基于无线传感器网络的防盗墓系统设计

马亚松，韩焱，邵云峰，李坤

（中北大学信息探测与处理技术研究所，山西 太原 030051）

基于无线传感器网络的防盗墓系统设计

马亚松，韩焱，邵云峰，李坤

（中北大学信息探测与处理技术研究所，山西 太原 030051）

针对盗墓形势日益严重，传统防盗墓措施已经不能解决“高科技盗墓技术”出现的问题，提出一种基于无线传感器网络的防盗墓系统设计方案。该系统采用动态选择工作节点和对岗哨节点进行阈值设置的方式降低了系统的功耗；采用改进型Infrastructure结构，解决室内多遮挡无线传输衰减问题；利用无线网桥，完成远程控制平台对偏僻墓穴的实时监测。测试结果表明：对盗墓者定位与轨迹跟踪结果精确，无线传输距离≥13km，传输速率达16Mb/s，数据传输性能良好。

防盗墓；无线传感器网络；多遮挡；动态选择；Infrastructure结构；无线网桥

0 引言

近些年来盗墓[1]现象日益突发，不仅会给墓穴造成极大的破坏，而且会让众多有价值的文物流失，使得考古学家难以对文物进行正确的考证。为了防止盗墓，古人采取了许多措施，例如设置“疑冢”“机关”“形制”等。但是随着盗墓技术的不断“发展”，古人的防盗墓技术已经捉襟见肘。

考虑到采集现场为具有很高文化价值的墓穴，有线布设不但难度大，而且容易对墓穴造成破坏。无线传感器网络[2-5]因其网络覆盖范围大、自组织、动态拓扑、低功耗、易布设等特点非常适合墓穴的特殊环境。无线传感器网络的工作方式使得它在特殊环境中的使用有明显优势，在远距离、多传感的传输方面也可以有效解决有线带来的布设难度大、高成本、隐蔽性差等问题。

针对现代防盗墓系统，国外鲜有研究，我国是文物大国，对现代防盗墓系统做出了许多有益的研究。文献[6]提出采用ZigBee组网的方式完成对地震波信号的采集，但传输速率较慢，传输距离较短。文献[7]提出利用SuperE RTU解决无线远距离传输的问题，但数传电台的传输速率很难达到系统要求。本文设计采用改进的Infrastructure拓扑结构，有效地解决了无线信号在多遮挡下的传输问题，选择传输距离长达13 km的无线网桥[8-9]作为无线传输的中继，满足系统对远距离传输速率与距离的要求。

1 系统整体设计

系统用无线传感器网络覆盖被测区域，完成对目标的信息采集。每一个被测区域都有一个中心无线AP，负责信息的汇总与处理。无线AP通过网线与无线网桥连接，无线网桥再通过无线方式将数据传送到远程的控制平台上。系统总体结构图如图1所示。

远程控制平台对采集到的数据分别进行目标定位与轨迹跟踪[10]。目标定位中采用任意多元定位算法，满足节点的任意安装特性，实用性更强。轨迹跟踪对定位数据进行轨迹绘制，根据机动目标模型对定位数据进行匹配滤波。

图1 系统总体结构图

图2 墓室组网与节点布设示意图

2 硬件设计

2.1 无线传感器网络组网设计

Infrastructure结构是WIFI网络应用最为广泛的结构，它是STA（工作站）和无线AP共同搭建起来的网络结构，整个网络成星状，中间的无线AP起桥接作用，这样所有的STA就可以通过无线AP与其他有线或无线网络进行信息交互。在这种结构中，无线AP是最为重要的部分，因为它决定所支持STA的数量、WIFI热点的覆盖范围、安全级别等。

考虑到墓穴中的墓室众多、复杂和不规则，而单无线AP所支持的STA数量有限，所以采取改进型Infrastructure结构，一个墓室放置一个无线AP+无线路由器[11]的方式，所有无线路由器用其WDS功能进行级联，所有节点通过各自中心无线AP组成一个整体网络，最大程度保证了无线信号在墓室遮挡严重的情况下的保真传输，组网示意图如图2所示。

2.2 无线传感器网络节点的布设

由于墓穴中的墓室分布具有多样、隐蔽和空间不规则等特点，有规律地布设传感器阵列不现实。该设计采用的是任意多元方式布设传感器节点，根据墓室实际情况进行无规则高密度布设。节点布设图如图2所示。

2.3 基站

基站选择能远距离传输的无线网桥，采用先进的OFDM调制技术，2.4G/5.8GHz频段，符合IEEE802.11n标准，具有速率高、距离远等优势。支持300Mb/s网桥模式，网桥模式可达15km传输距离，800mW（29dBm）输出功率可调。天线选用2.4G高增益栅状无源天线，增益为27 dBi。被测区与终端各放置一套无线网桥+定向天线，被测区基站选择AP（无线接入点）模式，终端基站选择STA（站）模式。

2.4 无线传感器网络节点设计

传感器节点[12]对声源进行定位跟踪，节点采用高保真半球形拾音头为传感器模块，S3C6410为处理器，HX-M02 WIFI为无线通信模块。节点硬件框图如图3所示。

考虑到整体硬件电路设计尺寸问题，将其内嵌到半球形外壳里面，外接WIFI天线。实际安装方便，只需将节点固定到指定地点即可。

图3 节点硬件框图

3 功能实现

3.1 自动报警与动态跟踪

当没有移动目标出现时，某些少量岗哨节点对声音强度进行周期性的采样，其余大部分节点处于休眠状态，这时无线传感器网络用于状态监测。当岗哨节点发现声音强度超过某一阈值时，节点会进行两个工作：1）直接将目标入侵信息发送给最近的无线AP，通过无线AP发送给基站，最后由基站发回远程控制平台，提示目标入侵报警；2）唤醒邻近节点，与岗哨节点一起对声源进行采样，启动目标跟踪任务。当声源分贝低于设置的阈值时重新自动休眠，由下一批邻近声源的节点开始跟踪任务。这样就很大程度降低了系统的整体能耗，延长网络寿命。自动报警与动态跟踪示意图如图4所示。

图4 自动报警与动态跟踪示意图

阈值设定：墓穴可以考虑为理想安静环境，实际测试为较安静环境，用精密1级声级计测得人的走路声大约为40dB，墓穴节点的声音阈值应设定为30dB左右。

3.2 自动报警与动态跟踪

图5 任意多元定位算法

在无线传感器网络中对目标的定位是目标跟踪的基础，由于传感器是采用任意元、不规则的布设方式，所以定位算法不能再采用传统的特殊规则阵列定位算法。该系统采用任意多元定位算法，符合传感器节点动态变换的过程。定位原理如图5所示。

如图所示，其中P0为参考坐标系原点，其他传感器Pi坐标已知，点P为声源位置，声音在介质中的传播速度为c，Ri为声源P到传感器Pi的距离，t0i为Pi到P0的时间差，则R0i=ct0i=Ri-R0，所以可建立n个定位方程：

式中：

整理上式可得如下方程组：

求解上述方程组可得到声源的坐标P（x，y，z）。当方程个数大于未知数的个数时，等价于非线性最优化问题，采用最小二乘解与迭代法修正得到定位算法的优化值。

4 实验测试

4.1 网桥拉距实验

网桥拉距实验的目的是检测无线网桥在远距离的极限传输速率，无线网桥的接收端放置在山顶，发射端放置在山下的马路上。使用激光校准定向天线方向，接收端用上位机接收数据，显示码率，实际距离由GPS测距仪测得，不同距离下测得的无线网桥传输速率如表1所示。

表1 网桥在不同距离下的传输速率

无线网桥的搭建十分方便，并且该系统完全摆脱了对固定电源和无线网络的依赖，这使得该系统对环境的适应能力更强，例如在灾后或者没有4G基站的情况下完成远距离高速无线传输。

图6 室内节点布设图

图7 轨迹跟踪结果

4.2 模拟墓穴实验

实验中，选用一层多房间的实验室模拟墓穴环境，将节点随机大密度的摆放在墙壁、屋顶、走廊。每一个房间放置一个无线AP，最后由无线网桥把数据远距离传输到另一个楼房中的控制平台上。控制平台的上位机将目标的位置及时显示出来，并与预定的轨迹进行比较。

室内节点布设如图6所示，轨迹跟踪结果如图7所示。

5 结束语

系统用多室结构的楼层模拟真实墓穴，对人员目标进行了精确的轨迹跟踪定位。充分考虑墓穴多遮挡、偏僻、非破坏性的真实环境，采用多无线AP方式的改进型Infrastructure结构，有效解决了无线信号在多遮挡室内衰减严重的问题。利用无线网桥将WIFI传输距离扩展到了13km，传输速率达16Mb/s，符合实际远距离、高速传输要求。声音采集节点，具备低功耗、易安装、动态选择等特性，算法配合节点的任意多元方式完成定位、轨迹跟踪工作。这对在多遮挡情况下无线传感器组网以及无线传感器网络远距离、高速传输具有积极意义。

[1]古墓的“防盗门”[J].小学科学，2013（10）：12-13.

[2]黄建清，王卫星，姜晟，等.基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统开发与试验[J].农业工程学报，2013（4）：183-190.

[3]PRASAD P.Recent trend in wireless sensor network and its applications:a survey[J].Sensor Review，2015，35（2）：229-236.

[4]戴欢.无线传感器网络定位算法及其应用研究[D].无锡：江南大学，2012.

[5]司海飞，杨忠，王珺.无线传感器网络研究现状与应用[J].机电工程，2011（1）：16-20.

[6]王涛，李冠越，刘文博.基于ZigBee的古墓葬群防盗报警系统[J].电子测试，2013（增刊2）：67-69.

[7]王刚.SuperE RTU在防盗墓系统中的应用[J].自动化博览，2004（5）：104-105.

[8]贺颖颖.基于无线网桥技术的油田视频监控系统的实现[D].济南：山东大学，2015.

[9]曹恒，梅凯，姜崇，等.基于无线网桥的远程数据采集实时状态监测系统[J].仪表技术与传感器，2010（6）：44-47.

[10]林瑞仲.面向目标跟踪的无线传感器网络研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[11]朱山.室内无线传播及覆盖性能研究[D].武汉：华中科技大学，2012.

[12]吴超.基于ARM的无线传感器网络节点的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

（编辑：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

国家自然科学基金（61471325）；高等学校博士学科点专项科研基金（博导类）（20121420110006）；国防重点实验室基金（9140c12040051010）

马亚松（1990-），男，河北晋州市人，硕士研究生，专业方向为信号处理与定位算法、无线传感器网络。