基于WSN的校园立体监控系统

基于无线传感器网络的立体监控系统设计

1. 引言

近年来，高等院校的校园越来越开放，这为学生创造了宽松的学习和生活氛围，但也给校园管理与安全监控带来了巨大挑战。校园安全问题日益突出，主要体现在以下几个方面：一方面，由于电路老化和违规使用电器，校园火灾频发，对校园生活和财产造成严重危害；另一方面，校园盗窃案件较为普遍，而现有的有线监控方法无法实现有效的定位和预警功能。因此，有必要构建一个综合性校园监控与预警系统。

目前，随着宽带通信技术的快速发展，大量有线监控设施已逐步应用于校园安防系统，但仍无法实现对校园安全管理的实时和全方位覆盖。借助信息化和数字化校园的建设，通过无线方式实现校园的全方位监控，不仅能降低人力成本，而且对维护安全和校园管理具有重要意义。

无线传感器网络是一种新型的网络信息采集、传输与处理技术，具有低功耗、低成本、自组织和强抗毁性等特点。它可以减少布线带来的不必要成本，有效弥补有线覆盖网络的不足。因此，针对校园安全管理的不足，本文提出了一种基于无线传感器网络技术的无线监控网络，并结合无线 WIFI 技术实现对校园[1–2]的实时监控和预警。

2. 监控系统架构

为了实现全方位的校园安全管理，基于无线传感器网络构建了校园立体监控系统。该系统不仅能实现对校园火灾的监控与预警，还能实现对校园盗窃因素的实时定位。基于无线传感器网络的立体监控模型如图1所示。

该系统主要由无线传感器监控网络、远程监控管理中心和网关节点组成。被监控的传感器节点分布在校园区域，负责实时采集环境参数、定位、视频数据等信息，并与网关节点进行通信。各终端节点通过自组织多跳路由网络将监测数据传输至网关节点，网关节点通过 WiFi 模块对收到的数据进行数据预处理后，将数据传输至远程监控管理中心。远程监控管理中心对接收的数据信息进行分析、处理、存储和可视化展示，同时结合地理信息系统，实现对校园的全方位监控和精准预警。

3. 系统硬件设计

3.1 传感器节点硬件设计

传感器网络节点采用由 TI-Chipcon 公司生产的低功耗 CC2530 无线芯片。该芯片集成了射频前端、存储器和微控制器单元，采用 8 位单片机（8051）、8 KB RAM 和 128 KB 闪存[3]。此外，还包含模数转换器、定时器、AES128 协处理器、看门狗定时器、21 个可编程 I/O 引脚，以及 SPI、I2C（Inter-Integrated Circuit）和 UART 串口。传感器网络节点的内部结构如图2所示。

首先，传感器采集的数字或模拟信号通过数据采集模块输入到微处理单元。经过模数转换和相关数据处理后，由 CC22530 射频模块将数据发送至下一跳节点。相反，来自 CC22530 天线的传感器节点控制信号可通过 SPI 传输至微处理器，经其判断和处理后，通过相应的通用 I/O 端口传输至传感器节点，从而实现传感器节点相关控制。由于传感器节点具有 FLASH 存储模块并对采集的数据具有一定的存储能力，可以减少射频操作的频率，从而降低功耗。

3.2 网关节点设计

网关节点由协调器节点（汇聚节点）和 STM32 网关[4]组成。其内部结构如图3所示。汇聚节点与传感器节点具有相同的无线通信模块，主要负责监控数据接收和控制信息转发。STM32 网关主要负责 ZigBee 与 GPRS 的数据转换。由 Cygnal 公司开发的 C8051F320 主处理器通过串口与 STM32 网关通信，可实现全双工通信，适用于大规模、低成本的无线传感器网络。

STM32 网关节点采用 STM32F407ZGT6 作为微控制器芯片。与 8 位单片机相比，最大的区别在于除了寄存器编程外，还可以调用函数库或 HAL 库进行编程，实现各种功能设计并快速开发，且易于移植。同时，它采用了 24C02 EEPROM 存储芯片，其通信方式为 I2C 总线，接口实现非常方便，体积小，价格便宜。

4. 系统软件设计

4.1 网络模型假设

对传感器节点进行了以下五个假设：

(1) 传感器节点和基站部署后均保持静止，且基站部署在感知区域外的固定位置。
(2) 传感器节点是同质的。
(3) 传感器节点具有功率控制能力，可调节其发射功率。
(4) 传感器节点知道自身的地理位置信息。
(5) 使用数据融合来减少总的数据消息量。

4.2 网络节点路由的建立

为了便于对节点的控制和资源利用，将 TinyOS 2.0 操作系统移植到 CC2530 芯片上。TinyOS 提供了节点自动组网和路由功能，并提出了用于数据路由传输的收集树协议（CTP）[5]。在该协议中，网关被设置为根节点，其他节点根据路由梯度动态选择父节点作为下一跳，从而形成通往根节点的路由，构成指向根节点的收集树网络。CTP 提供了通向根节点的多跳数据传输，并具有路由选择机制以确保传输的可靠性。此外，通过检查数据包重复来抑制重复传输和路由环路。因此，选择 CTP 协议作为监控数据传输的底层通信协议。

4.3 采集模式的选择

为了减少无用数据的采集和传输，传感器节点采用基于阈值的运行模式。当监测数据小于上报阈值时，不进行发送；当监测数据大于上报阈值且小于报警阈值时，以较长周期上报实时数据；当监测数据超过报警阈值时，以较短周期报告实时数据。图4显示了节点采集周期流程图。

该方法不仅确保了关键实时数据的可靠获取，还减少了频繁发送无用数据所带来的能耗。

4.4 节点部署与定位

传感器节点是手动部署的，每个节点被分配一个唯一的 ID 编号[6]。结合地理信息系统，各区域的监测数据可以在用户界面上精确显示。与 GPS 定位技术相比，该方法更适合大规模、低成本、自组织的监控网络，且室内定位精度更高。

4.5 网关工作模式

网关节点由两部分组成。其中一部分是根节点与网络中其他传感器节点之间的数据交换，并周期性地收集监测数据、节点位置和时间信息；另一部分是通过 WiFi 模块将监测数据实时发送到监控中心。传感器网络数据通过通用异步收发传输器传输至 WiFi 无线模块，起到桥梁作用，且传输过程透明。

4.6 监控中心管理

监控中心存储数据于云服务器，并为用户提供可视化显示的用户界面，并根据数据分析结果向用户发出预警提示。

视觉呈现包含两个部分。为了便于监控人员掌握全局监控结果，结合地理信息系统，在地图上显示所有传感器节点的位置和实时数据。在显示节点标识的基础上，根据网络中标识的大小，实时显示各节点的数据和节点状态，以便监控人员同时提取和导出监测数据，并观察节点的异常状态，及时有效地维护整个网络系统。

预警机制的功能包括在软件界面上显示特殊标记的报警提示信息；通过监控中心的多媒体设备发出报警提示声音；向报警提示监控人员的个人移动设备发送报警提示信息。

5. 测量结果分析

基于无线传感器网络的监控系统，结合有线监测系统，形成一个全自动监测、全覆盖、实时监控系统。

目前，现场试验已在贺州大学的服务器机房完成。图5显示了该系统的硬件系统平台。

表1 显示了在服务器机房特定时间测量的温度和湿度数据。温度和湿度数据范围符合计算机房安全环境数据范围。实验结果表明，该系统稳定并满足预期要求。

指示符	传感器1	传感器2	传感器3	传感器4	传感器5	实际值
温度 (°C)	22.50	22.48	22.46	22.52	23.01	22.50
湿度 (%)	48	49	47	48	49	49

6. 结论

基于无线传感器网络的立体监控与预警系统具有自动监测、快速部署和低成本的优势。该原型系统已在试验段提前开展现场测试，完全达到了预期目标，具有较高的应用价值和现实意义。