基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的防盜墓系統(tǒng)設(shè)計

馬亞松，韓焱，邵云峰，李坤

（中北大學(xué)信息探測與處理技術(shù)研究所，山西 太原 030051）

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的防盜墓系統(tǒng)設(shè)計

馬亞松，韓焱，邵云峰，李坤

（中北大學(xué)信息探測與處理技術(shù)研究所，山西 太原 030051）

針對盜墓形勢日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)防盜墓措施已經(jīng)不能解決“高科技盜墓技術(shù)”出現(xiàn)的問題，提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的防盜墓系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)采用動態(tài)選擇工作節(jié)點和對崗哨節(jié)點進(jìn)行閾值設(shè)置的方式降低了系統(tǒng)的功耗；采用改進(jìn)型Infrastructure結(jié)構(gòu)，解決室內(nèi)多遮擋無線傳輸衰減問題；利用無線網(wǎng)橋，完成遠(yuǎn)程控制平臺對偏僻墓穴的實時監(jiān)測。測試結(jié)果表明：對盜墓者定位與軌跡跟蹤結(jié)果精確，無線傳輸距離≥13km，傳輸速率達(dá)16Mb/s，數(shù)據(jù)傳輸性能良好。

防盜墓；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；多遮擋；動態(tài)選擇；Infrastructure結(jié)構(gòu)；無線網(wǎng)橋

0 引言

近些年來盜墓[1]現(xiàn)象日益突發(fā)，不僅會給墓穴造成極大的破壞，而且會讓眾多有價值的文物流失，使得考古學(xué)家難以對文物進(jìn)行正確的考證。為了防止盜墓，古人采取了許多措施，例如設(shè)置“疑冢”“機(jī)關(guān)”“形制”等。但是隨著盜墓技術(shù)的不斷“發(fā)展”，古人的防盜墓技術(shù)已經(jīng)捉襟見肘。

考慮到采集現(xiàn)場為具有很高文化價值的墓穴，有線布設(shè)不但難度大，而且容易對墓穴造成破壞。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2-5]因其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、自組織、動態(tài)拓?fù)洹⒌凸摹⒁撞荚O(shè)等特點非常適合墓穴的特殊環(huán)境。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作方式使得它在特殊環(huán)境中的使用有明顯優(yōu)勢，在遠(yuǎn)距離、多傳感的傳輸方面也可以有效解決有線帶來的布設(shè)難度大、高成本、隱蔽性差等問題。

針對現(xiàn)代防盜墓系統(tǒng)，國外鮮有研究，我國是文物大國，對現(xiàn)代防盜墓系統(tǒng)做出了許多有益的研究。文獻(xiàn)[6]提出采用ZigBee組網(wǎng)的方式完成對地震波信號的采集，但傳輸速率較慢，傳輸距離較短。文獻(xiàn)[7]提出利用SuperE RTU解決無線遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}，但數(shù)傳電臺的傳輸速率很難達(dá)到系統(tǒng)要求。本文設(shè)計采用改進(jìn)的Infrastructure拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有效地解決了無線信號在多遮擋下的傳輸問題，選擇傳輸距離長達(dá)13 km的無線網(wǎng)橋[8-9]作為無線傳輸?shù)闹欣^，滿足系統(tǒng)對遠(yuǎn)距離傳輸速率與距離的要求。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋被測區(qū)域，完成對目標(biāo)的信息采集。每一個被測區(qū)域都有一個中心無線AP，負(fù)責(zé)信息的匯總與處理。無線AP通過網(wǎng)線與無線網(wǎng)橋連接，無線網(wǎng)橋再通過無線方式將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程的控制平臺上。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

遠(yuǎn)程控制平臺對采集到的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行目標(biāo)定位與軌跡跟蹤[10]。目標(biāo)定位中采用任意多元定位算法，滿足節(jié)點的任意安裝特性，實用性更強(qiáng)。軌跡跟蹤對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行軌跡繪制，根據(jù)機(jī)動目標(biāo)模型對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配濾波。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 墓室組網(wǎng)與節(jié)點布設(shè)示意圖

2 硬件設(shè)計

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計

Infrastructure結(jié)構(gòu)是WIFI網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)，它是STA（工作站）和無線AP共同搭建起來的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個網(wǎng)絡(luò)成星狀，中間的無線AP起橋接作用，這樣所有的STA就可以通過無線AP與其他有線或無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互。在這種結(jié)構(gòu)中，無線AP是最為重要的部分，因為它決定所支持STA的數(shù)量、WIFI熱點的覆蓋范圍、安全級別等。

考慮到墓穴中的墓室眾多、復(fù)雜和不規(guī)則，而單無線AP所支持的STA數(shù)量有限，所以采取改進(jìn)型Infrastructure結(jié)構(gòu)，一個墓室放置一個無線AP+無線路由器[11]的方式，所有無線路由器用其WDS功能進(jìn)行級聯(lián)，所有節(jié)點通過各自中心無線AP組成一個整體網(wǎng)絡(luò)，最大程度保證了無線信號在墓室遮擋嚴(yán)重的情況下的保真?zhèn)鬏敚M網(wǎng)示意圖如圖2所示。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的布設(shè)

由于墓穴中的墓室分布具有多樣、隱蔽和空間不規(guī)則等特點，有規(guī)律地布設(shè)傳感器陣列不現(xiàn)實。該設(shè)計采用的是任意多元方式布設(shè)傳感器節(jié)點，根據(jù)墓室實際情況進(jìn)行無規(guī)則高密度布設(shè)。節(jié)點布設(shè)圖如圖2所示。

2.3 基站

基站選擇能遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)橋，采用先進(jìn)的OFDM調(diào)制技術(shù)，2.4G/5.8GHz頻段，符合IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)，具有速率高、距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢。支持300Mb/s網(wǎng)橋模式，網(wǎng)橋模式可達(dá)15km傳輸距離，800mW（29dBm）輸出功率可調(diào)。天線選用2.4G高增益柵狀無源天線，增益為27 dBi。被測區(qū)與終端各放置一套無線網(wǎng)橋+定向天線，被測區(qū)基站選擇AP（無線接入點）模式，終端基站選擇STA（站）模式。

2.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

傳感器節(jié)點[12]對聲源進(jìn)行定位跟蹤，節(jié)點采用高保真半球形拾音頭為傳感器模塊，S3C6410為處理器，HX-M02 WIFI為無線通信模塊。節(jié)點硬件框圖如圖3所示。

考慮到整體硬件電路設(shè)計尺寸問題，將其內(nèi)嵌到半球形外殼里面，外接WIFI天線。實際安裝方便，只需將節(jié)點固定到指定地點即可。

圖3 節(jié)點硬件框圖

3 功能實現(xiàn)

3.1 自動報警與動態(tài)跟蹤

當(dāng)沒有移動目標(biāo)出現(xiàn)時，某些少量崗哨節(jié)點對聲音強(qiáng)度進(jìn)行周期性的采樣，其余大部分節(jié)點處于休眠狀態(tài)，這時無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于狀態(tài)監(jiān)測。當(dāng)崗哨節(jié)點發(fā)現(xiàn)聲音強(qiáng)度超過某一閾值時，節(jié)點會進(jìn)行兩個工作：1）直接將目標(biāo)入侵信息發(fā)送給最近的無線AP，通過無線AP發(fā)送給基站，最后由基站發(fā)回遠(yuǎn)程控制平臺，提示目標(biāo)入侵報警；2）喚醒鄰近節(jié)點，與崗哨節(jié)點一起對聲源進(jìn)行采樣，啟動目標(biāo)跟蹤任務(wù)。當(dāng)聲源分貝低于設(shè)置的閾值時重新自動休眠，由下一批鄰近聲源的節(jié)點開始跟蹤任務(wù)。這樣就很大程度降低了系統(tǒng)的整體能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。自動報警與動態(tài)跟蹤示意圖如圖4所示。

圖4 自動報警與動態(tài)跟蹤示意圖

閾值設(shè)定：墓穴可以考慮為理想安靜環(huán)境，實際測試為較安靜環(huán)境，用精密1級聲級計測得人的走路聲大約為40dB，墓穴節(jié)點的聲音閾值應(yīng)設(shè)定為30dB左右。

3.2 自動報警與動態(tài)跟蹤

圖5 任意多元定位算法

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中對目標(biāo)的定位是目標(biāo)跟蹤的基礎(chǔ)，由于傳感器是采用任意元、不規(guī)則的布設(shè)方式，所以定位算法不能再采用傳統(tǒng)的特殊規(guī)則陣列定位算法。該系統(tǒng)采用任意多元定位算法，符合傳感器節(jié)點動態(tài)變換的過程。定位原理如圖5所示。

如圖所示，其中P0為參考坐標(biāo)系原點，其他傳感器Pi坐標(biāo)已知，點P為聲源位置，聲音在介質(zhì)中的傳播速度為c，Ri為聲源P到傳感器Pi的距離，t0i為Pi到P0的時間差，則R0i=ct0i=Ri-R0，所以可建立n個定位方程：

式中：

整理上式可得如下方程組：

求解上述方程組可得到聲源的坐標(biāo)P（x，y，z）。當(dāng)方程個數(shù)大于未知數(shù)的個數(shù)時，等價于非線性最優(yōu)化問題，采用最小二乘解與迭代法修正得到定位算法的優(yōu)化值。

4 實驗測試

4.1 網(wǎng)橋拉距實驗

網(wǎng)橋拉距實驗的目的是檢測無線網(wǎng)橋在遠(yuǎn)距離的極限傳輸速率，無線網(wǎng)橋的接收端放置在山頂，發(fā)射端放置在山下的馬路上。使用激光校準(zhǔn)定向天線方向，接收端用上位機(jī)接收數(shù)據(jù)，顯示碼率，實際距離由GPS測距儀測得，不同距離下測得的無線網(wǎng)橋傳輸速率如表1所示。

表1 網(wǎng)橋在不同距離下的傳輸速率

無線網(wǎng)橋的搭建十分方便，并且該系統(tǒng)完全擺脫了對固定電源和無線網(wǎng)絡(luò)的依賴，這使得該系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)，例如在災(zāi)后或者沒有4G基站的情況下完成遠(yuǎn)距離高速無線傳輸。

圖6 室內(nèi)節(jié)點布設(shè)圖

圖7 軌跡跟蹤結(jié)果

4.2 模擬墓穴實驗

實驗中，選用一層多房間的實驗室模擬墓穴環(huán)境，將節(jié)點隨機(jī)大密度的擺放在墻壁、屋頂、走廊。每一個房間放置一個無線AP，最后由無線網(wǎng)橋把數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)搅硪粋€樓房中的控制平臺上。控制平臺的上位機(jī)將目標(biāo)的位置及時顯示出來，并與預(yù)定的軌跡進(jìn)行比較。

室內(nèi)節(jié)點布設(shè)如圖6所示，軌跡跟蹤結(jié)果如圖7所示。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)用多室結(jié)構(gòu)的樓層模擬真實墓穴，對人員目標(biāo)進(jìn)行了精確的軌跡跟蹤定位。充分考慮墓穴多遮擋、偏僻、非破壞性的真實環(huán)境，采用多無線AP方式的改進(jìn)型Infrastructure結(jié)構(gòu)，有效解決了無線信號在多遮擋室內(nèi)衰減嚴(yán)重的問題。利用無線網(wǎng)橋?qū)IFI傳輸距離擴(kuò)展到了13km，傳輸速率達(dá)16Mb/s，符合實際遠(yuǎn)距離、高速傳輸要求。聲音采集節(jié)點，具備低功耗、易安裝、動態(tài)選擇等特性，算法配合節(jié)點的任意多元方式完成定位、軌跡跟蹤工作。這對在多遮擋情況下無線傳感器組網(wǎng)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離、高速傳輸具有積極意義。

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[2]黃建清，王衛(wèi)星，姜晟，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013（4）：183-190.

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（編輯：商丹丹）

Design of theft-proof tomb system based on w ireless sensor network

MA Yasong，HAN Yan，SHAO Yunfeng，LI Kun
（Institute of Information Detection and Processing Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

With growing cases of grave robbery，the conventional theft-proof tomb measures can no longer avoid high-tech robbery.To address this problem，a design scheme of a theft-proof tomb system based on wireless sensor network is proposed.The system reduces power consumption through dynamic selection of work nodes and threshold value setting of sentry nodes.Improved Infrastructure structure is applied to tackle the wireless transmission attenuation problem because of multi-occlusion in the tomb and wireless bridge is used for real-time monitoring of desolate tomb through remote control platform.Test results show that the proposed method can accurately locate and track the tomb-robber，with wireless transmission distance being no less than 13km and transmission rate up to 16Mb/s，showing excellent data transmission performance.

theft-proof tomb；wireless sensor network；multi-occlusion；dynamic selection；Infrastructure structure；wireless bridge

A

1674-5124（2017）05-0066-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.05.014

2016-07-19；

2016-09-20

國家自然科學(xué)基金（61471325）；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金（博導(dǎo)類）（20121420110006）；國防重點實驗室基金（9140c12040051010）

馬亞松（1990-），男，河北晉州市人，碩士研究生，專業(yè)方向為信號處理與定位算法、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。