的 RAM，2 个 UART 端口，3个系统定时器和2个用户定时器。天线采用2. 4G全向天线，串口通信模块采用RS232。图3是本实用新型中所述计算机的数据处理系统的结构框图。本实用新型所述的数据处理系统基于以下原理在多径效应不明显尤其是户外的区域，无线电信号基本沿视距路径(LOS)传输。当不明物体进入监测区域时，某些链路的LOS分量由于受到该物体的遮挡造成阴影衰落而导致RSS值发生显著变化，而另一些链路的RSS值不发生变化。数据处理系统先是通过对无线传感器网络监测区域平面网络化，区域平面图被均匀分成相同面积的网格，这里将这些网络称之为像素。建立无线传感器网络里全局的链路对监测区域平面进行扫描，由无线射频测量节点发送和接收无线电信号，测得接收RSS，由接收节点获得后发送到计算机，求得阴影衰落值，而每条链路的阴影衰落可以看成每个像素阴影损耗与一个相应的权重乘积的线性叠加，最后对线性方程求解反问题得到每个像素阴影损耗并以图像的形式显示出来，损耗最大的像素即图像中最亮的像素被认为是进入监测区域的物体的位置。并通过不断测量RSS值刷新图像，达到实时跟踪的目的。所述数据处理系统算法包括I.阴影衰落与某条链路RSS变化的线性模型A y = ff A x+n (I)Ay为由于物体进入监测区域导致RSS的变化值，Ax为阴影衰落值。2.权重矩阵的确定可以利用归一化椭圆模型来确定权重矩阵W
权利要求1.一种基于无线射频节点网络探测的安全监控系统，其特征在于，包括多个无线射频测量节点、I个或I个以上接收节点、计算机、监控终端； 所述每个无线射频测量节点包括无线射频收发器、天线、微处理器、存储器、串口通信模块，电源； 所述每个接收节点包括无线射频收发器、天线、微处理器、存储器、串口通信模块，电源； 所述监控终端是手持终端、显示器、监控台中的I种或I种以上； 所述无线射频测量节点布置在待监测区域外围，呈矩形或方形布置且保证每个顶点处均布设有I个无线射频测量节点，每两个相邻无线射频测量节点之间的距离是相同的；每个无线射频测量节点都位于其它各个无线射频测量节点的射频传输距离之内；所述的每个无线射频测量节点通过支架或悬挂或吸附方式置于距离地面一定高度，该高度与监测区域内运动目标的横截面高度相当； 所述接收节点的布置位置应保证与各个无线射频测量节点之间可进行直接无线通信，即接收节点位于所有无线射频测量节点的射频传输距离之内； 所述无线射频测量节点与接收节点之间通过无线方式进行连接； 所述计算机与接收节点之间通过有线或无线的方式进行连接； 所述计算机与监控终端之间通过有线或无线的方式进行连接。
2.根据权利要求I所述一种基于无线射频节点网络探测的安全监控系统，其特征在于，所有的无线射频测量节点位于同一平面。
3.根据权利要求I所述一种基于无线射频节点网络探测的安全监控系统，其特征在于，所述无线射频测量节点向接收节点发送的是该无线射频测量节点接收到来自其它无线射频测量节点的信号的强度值。
4.根据权利要求1-3所述任一种基于无线射频节点网络探测的安全监控系统，其特征在于，所述电源包括太阳能电池板，锂电池，电源管理模块和外围电路。
5.根据权利要求4所述一种基于无线射频节点网络探测的安全监控系统，其特征在于，所述电源管理模块采用CN3063芯片。
6.根据权利要求1-3所述任一种基于无线射频节点网络探测的安全监控系统，其特征在于，所述的无线射频测量节点为采用Zigbee/IEEE802. 15. 4协议的无线传感器节点。
7.根据权利要求1-3所述任一种基于无线射频节点网络探测的安全监控系统，其特征在于，所述无线射频测量节点中的无线射频收发器、微处理器、存储器采用集成芯片JN5139实现。
8.根据权利要求1-3所述任一种基于无线射频节点网络探测的安全监控系统，其特征在于，所述无线射频测量节点中的I个或I个以上节点还带有用于提供该节点位置信息的GPS定位器。
9.根据权利要求1-3所述任一种基于无线射频节点网络探测的安全监控系统，其特征在于，所述接收节点和/或计算机还包括GPRS通信模块或3G通信模块。
10.根据权利要求1-3所述任一种基于无线射频节点网络探测的安全监控系统，其特征在于，所述无线射频收发器采用2. 4GHz IEEE 802. 15. 4收发器，天线使用2. 4GHz全向天线。
专利摘要本实用新型提供了一种基于无线射频节点网络探测的安全监控系统，属于无线安全监控领域。包括多个无线射频测量节点、1个或1个以上接收节点、计算机、监控终端；所述每个无线射频测量节点及接收节点均包括无线射频收发器、天线、微处理器、存储器、串口通信模块，电源；所述无线射频测量节点布置在待监测区域外围，呈矩形或方形布置；所述接收节点位于所有无线射频测量节点的射频传输距离之内；所述计算机与接收节点以及监控终端之间通过有线或无线的方式进行连接。本实用新型不仅能够能对进入监测区域的物体进行实时的定位和跟踪，而且辐射功率小，造价低廉，部署方便。
文档编号H04W24/00GK202374456SQ20112050630
公开日2012年8月8日 申请日期2011年12月6日 优先权日2011年12月6日
发明者刘珩, 卜祥元, 安建平, 王正欢 申请人:北京理工大学