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(武警工程大学 军事通信学重点实验室，陕西 西安710086)

0 引 言

周界入侵探测是一种对超越规定界线非法进入限制区域的人员进行探测识别并发出报警信号的目标识别探测技术,主要应用于监狱防越狱、住宅小区防入侵和重要建筑物、办公场所、保密机构、军事禁区防冲击的外围警戒。传统的防越界方法主要依赖于人，包括瞭望观察、定时巡逻等，技术上通常采用视频监控和部署红外对射传感器的方法达到对限制区域的监控[1]。

随着经济社会的快速发展，需要进行越界探测的场所增多，区域扩大，传统以“人防”为主的工作模式难以满足当前需求。数字视频监控系统和红外对射传感器虽然从技术上缓解了一部分“人防”的压力，但受到监控区域自然环境、占地面积等因素的影响，一些部位难以架设有线数字视频监控设备和红外对射传感器，或者架设成本过高，形成监控盲区。而无线传感器网络(WSNs)以其低成本、低功耗、多功能、自组织、容错性强、无线通信等特点[2]，能够大量迅速地布置在围墙内或限制区域外围，通过多跳中继的方式把探测信息传送给控制中心，形成对限制区域全天候、全时段、全区域的警戒监控。

1 红外—超声波联合探测报警技术

进行越界探测要求传感器节点具有及时发现可疑目标并判断其是否越界的功能。各种传感报警技术各有优缺点，被动红外热释电报警技术的优点是无盲区、测量精度高、反应速度快、方向性强，不产生系统互扰问题，但其缺点是受环境影响较大、探测距离较近；超声波传感器存在测量盲区，容易产生串扰，容易受噪声的影响；红外传感器可以在一定程度上弥补超声波传感器存在测量盲区的缺点，超声波传感器可以弥补被动热释电红外容易受温度和地热等环境因素影响的缺点。

本文设计的无线传感器网络节点采用红外辐射与超声波相结合的方法进行目标识别，二者探测范围相当且重叠。系统的热释电红外传感器感应范围设计为8 m，超声波最远探测距离设计为6 m。节点部署在围墙墙体内或限制区域边界线周围，预设固定的ID号，以网状结构组织网络。前端探测节点采用热释电红外传感器接收人体辐射的峰值波长在9.5 μm左右的红外线进行目标识别[3]，一旦进入探测范围，立即向系统发出预报警信号并激活超声波传感器，通过超声波测距原理确定与目标的距离[4]，对距离小于安全值的目标进行报警。其中，节点间通信以多跳方式完成，将采集数据汇聚到Sink节点后传输给控制中心的计算机，并与其他联动报警机制联动报警，实现对限制区域周围的实时监测。控制计算机使用常见的Windows操作系统。红外—超声波联合报警系统工作流程如图1。

图1 红外—超声波联合报警系统工作流程

2 探测报警节点硬件设计

2.1 节点总体设计框架

无线传感器网络节点的设计必须满足低成本、低功率、高效率、可扩展、通用性强等实际需求，并且考虑到较为复杂的工作环境，在节点设计上采用模块化分层的方式，独立设计前端探测模块、数字处理模块、无线通信模块3个部分，并使用统一的标准接口将不同模块连接起来，节约开发资源和时间。通过比较，选择成本较低、功能较强的GAINz节点平台，并使用功耗小、成本低、复杂度低、时延短、协议栈简单，具有双向通信能力和地理定位功能的Zig Bee[5]技术进行传感器节点开发。

节点整体结构实际上是前端探测模块、数字处理模块和无线通信模块与GAINz节点的套接。其中热释电红外传感器和超声波传感器采集的信息分别由I2C总线和A/D转换通道传输给微处理器；蜂鸣器通过通用I/O接口控制；无线传输模块和电源模块通过标准50针管脚与GAINz平台套接，并通过I/O口给各模块供电。

2.2 传感器节点工作模块设计

如图2所示，无线传感器网络节点主要由热释电红外传感器、超声波传感器、微处理器、无线传输模块、电源调理模块等部分组成。

图2 无线传感器节点硬件结构模块化设计

2.2.1 升稳压电路

电源采用2节干电池提供的3 V直流电源供电，通过升压稳压器把电压提升到期望的5 V水平。器件上选择碱性DC—DC升压稳压器SP6641A，其静态电流为10 μA，最低启动电压为0.9 V，固定3.3 V或5 V输出电压的转换效率高达87 %。SP6641提供5引脚的SOT—23封装，SHDN引脚上1 mA的电流即可完成控制。调理电路原理如图3所示。

图3 升压稳压电路原理图

2.2.2 红外信号探测模块

本文使用RE200B热释电红外传感器和BISS0001红外信号处理器组成图4所示的红外信号探测模块。

RE200B通过加装菲涅尔透镜与放大电路配合，可以将信号强度放大到70 dB以上，探测到10～20 m内9.5 μm左右的红外波长，与人体37 ℃的体温相符合。BISS0001是由运算放大器、电压比较器和状态控制器、延迟时间定时器、封锁时间定时器及参考电压源等构成的数模混合专用集成电路，主要对采集到的红外信号进行放大、滤波、整形处理，经过处理后的信号被微处理器采样进行A/D 转换。根据使用者的实际需要，利用运算放大器OP1 组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高约为0.5VDD后，送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。

图4 红外信号探测模块原理图

2.2.3 超声波探测模块

本节点采用SRF08超声波传感器，其工作电压为5 V，工作电流为30 mA，工作频率为40 kHz。采用独特的触发指令集可以使SRF08工作在连续模式，使其在完成一次距离探测后自动进行第二次探测。

SRF08通过I2C与ATmega128L连接，电路原理图如图5所示。时钟线SCL和数据线SDA通过模块的引出电路，分别与ATmega128L上D0和D1端口连接，把采集的数据按照预设的时序发送给微处理器。

图5 超声波传感器接口电路原理图

2.3 数字处理模块

节点采用基于AVR精简指令集的低功耗CMOS 8位微处理器ATmega128L[6]构成核心处理电路，承担着设备控制、任务调度、能量计算、功能协调、通信协议、数据整合、数据转储等重要功能。通过在一个时钟周期内执行一条指令，ATmega128L可以取得1MIPS/MHz的性能，从而使得处理器核心的选择在功耗和执行速度之间取得平衡。另外，数字处理模块上配置了双排60针外部通用接口，主要包括2路8位PWN，8路10位ADC，2路USART接口，一组I2C接口，一组SPI接口等，并使用2个外部时钟源：7.372 8 MHz和32.768 kHz分别作为工作和低功耗操作的时钟源。功能结构如图6所示。

图6 微处理器模块功能结构图

2.4 通信传输模块

通信模块的无线收发器采用Chipcon As公司推出的首款符合2.4 GHz IEEE 802.15.4标准的射频收发器CC2420。它采用O-QPSK调制方式，最大收发波特率250 kB/s，码片速率达2 MChip/s，电流能耗仅为RX：19.7 mA，TX：17.4 mA，接收灵敏度高达-99 dBm，内部集成有VCO,LNA,PA和电源整流器，支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16 bit CRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护，并通过4总线SPI接口与微处理器相连，安全可靠、组网灵活、抗干扰能力强[7]。

3 报警系统软件设计

3.1 报警终端软件功能

如图7所示，当系统开始工作时，打开监控软件接收按钮，软件自动接收传感器采集的数据信息并显示在界面上的编辑框中，同时在后台进行分析，接收数据的传感器ID号与预设的地址进行匹配，并且与报警阈值进行比较判断。蓝色节点表示监测区域没有目标，不闪烁。当热释电红外传感器报警时，界面上与之匹配的节点闪烁并显示绿色；当超声波传感器工作时，界面上与之匹配的节点闪烁并显示黄色；当目标距离小于报警阈值，红外—超声波联合报警时，界面上与之匹配的节点闪烁显示红色。当系统停止工作时点击界面上的关闭按钮，软件结束工作。

图7 报警终端软件功能图

3.2 联合报警软件实现

本文用s1表示热释电红外传感器的值，当s1=T时表示红外传感器探测到目标，当s1=F时表示热释电红外传感器没有探测到目标；k表示超声波传感器开关信号，s2=50 cm作为阈值，当s2≤50时表示目标侵入监测区，否则不在。根据界面接收到的信息进行判断，然后调用不同颜色的位图，如图8所示，把数据分成4种情况。读取到数据时，首先判断s1是否为真，为“否”，则显示蓝色节点；如果是显示绿色节点，令k=1，表示激活超声波传感器并显示黄色节点，再判断s2是否小于等于50，判断为“是”，显示红色节点，判断为“否”，则继续显示黄色节点。更改节点显示颜色后如果重新接收到新数据就进行下一循环的判断，没有接收到新数据即结束。

图8 报警软件实现流程图

4 实验测试

本文在实验室环境下对设计的红外—超声波无线传感器节点进行测试。表1的实验数据显示了超声波传感器测定距离的准确度，在目标距离475,200,50 cm条件下，误差范围小于1 cm。

表1 超声波传感器测距精度测试

5 结束语

本文将无线传感器网络应用于周界入侵探测，设计了一种红外—超声波联合报警节点。节点基于GAINz平台，采用模块化设计方法，分别设计前端探测模块、无线通信模块和数字处理模块。工作时，各节点使用Zig Bee技术组织网络并进行无线通信，热释电红外传感器对进入限制区域监控范围的人体目标进行识别并触发超声波传感器，利用超声波测距原理对目标距离进行测定，对小于安全距离的目标进行报警。通过实验室测试，被动式红外报警和触发式超声波报警相结合，可以准确实现周界入侵报警功能，既能降低单一传感器的错报漏报的概率，又能够减少能耗。

参考文献:

[1] 陈育智.智能视频分析技术在周界报警系统中的应用[J].自动化仪表，2009，30(11):14-18.

[2] 于海斌,曾 鹏.智能无线传感器网络系统[M].北京:科学出版社，2006.

[3] 赵 威.基于热释电红外传感器网络的人体跟踪研究[D].合肥：安徽大学，2011.

[4] 丁立军，华 亮，陈 峰.基于超声波传感器与红外传感器的移动机器人感测系统研制[J].南通大学学报:自然科学版，2008(6):13-17.

[5] 原 羿，苏鸿根.基于Zig Bee技术的无线网络应用研究[J].计算机应用与软件，2008，21(6):89-91.

[6] Li Zhiyu,Shi Haoshan.Design and realization of the wireless sensor networks node based on ATmega128L[J].Computer Engineering and Applications,2006,27:23.

[7] 王秀梅，刘乃安.2.4 GHz射频芯片 CC2420实现Zig Bee无线通信设计[J].国外电子元器件，2005(3):59-62.