基于脈沖電子圍欄與圖像傳感器的周界防范系統(tǒng)設(shè)計

浙江亞衛(wèi)通科技有限公司 陸 杭

1.系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)是一種融合了電子脈沖檢測可靠性、威懾性與圖像直觀性、準確性的周界防范系統(tǒng)。電子脈沖探測不受氣候環(huán)境的影響，可全天候工作。基于有線的報警檢測方法保障了系統(tǒng)的可靠性，誤報率低。前端圍欄能夠安裝在各種不同地形，應(yīng)用地域廣泛。圖像監(jiān)控很好地解決了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控對高帶寬傳輸系統(tǒng)的要求，使得系統(tǒng)在提供清晰圖像信息的同時，可部署在能量受限、低比特率數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊稀?/p>

系統(tǒng)前端沿防護周界架設(shè)金屬圍欄，按照現(xiàn)場不同的防護等級，每50至500米劃分為一個防區(qū)。采用高壓脈沖入侵探測技術(shù)，核心部件是脈沖探測主機，每個防區(qū)內(nèi)設(shè)置1臺脈沖探測主機，通過高壓絕緣導(dǎo)線前端金屬圍欄相連。布防時，脈沖探測主機不間斷地發(fā)送高壓低電流脈沖信號到前端圍欄，同時采集前端圍欄上的脈沖信號，當有入侵者試圖用超過設(shè)定的力拉動、蹬踏或破壞任何一根拉緊的前端合金線時，就會引起圍欄上入侵點附近電壓的應(yīng)變，其脈沖信號將發(fā)生變化，脈沖探測主機能精確檢測到入侵報警信號，并通過傳感器網(wǎng)關(guān)發(fā)出報警信息。同步觸發(fā)防區(qū)內(nèi)部署的圖像拍照模塊抓拍現(xiàn)場圖片，并上傳監(jiān)控中心。非法入侵人員觸及前端金屬圍欄時有明顯的觸電感，可起到威懾、主動阻擋作用。

系統(tǒng)信息傳輸采用無線、有線通信方式相結(jié)合，實現(xiàn)長距離周界沿線數(shù)據(jù)通信全覆蓋。通信系統(tǒng)包括監(jiān)控中心到分中心主機的廣域網(wǎng)，分中心主機到傳感器網(wǎng)關(guān)的互聯(lián)網(wǎng)/RS485總線，傳感器網(wǎng)關(guān)到脈沖探測主機的Zigbee/RS485總線。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理參見圖1。

對于長距離周界沿線一些無電區(qū)域，采用電源自供方案。

2.系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)

(1)在現(xiàn)有脈沖電子圍欄的基礎(chǔ)上，改進原有的定脈寬、定頻率的脈沖發(fā)生機制，通過單片機控制產(chǎn)生可調(diào)節(jié)脈寬、頻率、電壓的探測脈沖序列。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理圖

(2)在低速傳感器網(wǎng)絡(luò)上設(shè)計的圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)，圖像在分析后進行JPEG壓縮，并打上時間戳上傳上位機，現(xiàn)場終端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量自適應(yīng)調(diào)整圖像的尺寸及壓縮比，降低圖像上傳數(shù)量與通信流量，保證實時圖像上傳監(jiān)控主機。

(3)設(shè)計采用分布式存儲管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)中所有節(jié)點均具有處理、存儲、雙向通信能力，傳感器網(wǎng)關(guān)與圖像傳感器節(jié)點使用ARM9單片機，具有較強的處理能力與存儲管理能力，系統(tǒng)采用時間片輪轉(zhuǎn)、優(yōu)先級設(shè)置等機制，合理調(diào)配信息傳輸，建立現(xiàn)場小型SQLIT數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控中心SQLSERVER數(shù)據(jù)的分布式存儲模式，在通信中斷時各節(jié)點仍可獨立運轉(zhuǎn)，保證系統(tǒng)運行的可靠性。

(4)長距離總線技術(shù)。方案采用長距離通訊總線技術(shù)，單根總線最多能連接248臺脈沖探測主機，通信距離可達248km，能以不外加中繼的方式實現(xiàn)長距離通訊。整個線路數(shù)據(jù)傳輸延時不超過2s，解決了國內(nèi)有線方式長距離通訊的瓶頸問題。

3.系統(tǒng)設(shè)計與性能描述

3.1 脈沖探測主機

預(yù)留有GPRS遠程通訊模塊、Zigbee無線通訊模塊接口，當無法實現(xiàn)有線遠程數(shù)據(jù)傳輸時，可根據(jù)現(xiàn)場條件或用戶需求，選擇GPRS或Zigbee實現(xiàn)無線組網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊。如圖2所示。

主要性能指標：

(1)高壓脈沖2/4/8KV；(2)低壓脈沖：1KV；(3)脈沖周期：1s；(4)脈沖300mA的持續(xù)時間＜1.5ms；(5)脈沖持續(xù)時間≤0.1s；(6)脈沖電流峰值≤10A；(7)脈沖最大電量≤2.5mc；(8)脈沖能量≤5J。

圖2 脈沖探測主機原理圖

圖3 監(jiān)控軟件模塊圖

3.2 圖像拍照模塊

(1)輸出完整的JPEG文件。(2)圖像支持160×128，320×240，640×480多種分辨率。(3)采用串口的方式與主機傳遞圖像數(shù)據(jù)，多種傳輸速率可調(diào)，串行接口支持9600，19200，38400和57600波特率。(4)輸入電壓：DC+5V。(5)通過主機串口發(fā)送采集命令觸發(fā)開始圖像拍攝。

3.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

對于沒有通信線路或不宜布線的區(qū)域，系統(tǒng)采用基于ZIGBEE的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具備靈活的組網(wǎng)方式，低功耗的工作模式，適合能量受限、數(shù)據(jù)傳輸速率低的場所。系統(tǒng)采用Ember公司推出的Zigbee片上系統(tǒng)EM250，它集成了一個符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz射頻收發(fā)器和一個功能強大的高速率16位微處理器，支持網(wǎng)絡(luò)級的調(diào)試，系統(tǒng)的軟件開發(fā)簡便，微處理器主頻為12MHz，滿足作為協(xié)調(diào)器、全功能設(shè)備或簡化功能設(shè)備的要求。基于EM250實現(xiàn)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)簡易、方便，同時利用Ember的InSight集成開發(fā)環(huán)境，可快速地進行系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試、編譯，具有很強的實際應(yīng)用價值。

3.4 電源自供系統(tǒng)

本系統(tǒng)選用閥控密封式免維護鉛酸蓄電池，由于其維護很少，故又被稱為“免維護電池”，有利于降低系統(tǒng)維護費用；充放電控制器具備過充保護、過放保護和反接保護等功能。由于系統(tǒng)設(shè)計中采用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)可實時采集各太陽能供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)及蓄電池的狀態(tài)參數(shù)，并且可以傳遞控制指令及氣象信息來干預(yù)太陽能電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過功能強大的微處理器芯片，對太陽能電池實施智能管理及應(yīng)用維護，可以提高蓄電池的使用壽命，降低系統(tǒng)的維護和使用成本。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 監(jiān)控中心軟件

如圖3所示，通過C#語言開發(fā)的可視化界面操作，可以對周界沿線相關(guān)的路況信息、監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)及設(shè)備維護情況進行查詢管理，實時地進行沿線檢測與監(jiān)控，動態(tài)的在電子地圖上顯示出各種報警信息。

4.2 分中心軟件

負責(zé)下轄區(qū)域內(nèi)入侵報警事件管理，對部署在周界沿線的若干個傳感器網(wǎng)絡(luò)進行參數(shù)設(shè)置和運行狀況巡檢，并將設(shè)備運行的信息及報警事件通過網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控管理中心。

4.3 現(xiàn)場終端軟件

固化在傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)備內(nèi)，負責(zé)本傳感器網(wǎng)關(guān)下轄脈沖探測主機的報警事件采集，實時上傳現(xiàn)場信息至分中心，接收來自分中心監(jiān)控主機的查詢、設(shè)置指令。

5.結(jié)語

本文提出的基于脈沖電子圍欄與圖像傳感器的周界防范系統(tǒng)設(shè)計，將脈沖檢測技術(shù)與圖像傳感器用于入侵防范，極大的提高了入侵檢測的準確性與可靠性，解決了傳統(tǒng)的周界防范報警系統(tǒng)誤報、漏報率高的弊端，能有效地減少入侵事件的發(fā)生，對刑事、民事案件的發(fā)生起到積極防范作用，在高鐵、高速公路、機場，變電站，水廠，企業(yè)廠房、別墅，高檔小區(qū)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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