專利名稱：一種基于無線射頻節(jié)點網(wǎng)絡(luò)探測的安全監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種無線安全監(jiān)控系統(tǒng)，尤其是一種利用無線射頻節(jié)點組成網(wǎng)絡(luò)對進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域的物體進(jìn)行實時的定位和跟蹤的系統(tǒng)。屬于無線安全監(jiān)控領(lǐng)域。
技術(shù)背景 目前，現(xiàn)有的安全監(jiān)控裝置有攝像頭，紅外設(shè)備，雷達(dá)和RFID等。一般的攝像頭需要通過有線連接傳輸監(jiān)控視頻，部署和改造起來比較困難，并且在某些涉及到個人隱私的場合不適合使用。紅外設(shè)備要求環(huán)境溫度和監(jiān)測物體有明顯的溫度差，在許多情況下得不到滿足，而且在溫度變化劇烈的場合會造成很大的虛警。紅外和光學(xué)成像技術(shù)，在光線不足、場景存在煙霧或者熱源的情況下性能嚴(yán)重下降。雷達(dá)系統(tǒng)非常昂貴并且需要很大的發(fā)射功率才能達(dá)到一定的覆蓋范圍。雷達(dá)成像技術(shù)，不僅要求較大的能量消耗，而且設(shè)備笨重、成本較高；雷達(dá)成像技術(shù)利用目標(biāo)的回波信號來獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)，一般情況下無法獲得物體或場景的內(nèi)部信息；基于超寬帶(UWB)的穿墻雷達(dá)可以穿透墻壁等障礙物，但其大工作帶寬以及高能量消耗使得其終端與天線的設(shè)計存在許多問題；斷層掃描成像技術(shù)可以利用高頻射線對目標(biāo)的透射效應(yīng)得到目標(biāo)內(nèi)部信息，但高頻射線的獲取非常困難，不僅設(shè)備繁雜而且對人體有害。RFID系統(tǒng)也是利用無線電信號達(dá)到定位的目的，但是它要求進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域的物體攜帶一個能夠發(fā)射或者接收信號的電子標(biāo)簽，這對于那些非合作的進(jìn)入者比如說小偷顯然無能為力。

實用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有的安防系統(tǒng)受光照、溫度影響大，造價昂貴，并且對某些非合作的進(jìn)入者無能為力的不足，本實用新型提供了一種新的無線安全監(jiān)控系統(tǒng)，該安全監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠能對進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域的物體進(jìn)行實時的定位和跟蹤，而且輻射功率小，造價低廉，部署方便。本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)一種基于無線射頻節(jié)點網(wǎng)絡(luò)探測的安全監(jiān)控系統(tǒng)，包括多個無線射頻測量節(jié)點、I個或I個以上接收節(jié)點、計算機(jī)、監(jiān)控終端；所述每個無線射頻測量節(jié)點包括無線射頻收發(fā)器、天線、微處理器、存儲器、串口通信模塊，電源；所述每個接收節(jié)點包括無線射頻收發(fā)器、天線、微處理器、存儲器、串口通信模塊，電源;所述監(jiān)控終端是手持終端、顯示器、監(jiān)控臺中的I種或I種以上；所述無線射頻測量節(jié)點布置在待監(jiān)測區(qū)域外圍，呈矩形或方形布置且保證每個頂點處均布設(shè)有I個無線射頻測量節(jié)點，每兩個相鄰無線射頻測量節(jié)點之間的距離是相同的；每個無線射頻測量節(jié)點都位于其它各個無線射頻測量節(jié)點的射頻傳輸距離之內(nèi)；所述的每個無線射頻測量節(jié)點通過支架或懸掛或吸附方式置于距離地面一定高度，該高度與監(jiān)測區(qū)域內(nèi)運動目標(biāo)的橫截面高度相當(dāng)；[0009]所述接收節(jié)點的布置位置應(yīng)保證與各個無線射頻測量節(jié)點之間可進(jìn)行直接無線通信，即接收節(jié)點位于所有無線射頻測量節(jié)點的射頻傳輸距離之內(nèi)；所述無線射頻測量節(jié)點與接收節(jié)點之間通過無線方式進(jìn)行連接；所述計算機(jī)與接收節(jié)點之間通過有線或無線的方式進(jìn)行連接；所述計算機(jī)與監(jiān)控終端之間通過有線或無線的方式進(jìn)行連接。所述無線射頻測量節(jié)點能夠發(fā)送和接 收無線電信號并測量接收信號的強(qiáng)度值(RSS)，并以此作為測量信號，即所述無線射頻測量節(jié)點向接收節(jié)點發(fā)送的是該無線射頻測量節(jié)點接收到來自其它無線射頻測量節(jié)點的信號的強(qiáng)度值。任何兩個無線射頻測量節(jié)點構(gòu)成一條無線鏈路，N個無線射頻測量節(jié)點可以構(gòu)成N(N-l)/2條無線鏈路。作為優(yōu)選，所有的無線射頻測量節(jié)點位于同一平面。作為優(yōu)選，所述的無線射頻測量節(jié)點為采用Zigbee/IEEE802. 15. 4協(xié)議的無線傳感器節(jié)點。無線射頻收發(fā)器用于該節(jié)點向其他節(jié)點發(fā)射射頻信號，并同時接收來自其他節(jié)點的射頻信號；可采用2. 4GHz IEEE 802. 15. 4收發(fā)器實現(xiàn)；作為優(yōu)選，所述無線射頻測量節(jié)點中的無線射頻收發(fā)器、微處理器、存儲器采用集成芯片JN5139實現(xiàn)。作為優(yōu)選，所述無線射頻測量節(jié)點中的I個或I個以上節(jié)點還帶有用于提供該節(jié)點位置信息的GPS定位器。所述接收節(jié)點，用于接收來自各個無線射頻測量節(jié)點的測量數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機(jī)，計算機(jī)進(jìn)行測量數(shù)據(jù)解算從而獲得監(jiān)測區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的位置，進(jìn)一步地，還可將解算結(jié)果及位置信息發(fā)送到監(jiān)控終端；作為優(yōu)選，接收節(jié)點和/或計算機(jī)還包括GPRS通信模塊或3G通信模塊，用于將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控終端如監(jiān)控臺、顯示器、手持終端等；所述電源采用電池或交流電或太陽能進(jìn)行供電，以避免因為電量耗盡導(dǎo)致節(jié)點無法正常工作；作為優(yōu)選，電源包括太陽能電池板，鋰電池，電源管理模塊和外圍電路構(gòu)成；所述電源管理模塊采用CN3063芯片；本實用新型所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成一個星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。接收節(jié)點充當(dāng)協(xié)調(diào)器的角色，負(fù)責(zé)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)，并允許測量節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。每個測量節(jié)點以廣播的方式同其他測量節(jié)點進(jìn)行通信。為了避免測量節(jié)點同時發(fā)送信號會造成數(shù)據(jù)沖突，引入令牌環(huán)的機(jī)制即只有擁有令牌的測量節(jié)點才能發(fā)送信號。同時為了避免令牌在傳遞中丟失，還引入令牌重發(fā)機(jī)制。無線通信模塊采用支持Zigbee/IEEE 802. 15. 4協(xié)議的芯片，利用成熟的協(xié)議可以快速組網(wǎng)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，同時有功耗低的優(yōu)點。作為優(yōu)選，串口用于本地計算機(jī)和接收節(jié)點實時通信，天線使用2. 4GHz全向天線。本實用新型所述的計算機(jī)上安裝有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，利用得到的RSS數(shù)據(jù)，再結(jié)合每個無線射頻測量節(jié)點的位置估計出進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域的物體的位置，并以圖像的形式顯示出來。它包括以下幾個模塊I.預(yù)處理模塊完成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)正式工作前的一切必要工作。2.串口交互模塊實時的從串口讀取接收節(jié)點發(fā)送的RSS數(shù)據(jù)。[0027]3.信號處理模塊利用預(yù)處理部分得到的結(jié)果對從串口得到的RSS數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的處理。4.報警模塊用于當(dāng)從信號處理結(jié)果中檢測到有物體進(jìn)入到監(jiān)測區(qū)域時輸出報
警信號。5.圖形顯示模塊用于當(dāng)檢測到有物體進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域時，以圖形的形式顯示物體的位置和運動軌跡。6.歷史記錄模塊將物體進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域的時間及運動軌跡記錄下來。對比現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的有益效果是I.無線監(jiān)控節(jié)點部署在監(jiān)控區(qū)域外圍，輻射功率小，對監(jiān)控區(qū)域和監(jiān)控對象無傷害; 2.與監(jiān)控對象無接觸，無需監(jiān)控對象攜帶電子設(shè)備(如RFID或傳感器節(jié)點)；3.能夠同時對多個物體進(jìn)行定位跟蹤而且定位精度高，實時性好。

圖I是本實用新型所述的無線安全監(jiān)控系統(tǒng)的示意圖；圖2是本實用新型所述的無線射頻測量節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本實用新型所述的計算機(jī)上數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。圖I是本實用新型所述的無線安全監(jiān)控系統(tǒng)的示意圖。所述系統(tǒng)包括兩個部分，一個是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，另一是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由若干個無線射頻節(jié)點(例如采用Zigbee/IEEE802. 15. 4協(xié)議的無線傳感器節(jié)點)構(gòu)成，這些節(jié)點分為兩類，一類是無線射頻測量節(jié)點，另一類是接收節(jié)點。當(dāng)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)是否有人走動時，各個節(jié)點由支架支撐達(dá)到離地面lm-1. 8m高度。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為安裝VisualStudio 2008軟件的計算機(jī)。無線射頻測量節(jié)點均勻的部署在待監(jiān)測區(qū)域的周圍并測量任一條鏈路的RSS值，將RSS數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送給接收節(jié)點，接收節(jié)點將無線射頻測量節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)通過RS232串口發(fā)送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為安裝VisualStudio 2008軟件的計算機(jī)，它利用RSS數(shù)據(jù)按照既定算法估計出監(jiān)測區(qū)域內(nèi)每個像素的陰影衰落值，并以圖像的形式顯示出來。所述的節(jié)點構(gòu)成一個基于Zigbee/IEEE 802. 15. 4協(xié)議的星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，接收節(jié)點充當(dāng)協(xié)調(diào)器的角色，負(fù)責(zé)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)，并允許無線射頻測量節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，同時接收測量節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)并通過RS232串口傳給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。每個無線射頻測量節(jié)點用一個唯一的ID標(biāo)識，以廣播的方式同其他無線射頻測量節(jié)點進(jìn)行通信，ID從I開始按順序增加。為了避免無線射頻測量節(jié)點同時發(fā)送信號會造成數(shù)據(jù)沖突，引入令牌環(huán)的機(jī)制即只有擁有令牌的無線射頻測量節(jié)點才能發(fā)送信號。同時為了避免令牌在傳遞中丟失造成通信中斷，還引入令牌重發(fā)機(jī)制。為保證在某個時刻只有一個無線射頻測量節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，無線射頻測量節(jié)點按照ID號的順序發(fā)送數(shù)據(jù)，無線射頻測量節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀至少包括兩個部分，一個是該無線射頻測量節(jié)點的ID號，一個是記錄的RSS值。無線射頻測量節(jié)點在接收來自其他無線射頻測量節(jié)點的數(shù)據(jù)幀時，首先提取出該數(shù)據(jù)幀中的ID和并記錄該幀的RSS。如果該無線射頻測量節(jié)點的ID比該數(shù)據(jù)幀的ID大1，那么意味著在這個時刻應(yīng)該由該無線射頻測量節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，否則該無線射頻測量節(jié)點繼續(xù)等待。為了避免由于數(shù)據(jù)幀丟失而造成通信中斷，可以令每個無線射頻測量節(jié)點維護(hù)一個定時器，當(dāng)該測量節(jié)點接收到數(shù)據(jù)幀時重啟定時器，當(dāng)定時時間到時仍未收到數(shù)據(jù)幀時認(rèn)為通信中斷，由該無線射頻測量節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。[0043]圖2是本實用新型所述的無線射頻測量節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖。無線射頻測量節(jié)點包括無線射頻收發(fā)器、天線、微處理器、存儲器、串口通信模塊，電源。電源模塊采用太陽能電源，它包括太陽能電池板，鋰電池，電源管理模塊和外圍電路構(gòu)成。電源管理模塊米用CN3063芯片，CN3063是用太陽能電池供電的單節(jié)鋰電池充電管理芯片，內(nèi)部的8位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路能夠根據(jù)輸入電壓源的輸出能力自動調(diào)整充電電流，用戶不需要考慮最壞情況，可最大限度地利用輸入電壓源的電流輸出能力，非常適合利用太陽能電池等電流輸出能力有限的電源供電的鋰電池充電應(yīng)用。其中所述無線射頻收發(fā)器、微處理器、存儲器采用Jennic公司生產(chǎn)的JN5139芯片，JN5139是一種全集成、單芯片的兼容IEEE 802. 15. 4協(xié)議的芯片，功耗一般只有IOOmW,提供了高達(dá)-97dBm的接收靈敏度。芯片集成了一個32位的RISC處理器，可充分兼容 2. 4GHz IEEE 802. 15. 4 收發(fā)器，192kB 的 ROM，96KB 的 RAM，2 個 UART 端口，3個系統(tǒng)定時器和2個用戶定時器。天線采用2. 4G全向天線，串口通信模塊采用RS232。圖3是本實用新型中所述計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。本實用新型所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)基于以下原理在多徑效應(yīng)不明顯尤其是戶外的區(qū)域，無線電信號基本沿視距路徑(LOS)傳輸。當(dāng)不明物體進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域時，某些鏈路的LOS分量由于受到該物體的遮擋造成陰影衰落而導(dǎo)致RSS值發(fā)生顯著變化，而另一些鏈路的RSS值不發(fā)生變化。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)先是通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域平面網(wǎng)絡(luò)化，區(qū)域平面圖被均勻分成相同面積的網(wǎng)格，這里將這些網(wǎng)絡(luò)稱之為像素。建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里全局的鏈路對監(jiān)測區(qū)域平面進(jìn)行掃描，由無線射頻測量節(jié)點發(fā)送和接收無線電信號，測得接收RSS，由接收節(jié)點獲得后發(fā)送到計算機(jī)，求得陰影衰落值，而每條鏈路的陰影衰落可以看成每個像素陰影損耗與一個相應(yīng)的權(quán)重乘積的線性疊加，最后對線性方程求解反問題得到每個像素陰影損耗并以圖像的形式顯示出來，損耗最大的像素即圖像中最亮的像素被認(rèn)為是進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域的物體的位置。并通過不斷測量RSS值刷新圖像，達(dá)到實時跟蹤的目的。所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)算法包括I.陰影衰落與某條鏈路RSS變化的線性模型A y = ff A x+n (I)Ay為由于物體進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域?qū)е翿SS的變化值，Ax為陰影衰落值。2.權(quán)重矩陣的確定可以利用歸一化橢圓模型來確定權(quán)重矩陣W
權(quán)利要求1.一種基于無線射頻節(jié)點網(wǎng)絡(luò)探測的安全監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，包括多個無線射頻測量節(jié)點、I個或I個以上接收節(jié)點、計算機(jī)、監(jiān)控終端； 所述每個無線射頻測量節(jié)點包括無線射頻收發(fā)器、天線、微處理器、存儲器、串口通信模塊，電源； 所述每個接收節(jié)點包括無線射頻收發(fā)器、天線、微處理器、存儲器、串口通信模塊，電源； 所述監(jiān)控終端是手持終端、顯示器、監(jiān)控臺中的I種或I種以上； 所述無線射頻測量節(jié)點布置在待監(jiān)測區(qū)域外圍，呈矩形或方形布置且保證每個頂點處均布設(shè)有I個無線射頻測量節(jié)點，每兩個相鄰無線射頻測量節(jié)點之間的距離是相同的；每個無線射頻測量節(jié)點都位于其它各個無線射頻測量節(jié)點的射頻傳輸距離之內(nèi)；所述的每個無線射頻測量節(jié)點通過支架或懸掛或吸附方式置于距離地面一定高度，該高度與監(jiān)測區(qū)域內(nèi)運動目標(biāo)的橫截面高度相當(dāng)； 所述接收節(jié)點的布置位置應(yīng)保證與各個無線射頻測量節(jié)點之間可進(jìn)行直接無線通信，即接收節(jié)點位于所有無線射頻測量節(jié)點的射頻傳輸距離之內(nèi)； 所述無線射頻測量節(jié)點與接收節(jié)點之間通過無線方式進(jìn)行連接； 所述計算機(jī)與接收節(jié)點之間通過有線或無線的方式進(jìn)行連接； 所述計算機(jī)與監(jiān)控終端之間通過有線或無線的方式進(jìn)行連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于無線射頻節(jié)點網(wǎng)絡(luò)探測的安全監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所有的無線射頻測量節(jié)點位于同一平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于無線射頻節(jié)點網(wǎng)絡(luò)探測的安全監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述無線射頻測量節(jié)點向接收節(jié)點發(fā)送的是該無線射頻測量節(jié)點接收到來自其它無線射頻測量節(jié)點的信號的強(qiáng)度值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述任一種基于無線射頻節(jié)點網(wǎng)絡(luò)探測的安全監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述電源包括太陽能電池板，鋰電池，電源管理模塊和外圍電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種基于無線射頻節(jié)點網(wǎng)絡(luò)探測的安全監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述電源管理模塊采用CN3063芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述任一種基于無線射頻節(jié)點網(wǎng)絡(luò)探測的安全監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述的無線射頻測量節(jié)點為采用Zigbee/IEEE802. 15. 4協(xié)議的無線傳感器節(jié)點。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述任一種基于無線射頻節(jié)點網(wǎng)絡(luò)探測的安全監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述無線射頻測量節(jié)點中的無線射頻收發(fā)器、微處理器、存儲器采用集成芯片JN5139實現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述任一種基于無線射頻節(jié)點網(wǎng)絡(luò)探測的安全監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述無線射頻測量節(jié)點中的I個或I個以上節(jié)點還帶有用于提供該節(jié)點位置信息的GPS定位器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述任一種基于無線射頻節(jié)點網(wǎng)絡(luò)探測的安全監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述接收節(jié)點和/或計算機(jī)還包括GPRS通信模塊或3G通信模塊。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述任一種基于無線射頻節(jié)點網(wǎng)絡(luò)探測的安全監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述無線射頻收發(fā)器采用2. 4GHz IEEE 802. 15. 4收發(fā)器，天線使用2. 4GHz全向天線。
專利摘要本實用新型提供了一種基于無線射頻節(jié)點網(wǎng)絡(luò)探測的安全監(jiān)控系統(tǒng)，屬于無線安全監(jiān)控領(lǐng)域。包括多個無線射頻測量節(jié)點、1個或1個以上接收節(jié)點、計算機(jī)、監(jiān)控終端；所述每個無線射頻測量節(jié)點及接收節(jié)點均包括無線射頻收發(fā)器、天線、微處理器、存儲器、串口通信模塊，電源；所述無線射頻測量節(jié)點布置在待監(jiān)測區(qū)域外圍，呈矩形或方形布置；所述接收節(jié)點位于所有無線射頻測量節(jié)點的射頻傳輸距離之內(nèi)；所述計算機(jī)與接收節(jié)點以及監(jiān)控終端之間通過有線或無線的方式進(jìn)行連接。本實用新型不僅能夠能對進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域的物體進(jìn)行實時的定位和跟蹤，而且輻射功率小，造價低廉，部署方便。
文檔編號H04W24/00GK202374456SQ20112050630
公開日2012年8月8日 申請日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者劉珩, 卜祥元, 安建平, 王正歡 申請人:北京理工大學(xué)