三、系统软硬件设计方案

　　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。

　　数字振动温度传感器DS181320是由Dallas公司开发的微型化、低功耗的可编程单总线数字振动温度传感器，可直接将测得的温度值转换为数字信号输出。DS18B20的工作遵循严格的单总线协议，即先初始化，然后，发送ROM命令，最后，发送功能命令。初始化包括主机发出复位脉冲(通过将总线拉低至少480μs来实现)，主机等待DS18B20发回的存在脉冲。DS18B20则从检测到复位脉冲的上升沿开始等待15～16μs后，通过将单总线拉低60～240μs，实现存在脉冲的发送。DS18B20的读写操作是通过读写时序来实现的。因此，采用DS18B20能使电路简单化，提高节点集成度和振动温度测量精度。

　　2、软件设计

　　本系统是一点对多点通信模式，所以，将通信协议分为3层：第一层为物理层，由nRF9E5模块硬件实现;第二层为网络层;第三层为应用层。

　　网络层采用TEEN(thresholds ensitiveenergyefficientsensornetworkprotocol)协议。该协议为响应型传感器网络协议，只是在被观测变量发生突变时才传送数据。由于传感器节点的能量有限，且不便补充，故使用该协议可有效地节约能量，延长网络寿命。另外，在监狱安防系统中，只有当振动和温度数据产生突变时，才需要传输数据，而持续的以恒定速率发送监测数据给sink节点对于监狱安防系统来说是不必要的。图3、图4分别为主机模块软件流程图和节点模块软件流程图。

　　在具体应用中，TEEN中定义了硬、软2个门限值，以确定是否需要发送监测数据。硬门限的设置，当温度以及振动超过该值时，则节点发送监测数据到sink节点;软门限的设置，当振动以及温度变化范围超过该值时，则发送数据。

　　四、仿真与结果分析

　　为了验证算法的可行性和有效性，暂时不考虑风速、风向、温度、湿度、噪声等因素对定位精度造成的影响，假设声音在空气中的传播速度为340m/s。

　　假设3只传感器节点分布在100m×100m的区域。图中，o代表目标实际位置，*代表传感器节点位置，+号代表计算得到的目标位置。

　　通过静态分布的传感器阵列可以对目标进行定位。经过仿真验证，利用目标定位系统计算出的目标位置与实际目标位置之间的误差在可接收的范围内。当发生突发情况时，按照计算结果，通过警力可以迅速、有效的采取措施。

　　在100m×100m的正方形仿真区域中，随机均匀分布一定数量的节点，10，20，……，100，每个节点具有相同的通信距离10m，其中，有5个簇首节点。图6所示是DV-Hop定位算法在随机选取锚节点的情况下的定位误差。仿真结果表明：随着传感器节点数目的增加，定位所产生的误差减小。因此，在实际应用中，可以在综合考虑成本的基础上，适当的增加动态监测系统中传感器节点的数量。

　　五、结束语

　　监狱安防系统的根本目的就是给管理带来更高的可靠性，无线网络技术的发展给监狱安防系统的集成带来更宽阔的空间，不仅克服了安防系统集成过程中线缆限制引起的不便性，也使安防系统可以实现许多新的应用。本文所给出的无线传感器组网方式，无线传感器与控制网络的集成框架能够使无线网络技术在监狱安防系统中得到有效应用。