专利名称：一种基于无线传感器网络的入侵监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络在目标识别和跟踪领域的应用，适用于民用安防监控 和军事入侵监测。
背景技术：
现有的民用安防监控和军事入侵监测主要是利用视频监控实现，而视频监控又可 分为被动式监控和主动式监控两类，其中被动式监控主要是指摄像头装置直接通过采集物 体反射的可见光来监控物体，主动式监控主要是指摄像头装置采用红外灯辐射“照明”，再 应用普通低照度黑白摄像机、彩色转黑白摄像机或红外低照度彩色摄像机，感受周围景物 和环境反射回来的红外光实现夜视监控。这两类视频监控系统均由分布在不同位置的摄像 头和监控主机构成，信号采用有线传输。虽然它能实时、形象、真实地反映被监控对象，但是 其成本高、安装工作麻烦，通常要求在装修阶段部署，后期维护工作大，同时还存在隐蔽性 差，线路易破坏，监控范围有限，需要人工辨别事件等缺点。在民用安防监控中和军事入侵 监测中，这些缺点都将直接影响监测的有效性。近年发展起来的无线传感器网络具有自组织性、鲁棒性和隐蔽性等特点，很好的 克服了有线视频监控系统用在安防和入侵监测领域的局限性，必将成为未来监控系统的主 流方向。它通过大量低成本、低功耗的传感器节点对周围信息进行监测和处理，并通过汇聚 节点转发给上位机处理，能够广泛应用于军事、环境监测、反恐、城市交通和智能家居。无 线传感器网络应用于入侵监测领域，对进入传感器监测区域的目标进行监测有其自身的优 势组网灵活用户可以根据实际的监测环境、区域大小和监测对象等的不同，灵活配 置网络中监测节点的数量，监测节点的安装位置及所使用的传感器组合等。对于单用户的 家居安全监测，可以选用较少的含有声音传感器和红外传感器的监测节点监控门窗，当识 别到非正常进入事件时，立即触发报警装置。对于比较复杂的军事入侵监测，可以选用合适 的传感器组合，布置大量的监测检点，对入侵目标进行识别和路径跟踪。安装方便无线传感器网络监测节点摆脱了线缆的束缚，减少了对安装环境的要 求，可以按照实际需要随时确定安装方式，安装工作量小，易改变安装位置。
发明内容
本发明提供了一种应用于安防或入侵监测的无线传感器网络系统，实现对入侵者 的有效监测、识别和运动轨迹预测。本发明通过以下方案实现本发明设置了一种包括监测节点、汇聚节点和监测中心的无线传感器网络系统， 用于监控入侵对象。其中监测节点主要负责传感器信号采集与处理和传感器数据融合，同 时将处理结果通过无线方式发送至汇聚节点；汇聚节点主要负责无线传感器网络的组建与 维护，接收并处理监测节点发送的监测信息，同时通过串口转发至监测中心处理；监测中心 主要完成目标报警、目标监测结果显示及数据存储等功能。
本发明监测节点包括通信模块、处理器模块、电源模块和传感器模块；汇聚节点包 括处理器模块、无线传输模块、串口通信模块和电源模块；监测中心的监测软件包括串口通 信模块、数据显示模块、数据存储模块和报警模块。传感器模块选用的传感器包括磁场传感 器、声音传感器和红外传感器，可以实现对人、车辆、武装人员等的有效监测，通信和处理器 模块选用支持ZigBee协议芯片，供电电源采用两节1. 5V、1300mAH的AA电池供电，串口通 信选用RS232，监测软件用LABVIEW编写。本发明采用了一种新型的以红外传感器作为唤醒传感器的节点唤醒机制。红外传 感器输出信号经过放大滤波后，一路直接连接处理器的模拟输入通道，另一路经过窗口比 较器，连接处理器的普通10 口，当没有目标进入红外传感器监测范围时 ，经过窗口比较器 的信号为高电平，当有目标进入红外传感器监测范围时，这一路输出由高电平变为低电平， 软件设置此时唤醒处理器和通信模块，并接通磁场传感器和声音传感器电源，进入多传感 器工作状态。处理器连续一段时间采集到红外模拟输入通道的信号在设定的睡眠门槛电压 之间时，断开磁场传感器和生意传感器电源，自身进入深度睡眠状态。这种节点唤醒机制有 效地节省了系统的能耗，大大延长了整个无线传感器网络电池的供电时间和使用寿命。本发明的工作原理将多个传感器节点部署在被监视区域内，当有目标进入监测 区域后，首先通过上面所述的唤醒机制将监测节点唤醒，传感器监测节点采集到入侵者活 动时产生的声音，磁场等信号，经过多传感器数据融合后由无线收发芯片传送到汇聚节点， 汇聚节点通过串口 RS232把数据传送给监控中心，监控中心完成目标的识别、跟踪与报警， 并通过图形化界面显示出来。当目标离开监测区域后，通过睡眠机制使得监测节点进入深 度睡眠状态以达到节省能量的目的。本发明同时实现了传感器节点的低功耗设计和对入侵对象的有效监测。硬件上采 用低功耗的处理和通信芯片，低工作电压的声音传感器、磁场传感器和红外传感器；通信协 议选用简单、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术ZIGBEE ；软件上采用D-S数 据融合方法大大减少了网络的数据传输，减少了无线收发器的工作时间，同时采用有效的 红外唤醒机制。本发明可以针对监测对象的不同构建不同的传感器组合，实现对入侵对象 的有效监测和识别。
图1是本发明的民用部署示意图；图2是本发明的军事应用部署示意图；图3是本发明的系统结构图；图4是本发明监测节点上红外传感器调理电路原理图；图5是本发明监测节点的磁场传感器监测软件实现逻辑6是本发明监测节点的声音传感器监测软件实现逻辑7是本发明系统各节点时钟同步的节点轮询机制8是本发明的系统工作流程图
具体实施例方式下面结合附图及实施对本发明作进一步说明。应该理解，此处所描述的具体实施仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。参照图1和图2，本发明所述的基于无线传感器网络的入侵监测系统，具有适用范 围广，部署灵活的特点。应用于家居安防时，可以以图1为参考部署该系统。首先，将监测 节点101部署在各个房间，用户可以根据家里的实际情况在重点监测区域布置多个监测节 点101，并尽量将监测节点101布置在花瓶、床底等隐蔽的位置；然后，将汇聚节点102部署 在居室100比较中心的位置，以均衡它和监测节点101的通信距离。用户可以在离开居室 时打开该监测网络，当有人非法进入时，监测节点101收集入侵者在屋内的行进信息，通过 无线网络发送至汇聚节点102 ；汇聚节点102通过移动通信设施104将入侵数据发送到用 户手机103上，用户可根据收到的信息进行报警。应用于军事入侵监测时，参考图2，采用无 人机203将监测节点101和汇聚节点102播撒在待监测领域，当有敌方人员或车辆204进 入监测领域时，监测节点101采集入侵对象的信息，并进行目标识别和跟踪，后将融合后的 信息传送给汇聚节点102，等待无人机203收集数据。
参照图3，本发明所述的基于无线传感器网络的入侵监测系统，包括多传感器监测 节点101、汇聚节点102和监测中心105。监测节点101主要负责传感器信号采集与处理及 数据融合，同时将处理结果通过无线方式发送至汇聚节点102 ；汇聚节点102主要负责无线 传感器网络的组建与维护，接收并处理监测节点101发送的监测信息，同时通过串口或无 线方式转发至监测中心105处理；监测中心105主要完成目标报警、目标监测结果显示及数 据存储等功能，这些功能可根据监测中心105的安装位置及实际需要灵活配置，当监测中 心105安装在用户手机103等资源受限的设备上时，可适当简化其功能，当监测中心105应 用于军事监控，安装在无人机203等上时，可按需要扩展其功能。参照图4，本发明采用以红外传感器作为唤醒传感器的节点唤醒机制，为了实现红 外传感器的全方位监测，布置了四个朝向东南西北四个方向的红外传感器401，每个红外传 感器401负责120°的监控区域，可以根据监控区域范围配置红外传感器的个数，红外传感 器调理电路先实现了四个红外信号的与功能402，后分为两路输出，一路为模拟信号405输 出，接处理器模块406的模拟输入口，另一路经过窗口比较器403转化为数字信号404输 出，接处理器模块406的普通10，模拟信号405输出在正常无目标的情况下，输出端输出电 压约为l/2Vcc，数字输出端为高电平，其中Vcc为传感器供电电压，窗口比较器404的门槛 电压最大范围为l/3Vcc 2/3Vcc，可以根据需要调节门槛电压的范围，当模拟信号405输 出端的电压超过窗口比较器的门槛电压后，数字信号404端输出端由高电平变为低电平， 产生下降沿信号，通过普通IO 口达到唤醒处理器模块406的目的。监测节点101被唤醒后， 处于正常工作状态，同时连续读取红外传感器401模拟信号405输出的值，当连续一段时间 读到模拟信号405输出在门槛电压VL VH之间时，处理器模块406进入深度睡眠状态。参照图5，监测节点101上的磁场传感器监测的软件设计包括磁场传感器标定 501、采样502、中值滤波503、阈值比较504、判决505这五个步骤。由于不同区域以及传感 器节点摆放方向的不同，磁场传感器的输出都有较大不同，首先要对传感器输出进行标定， 在步骤501中，对磁场传感器的输出连续进行10次采样，去掉其中的最大值和最小值，然后 对剩下的8次采样值取算术平均，作为每个轴的输出标准；在步骤502中对磁场传感器的输 出信号进行采样，采样间隔为1毫秒，连续采样5次；在步骤503中，将5次的采样值按从 小到大排队，取中间值作为每次采样的采样值；在步骤504中，将每次采样的值存入一维数组，当达到第10个数后，将传感器所得的10次采样值分别与设定的检测阈值做比较，当检 测到采样所得的值超过预订的阈值时，计数器加1 ；在步骤505中，判断计数器值是否大于 3，如果大于3即认为检测到目标。由于磁场传感器有两路输出，所以对这两路的输入分别 做以上判断，即可达到对目标的可靠检测。最后将监测的结果发给汇聚节点102，汇聚节点 102再将结果上传至监测中心105进行分析。参照图6，监测节点101上的声音传感器监测的软件设计包括采样601、中值滤波 602、过零数分析603、判决604这四个步骤。在步骤601中完成信号采样，采样间隔为1毫 秒，连续采样5次；在步骤602中，将5次的采样值按从小到大排队，再取中间值作为每次采 样的采样值；在步骤603中，对声音传感器采样信号进行过零数分析，即在某时间段内，将 时域信号的幅值与设定的阈值做比较，计算信号正向越过或负向越过阈值的次数；在步骤 604中，选择合适的过零数分界点M，判断入侵对象是人员还是车辆。参照图7，节点间的时钟同步实现如下假如网络中有1011，1012，1013三个监测节点处于激活状态，三个监测节点依次加入汇聚节点102构建的星型网络中，在一个循环 中，汇聚节点102先判断是否接收到监测节点1011发来的侦测信息，当汇聚节点102接收 到监测节点1011发来的侦测信息后，再向监测节点1012发送询问信息，当监测节点1012 接收到汇聚节点102发送的询问信息后，将该时刻侦测到信息发送给汇聚节点102，汇聚节 点102在接收到监测节点1012反馈回来的信息后，再向监测节点1013发送询问信息，监测 节点1013收到询问信息后，再将此时刻侦测到信息发送给汇聚节点102。这样通过一次循 环，汇聚节点102依次接收到了三个汇聚节点发送来的信息，并认为此次循环接收到信息 为同一时刻信息。当汇聚节点完成此次循环后，将获得的信息打包上传至监测中心105，并 开始进入下一轮循环。参照图8，本系统完成监测任务的步骤在步骤801中，连接汇聚节点102和监测 中心105，开启汇聚节点102电源并完成网络初始化，等待监测节点101加入，打开监测中 心105监控软件，对监测区域进行实时监控；在步骤802中，将监测节点101部署在监测区 域，开启电源，节点进行初始化设置，进入深度睡眠状态；在步骤803中，当监测节点101上 的红外传感器监测到目标进入监测区域后，唤醒该监测节点，同时连通其声音与磁场传感 器电源，多传感器开始协同工作；在步骤804中，通过监测算法和传感器数据融合算法，实 现对目标的可靠监测、识别及位置估计；在步骤805中，将融合后的数据通过无线网络发送 给所述汇聚节点，再转发给监测中心105 ；在步骤806中，监测中心显示目标身份、当前位置 和行进路线，当目标进入约束范围内时，产生报警信号；在步骤807中，监测目标是否离开 监测节点101的监测范围，如果已离开，则使监测节点101进入深度睡眠状态。
权利要求
一种入侵监测系统，在监测区域中，分散设置多个监测节点、汇聚节点和监测中心，从各监测节点的传感器信号中提取表示监测对象特征量的信息，用该提取的特征量完成入侵对象定位、识别、跟踪、报警及显示，其特征在于，对不同的入侵对象融合每一个监测节点提取的特征量；根据特征量完成入侵目标身份识别；计算入侵对象在监测区域内移动路径；跟踪入侵对象；入侵状态紧急度判定和报警；管理监测区域全体信息的数据库及显示表示上述入侵对象状态信息。
2.根据权利要求1所述的入侵监测系统，其特征在于，在对不同入侵对象进行特征量信息提取的功能中，提取声音特征量、磁特征量和光阻 挡特征量，在计算移动路径功能中，设定特征量大小与目标位置的关系权值。
3.根据权利要求1所述的入侵监测系统，其特征在于，能够设定监测区域内的限制进入区域，根据入侵目标接近限制区域的程度，计算入侵 状态紧急度，给出相应的报警信号。
4.一种入侵监测系统，在监测区域中，分散设置多个监测节点、汇聚节点和监测中心， 其特征在于，所述监测节点主要负责从各传感器信号中提取表示监测对象特征量的信息，用该提取 的特征量完成入侵对象的监测和身份识别；所述汇聚节点主要负责获取各监测节点的监测结果和身份判定信息，并根据上述信 息，计算入侵对象在监测区域内移动路径并实现入侵对象跟踪功能；所述监测中心主要负责获取汇聚节点的跟踪信息，提供给用户监测画面及监测区域设 定交互界面。当入侵对象接近限制区域时，产生不同的紧急度预警信号。
5.根据权利要求书4所述的入侵监测系统，其特征在于，所述监测中心还具有存储上述所有监测历史数据信息的功能。
6.根据权利要求书4所述的入侵监测系统，其特征在于，所述监测节点、汇聚节点和监测中心通过无线通信方式传输数据。
7.如权利要求4所述的入侵监测系统，其特征在于，其系统监测节点的时间同步由汇聚节点轮询机制实现。
8.如权利要求4所述的的入侵监测系统，其特征在于，设计了一种有效的能量节省机制，巧妙地利用监测传感器作为节点睡眠唤醒传感器， 利用软硬件配合实现处理器和通信模块的深度睡眠与唤醒，及其他监测传感器电源的切断 与连通，这样的睡眠唤醒机制既能达到能量节省的目的，同时又能实现对进入传感器节点 监测范围内目标的可靠监测。
全文摘要
本发明涉及一种通过设置多节点监测、识别和判断入侵对象路径的无线网络系统，适用于民用安防监控和军事入侵监测。通过对各个监测节点传感器信号特征量的提取、分析及数据融合，实现对入侵对象的定位、识别、跟踪。并且，提供给用户设置敏感区域的功能，根据入侵对象接近敏感区域的程度，发出不同的报警信号。另外，用监测节点上的一种监测传感器实时产生睡眠与唤醒信号，实现处理器和通信模块的深度睡眠与唤醒，在保证对进入监测范围内目标可靠监测的同时，达到节省监测节点能量的目的。本发明具有低成本、低功耗、部署灵活、应用性强等特点，很好地克服了以往用于入侵监测的视频监控安装繁复，隐蔽性差，线路易破坏，监控范围有限，需要人工辨别事件的缺点。
文档编号H04W84/18GK101872536SQ20101020841
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月24日 优先权日2010年6月24日
发明者曹奕涛, 杨波, 肖佳, 邹富强 申请人:北京航空航天大学