基于WSN的工廠安防管理系統(tǒng)

摘要：從傳統(tǒng)報警系統(tǒng)的局限性出發(fā)，將入侵檢測技術(shù)與身份識別技術(shù)相結(jié)合，通過對同一時刻檢測的信號的辨析及入侵探測設(shè)備的發(fā)出信號來辨別非法入侵與合法進(jìn)入。結(jié)合實際，設(shè)計一套基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的人體探測、身份識別和定位應(yīng)用于工廠等大型場所的智能安防監(jiān)測系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：無線傳感器；安防系統(tǒng)；人體探測；身份識別

1 引 言
1．1 基于WSN的身份識別技術(shù)
隨著計算機技術(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)還存人體探測精度低、存在誤報、漏報現(xiàn)象。究其原因，在于探測技術(shù)只能在分辨現(xiàn)場物理量的變化，不能清晰分辨“敵”我。與此同時現(xiàn)有系統(tǒng)一般均為點監(jiān)控，無法實現(xiàn)面監(jiān)控，對入侵人員出現(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，監(jiān)控設(shè)備大、復(fù)雜，能耗高，不靈活。因此，高探測精度，明辯雙方，智能、簡潔、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)測區(qū)域內(nèi)大量的微型智能的傳感器節(jié)點通過無線通信形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)。各節(jié)點間連接是采用無線信道，采用對等、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)測對象的信息，通過對數(shù)據(jù)局部采集、預(yù)處理及節(jié)點間數(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、控制與感測式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。ZigBee是一種經(jīng)濟、安全、可靠的選擇。在自動化領(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)定位算法分為兩個步驟：第一步計算網(wǎng)絡(luò)中未知節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點的距離或角度。第二步，利用數(shù)學(xué)方法計算出未知節(jié)點的自身位置坐標(biāo)。目前常用的未知節(jié)點自身位置坐標(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)點到信標(biāo)節(jié)點之間的距離或角度。常用計算定位的方法分為基于測距的和不基于測距的。在基于測距的算法中典型方法有四種：到達(dá)時間、到達(dá)時間差、到達(dá)角度和接收信號強度指示的算法等。這些測量方法測量了節(jié)點間的距離或角度，一般數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確，定位精度高，但對節(jié)點的硬件配置要求較高，易受外界環(huán)境因素的影響。不基于測距的方法是利用節(jié)點間的連通性和多跳路由信息交換等方法來估計節(jié)點間的距離或角度，受外界環(huán)境因素的影響小，對硬件要求不高，這種方法更多的得到人們的使用。不基于測距的典型算法有質(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
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)器及多個路由節(jié)點，如圖1所示，路由節(jié)點與各終端節(jié)點組成子網(wǎng)，負(fù)責(zé)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的一部分，各子網(wǎng)間相互獨立，在終端節(jié)點上安裝各種傳感器，負(fù)責(zé)所需的測量，數(shù)據(jù)采集及確定所屬的路由節(jié)點。子網(wǎng)內(nèi)的終端節(jié)點再同時與路由節(jié)點構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。首先給終端節(jié)點布置固定的位置，負(fù)責(zé)采集信息及發(fā)送信息到路由節(jié)點，此過程通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中路由節(jié)點，與各路由節(jié)點進(jìn)行通信，實現(xiàn)對工廠安防的網(wǎng)絡(luò)化管理；監(jiān)控中心對系統(tǒng)全部功能進(jìn)行管理，是整個安防管理及預(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。

以某個子網(wǎng)為例，組網(wǎng)成功后，終端節(jié)點處于休眠狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器每隔一定時間發(fā)出一次指令，指令被路由節(jié)點接收后，先是傳遞給下一級路由節(jié)點，之后傳送給自身子網(wǎng)內(nèi)的各終端節(jié)點。終端節(jié)點收到路由節(jié)點的指令后停止休眠，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；路由節(jié)點接收信息，傳送到上一級路由節(jié)點，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)測中心，監(jiān)測中心負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收及建數(shù)據(jù)庫存儲等。監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)或某子網(wǎng)的實時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，實現(xiàn)了監(jiān)測面積的擴大，廠區(qū)的大型化和分區(qū)管理。