无线传感器网络的基本组成元素是节点,在不同的应用中,传感器节点设计也各不相同,但它们的基本结构是一样的。节点的典型硬件结构如图2所示,主要包括如下几个单元:传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成),处理单元(由嵌入式系统构成,包括微处理器、存储器、信号调理电路等)、通信单元(由无线射频模块组成),以及电源部分。此外,可以选择的其他功能单元包括:定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。
2现场执行层设计方案
2.1静态监测系统设计方案
将无线传感器网络节点布置在狱室、生产区、制高点、禁闭室、教学区、医务室等,实现对于监狱的全面覆盖。将无线传感器网络技术引入监狱安防系统,主要是因为在监狱中传感器节点非常多,布线工程非常大,并且,许多区域不适合采用有线连接,如果采用无线接入方式,则使传感器的部署变得非常方便,可以方便地增加传感器节点或改变节点的位置。通过周期性或不定期地改变监测传感器节点的位置,可以消除现有有线监测系统在监测上的盲区,通过传感器阵列对目标进行定位。并且,由于监测节点的位置经常变化,犯人无法找到监测漏洞,从而更加完善安防系统。
2.2动态实时监测系统设计方案
通过将节点佩戴在犯人身上,利用定位机制实时掌握犯人的活动情况。但由于犯人数目较多,故只需传输两类数据:一是犯人的活动范围超过规定范围时;二是节点由于受到外力作用或是能量耗尽而失效时,远程中心必须检测到缺失的节点。传感器节点获取的数据可以在本地进行简单处理,然后,进行聚集并传送到基站(PC机或PDA),监狱的远程服务器和监测系统对每位被监测犯人的指标进行实时分析,通过专家系统判断犯人的实时状况。如果发现犯人出现异常或危险则进行报警并快速做出措施。同时,本系统还可以提供其他辅助功能,如犯人的定位跟踪。通过传感器网络在对犯人必要的振动、位置指标进行实时监测的同时还允许犯人在一定范围内自由活动,这有助于让患者保持良好的情绪,对于犯人的改造很有帮助。由于每个狱室都部署相应的传感器,所以,狱警还可以全面掌握犯人的休息情况。当犯人在狱室或在狱室外活动(要求病房外也要部署传感器网络)时,狱警仍然可以对其进行定位、跟踪,并及时获取其振动、位置指标参数。
将节点佩戴在狱警身上。利用节点上配置的振动传感器和定位系统,可以实时监控狱警的工作区域和保障其人身安全。一方面当发生突发情况时,如犯人袭警或犯人之间斗殴,监测系统和远程服务中心迅速做出反应,通知警力迅速到达事发现场进行支援;另一方面,通过对狱警的定位跟踪,可以掌握狱警的工作情况,有利于提高工作效率。
3系统软硬件设计方案
3.1传感器节点的设计
每个传感器节点包括1只或多只传感器元件,mote和电池组。传感器主要探测振动和温度的数据,mote负责对这些数据进行处理并通过网络传输到基站。
射频采用nRF9E5,nRF9E5是由挪威Nordic公司推出的系统级RF芯片。其采用GFSK调制,抗干扰能力强;支持多点通信,数据传输速率高可达0.1MB/s;具有特有的ShockBurst信号发射模式和发射信号载波监测功能,可有效地降低功耗电流、避免数据冲突。内部寄存器为用户提供了基础的通信协议,便于用户扩展,因此,很适用于无线数据传输系统的设计。nRF9E5的收发器有3种工作方式:ShockBurst接收(RX)方式、ShockBurst发送(TX)方式和空闲方式。nRF9E5收发器的工作方式由特殊功能寄存器TRX_CE和TX_EN决定。