摘要：從傳統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)的局限性出發(fā)，將入侵檢測(cè)技術(shù)與身份識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，通過對(duì)同一時(shí)刻檢測(cè)的信號(hào)的辨析及入侵探測(cè)設(shè)備的發(fā)出信號(hào)來辨別非法入侵與合法進(jìn)入。結(jié)合實(shí)際，設(shè)計(jì)一套基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的人體探測(cè)、身份識(shí)別和定位應(yīng)用于工廠等大型場(chǎng)所的智能安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：無線傳感器；安防系統(tǒng)；人體探測(cè)；身份識(shí)別

1 引 言
1．1 基于WSN的身份識(shí)別技術(shù)
    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自控技術(shù)及現(xiàn)代通信技術(shù)的高速發(fā)展和多技術(shù)的融合，安防系統(tǒng)也逐漸趨于智能化發(fā)展，并逐漸將電子地圖、多媒體、管理和控制軟件逐步引入到系統(tǒng)中。但現(xiàn)有安防系統(tǒng)還存人體探測(cè)精度低、存在誤報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象。究其原因，在于探測(cè)技術(shù)只能在分辨現(xiàn)場(chǎng)物理量的變化，不能清晰分辨“敵”我。與此同時(shí)現(xiàn)有系統(tǒng)一般均為點(diǎn)監(jiān)控，無法實(shí)現(xiàn)面監(jiān)控，對(duì)入侵人員出現(xiàn)的入侵位置無法精確定位和跟蹤。此外還存在施工周期長(zhǎng)，監(jiān)控設(shè)備大、復(fù)雜，能耗高，不靈活。因此，高探測(cè)精度，明辯雙方，智能、簡(jiǎn)潔、低耗的安防系統(tǒng)是今后的發(fā)展方向。
1．2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型智能的傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)。各節(jié)點(diǎn)間連接是采用無線信道，采用對(duì)等、多跳通信方式，自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；傳感器節(jié)點(diǎn)間協(xié)同，協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域里被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，通過對(duì)數(shù)據(jù)局部采集、預(yù)處理及節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交換從而完成全局任務(wù)并發(fā)送給觀察者。
1．3 基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
    ZigBee是一種低速率、低功耗、短距離無線接入技術(shù)，是專為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的短距離無線通信技術(shù)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。與其他無線協(xié)議相比，由于具有路徑選擇、自動(dòng)連結(jié)網(wǎng)絡(luò)及自我回復(fù)等主要功能，適和用于監(jiān)控、控制與感測(cè)式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。ZigBee是一種經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的選擇。在自動(dòng)化領(lǐng)域，ZigBee技術(shù)有助于改進(jìn)安全性和訪問控制。
1．4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法分類
    大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法分為兩個(gè)步驟：第一步計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離或角度。第二步，利用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的自身位置坐標(biāo)。目前常用的未知節(jié)點(diǎn)自身位置坐標(biāo)的算法已基本成熟，現(xiàn)階段研究在于如何求出網(wǎng)絡(luò)中未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離或角度。常用計(jì)算定位的方法分為基于測(cè)距的和不基于測(cè)距的。在基于測(cè)距的算法中典型方法有四種：到達(dá)時(shí)間、到達(dá)時(shí)間差、到達(dá)角度和接收信號(hào)強(qiáng)度指示的算法等。這些測(cè)量方法測(cè)量了節(jié)點(diǎn)間的距離或角度，一般數(shù)據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確，定位精度高，但對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件配置要求較高，易受外界環(huán)境因素的影響。不基于測(cè)距的方法是利用節(jié)點(diǎn)間的連通性和多跳路由信息交換等方法來估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的距離或角度，受外界環(huán)境因素的影響小，對(duì)硬件要求不高，這種方法更多的得到人們的使用。不基于測(cè)距的典型算法有質(zhì)心算法、DV-Hop算法等多種。這些算法成本低、效率高，但存在著一定的誤差。

2 基于WSN的工廠安防管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 建立基于WSN的工廠安防管理系統(tǒng)總模型
    目前，安防監(jiān)控技術(shù)飛速發(fā)展，在一些較大廠區(qū)，由于無線終端節(jié)點(diǎn)傳輸距離限制無法滿足工廠安防及監(jiān)控的要求，因此可采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器及多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，如圖1所示，路由節(jié)點(diǎn)與各終端節(jié)點(diǎn)組成子網(wǎng)，負(fù)責(zé)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的一部分，各子網(wǎng)間相互獨(dú)立，在終端節(jié)點(diǎn)上安裝各種傳感器，負(fù)責(zé)所需的測(cè)量，數(shù)據(jù)采集及確定所屬的路由節(jié)點(diǎn)。子網(wǎng)內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)再同時(shí)與路由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。首先給終端節(jié)點(diǎn)布置固定的位置，負(fù)責(zé)采集信息及發(fā)送信息到路由節(jié)點(diǎn)，此過程通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中路由節(jié)點(diǎn)，與各路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠安防的網(wǎng)絡(luò)化管理；監(jiān)控中心對(duì)系統(tǒng)全部功能進(jìn)行管理，是整個(gè)安防管理及預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的總控制臺(tái)。

    以某個(gè)子網(wǎng)為例，組網(wǎng)成功后，終端節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器每隔一定時(shí)間發(fā)出一次指令，指令被路由節(jié)點(diǎn)接收后，先是傳遞給下一級(jí)路由節(jié)點(diǎn)，之后傳送給自身子網(wǎng)內(nèi)的各終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)收到路由節(jié)點(diǎn)的指令后停止休眠，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給路由節(jié)點(diǎn)；路由節(jié)點(diǎn)接收信息，傳送到上一級(jí)路由節(jié)點(diǎn)，多跳后傳遞到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)到達(dá)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器后再由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器傳送到監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收及建數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)等。監(jiān)測(cè)中心的數(shù)據(jù)或某子網(wǎng)的實(shí)時(shí)工作情況管理者查詢后可制定相應(yīng)的方案。通過這種方式，使預(yù)防警戒監(jiān)控區(qū)域全部連接在一起，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)面積的擴(kuò)大，廠區(qū)的大型化和分區(qū)管理。
2．2 廠區(qū)固定及移動(dòng)式傳感器節(jié)點(diǎn)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    廠區(qū)外圍以及廠區(qū)內(nèi)固定節(jié)點(diǎn)的安防管理功能主要是利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與微波探測(cè)技術(shù)、人體的熱紅外感應(yīng)技術(shù)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。廠區(qū)外圍分系統(tǒng)由四部分組成，分別為：固定感應(yīng)節(jié)點(diǎn)、通信基站、控制中心、個(gè)人身份識(shí)別卡。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。流動(dòng)布控分系統(tǒng)由四部分組成，分別為：移動(dòng)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)、通信基站、控制中心、身份識(shí)別卡。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

2．3 廠區(qū)安防管理系統(tǒng)中所涉及到的器件
2．3．1 子網(wǎng)系統(tǒng)的核心元器件
    ·CC2430無線芯片CC2430芯片在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)問的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。
    ·三鑒探測(cè)器三鑒探測(cè)器：包含被動(dòng)式紅外探測(cè)器和微波探測(cè)器，二者相結(jié)合作為系統(tǒng)中的感應(yīng)模塊，提高人體探測(cè)精度。

    ·監(jiān)控探頭采用夜視監(jiān)控探頭，可以方便晚上或環(huán)境昏暗條件下進(jìn)行監(jiān)控或圖像錄取。在普通車間及一些非重要的廠房的房檐四周和廠區(qū)道路上安裝可以旋轉(zhuǎn)的攝像頭，當(dāng)有情況時(shí)可以通過所報(bào)警指示的具體位置，控制中心控制攝像頭的旋轉(zhuǎn)，查看周圍的環(huán)境，也可以查看車間或廠區(qū)道路周圍的攝像頭可視范圍內(nèi)的場(chǎng)景，減少攝像頭的安裝數(shù)量，節(jié)約系統(tǒng)的成本。對(duì)于重點(diǎn)監(jiān)控的車間倉(cāng)庫和廠區(qū)外圍監(jiān)控可以安裝固定式攝像頭，對(duì)攝像頭所監(jiān)控區(qū)域全時(shí)段重點(diǎn)監(jiān)控。當(dāng)有突發(fā)事件時(shí)可以直接進(jìn)行對(duì)所監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行攝像取證。對(duì)于車輛進(jìn)出的區(qū)域入口安裝帶有可拍照時(shí)攝像頭，攝像頭采用有線布防，因?yàn)閿z像頭的能耗較高，攝像頭也可以與固定傳感器節(jié)點(diǎn)相組網(wǎng)，當(dāng)有人員或車輛非法闖入時(shí)，當(dāng)探測(cè)器檢測(cè)到有人或車輛即將進(jìn)入該子網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，喚醒該子網(wǎng)的身份識(shí)別傳感器與終端連接查詢?nèi)藛T身份，當(dāng)查無此身份或者身份不符時(shí)，對(duì)監(jiān)控中心發(fā)出警示，監(jiān)控中心終端喚醒監(jiān)控探頭，進(jìn)行監(jiān)控拍照取證。這樣可以減少監(jiān)控探頭的能耗，高效地利用好探頭，避免能源的不必要浪費(fèi)。由于監(jiān)控探頭所需能耗高，圖像的質(zhì)量所需的空間很大，不利于無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸，因此采用有線傳輸，通過終端與子網(wǎng)系統(tǒng)組網(wǎng)。
    ·車輛出入管理系統(tǒng)廠區(qū)內(nèi)部車輛按照員工車輛和廠區(qū)工作車輛分為不同警戒級(jí)別，臨時(shí)進(jìn)入廠區(qū)的車輛發(fā)放臨時(shí)識(shí)別卡；依照車輛的身份識(shí)別卡，系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入?yún)^(qū)域的車輛進(jìn)行識(shí)別并放行或禁止其駛?cè)朐搮^(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的有效監(jiān)管，使廠區(qū)車輛行駛、停放有序，便于管理。
    ·電磁或紅外門禁系統(tǒng)作為固定感應(yīng)節(jié)點(diǎn)的探測(cè)和感應(yīng)模塊，當(dāng)有人非法撬動(dòng)門窗時(shí)，安裝在門窗上的電磁或紅外感應(yīng)門禁系統(tǒng)感應(yīng)到環(huán)境的變化，則迅速向子網(wǎng)終端發(fā)出警示警報(bào)，終端喚醒監(jiān)控探頭進(jìn)行監(jiān)控和拍照取證，與此同時(shí)子網(wǎng)終端向控制中心報(bào)告發(fā)出警示，控制中心終端按照事先做出的突發(fā)處置預(yù)案程序，啟動(dòng)該程序。
2．4 系統(tǒng)能耗的解決方式
    鑒于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗有限，因此對(duì)于固定傳感器節(jié)點(diǎn)可以與探測(cè)器、監(jiān)控探頭或者路邊的路燈的電源相連作為固定傳感器的直接長(zhǎng)期能源供給以防傳感器因能量耗盡而影響網(wǎng)絡(luò)的安防監(jiān)控能力。身份識(shí)別卡的電源由紐扣式電池提供，由于識(shí)別卡多數(shù)情況下處于休眠狀態(tài)因此能耗不會(huì)過大，電池不用常換。對(duì)于移動(dòng)式傳感器節(jié)點(diǎn)的能量供給可由安保人員的巡邏車的電瓶供給或安保人員手持控制器的電池提供。對(duì)于攝像頭的工作能耗，可以讓探頭處于休眠狀態(tài)，保持低功耗，當(dāng)受到控制中心或者子網(wǎng)終端的命令則被喚醒進(jìn)行工作。這樣可以使該套安防管理系統(tǒng)處于低能耗狀態(tài)，節(jié)約能源。

3 小結(jié)
    本文從應(yīng)用角度出發(fā)設(shè)計(jì)了一套基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工廠安防監(jiān)控管理系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的工廠安防監(jiān)控管理系統(tǒng)低功耗、低成本，可實(shí)現(xiàn)自我識(shí)別定位，并可以隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)布防，實(shí)用性強(qiáng)，是對(duì)傳統(tǒng)安防報(bào)警系統(tǒng)的重大改進(jìn)，運(yùn)用本論文的理論基礎(chǔ)還可以設(shè)計(jì)小區(qū)的職能安全管理系統(tǒng)，小區(qū)停車管理系統(tǒng)，軍隊(duì)駐防預(yù)警系統(tǒng)等其他智能安保預(yù)警系統(tǒng)，大大提高安保的工作效率，節(jié)約大量的人力物力。