监狱信息化建设
基于ZigBee的监狱安全监测系统设计
刘博宁 宋国强
(贵州大学 计算机科学与信息学院,贵州贵阳 550025)
摘要:本文介绍了一套基于ZigBee技术和传感器技术的监狱安全监测系统设计方案,结合现代传感器技术,构建成一个基于ZigBee技术的无线传感器网络;该系统能够实时监测监狱重要位置及场所(比如监狱围墙、弹药库等)人员流动情况及环境状况,还具有监狱人员位置历史记录管理查询功能。
关键词:监狱安全监测;无线传感网络;ZigBee; CC2420
中图分类号:TP302.1 文献标识码:A 文章编号:1003-9767(2010)12-0049-02
1. 引言
监狱作为国家的刑罚执行机关,担负着拘押罪犯、维护社会稳定安宁、警示犯罪的重要职能。目前,已经使用的监狱安全监测管理系统多数是视频监视系统,少部分采用了有源无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术,但目前的RFID技术还有待完善,有源标签的功耗指标和智能化水平有待提高,识读器和传输设备的价格还较贵,这些因素使得它的大面积推广应用受限。ZigBee技术自身的特点,正好弥补了RFID系统在监狱监测应用时遇到的一系列问题,鉴于此,我们设计了基于ZigBee的无线传感器网络监狱监测管理系统。
送给中继节点,中继节点收到信号后再把信号依次传给下一个节点直到网络协调器(离协调器距离较近的中继节点直接把信号传到网络协调器),由网络协调器通过串行口传给监控中心主机。分布节点(node)与中继节点(router)构成数据采集簇,数据经由中继节点转发到协调器(coordinator)的传输路径构成了树状结构。
3. 系统实现
3.1 ZigBee节点硬件设计
ZigBee无线传感器网络节点通常由4个主要模块构成:传感器模块、处理器模块(微处理器、存储器)、无线收发模块和电源模块,如图2所示。此外,还可选择其他外围功能模块,例如定位模块、声音报警模块等。无线传感器网络节点其实现机理是以ZigBee 传输模块代替传统的串行通信模块,将采集到的信息数据以无线方式准确地发送出去。
2. 基于ZigBee的无线传感器网络的监狱监测系统结构
2.1 ZigBee技术
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案。ZigBee无线传感器网络是由大量的ZigBee传感器节点(node),通过无线传输信息的方式构成的一个网络。传感节点把采集到的相关信号打包编码后发送给中继节点,中继节点再把这些信号依次传给下一个节点,直到网络协调器,再通过网络协调器串行口传给监控中心主机。ZigBee的无线传感器网络的每个节点功耗低、体积小,但智能化水平很高,可以连接丰富的传感器,都能够通过网络相互联系。因此,网络不只是完成了移动节点的位置定位测试,还可以完成声音、图像和被监视人员的温度、脉搏测试和传输,因此,极大地弥补了RFID系统和其他技术的监狱监测管理系统的不足。
2.2网络结构图
本系统由ZigBee的传感器节点、中继器、协调器及监控显示设备组成,如果图1所示。传感节点终端把采集到的数据打包编码后发
图2 ZigBee节点硬件结构框图
3.2 ZigBee节点主要模块设计(1)处理器模块选型
选用Atmel公司的ATmega128L微控制器,它是基于8位AVR RISC结构的低功耗CMOS微处理器,具有128KB的系统内可编程FLASH,4KB的SRAM和E2PROM,2个8位和2个16位定时器/计数器,8路10位ADC通道,具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器,片内模拟比较器、JTAG、USART、SPI等丰富接口;另外,ATmega128L除了具有正常操作模式外,还有6种不同等级的低功耗睡眠模式,因而很适合于本文所设计的应用环境。
(2)RF模块设计
选用CC2420作为射频模块,它的主要特点是:低功耗、低成本、兼容2.4GHz IEEE802.15.4标准的无线收发芯片,另外只需要非常少的外部组件即可确保短距离通信。该芯片支持250 kbps的传输速率,码片速率达到2 MChip/s,可以迅速的构建多点对多点的无线网络。
(3)传感器模块设计
本传感器主要是监测武器弹药库、仓库、服务器机房、围墙等人迹罕至的场所的入侵。选用RE200B红外传感器(室内使用),
图1 网络结构图
该传感器采用热释电材料,极化随温度变化的特性探测红外辐射,采用双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰,提高了传感器的工作稳定性。工作波长7-14µm,在工作温度 -20℃- +70℃下,平均透过率 >75%,主要监测人员活动目标。选择NXV-960A振动传感器,它是一款高灵敏度和触发可靠性的全向振动传感器,具有灵敏度可调,高抗干扰能力,守候功耗电流低至5mA,工作电流一般为15mA,工作温度在-10~+50℃、湿度低于90%等特点。它们相互搭配部署在监狱武器弹药库、仓库、服务器机房、围墙等地方,能够实时可靠监测人员的活动。该传感器模块与CPU接口电路框图如图3所示。
图3 传感器模块及其接口电路框图
4. ZigBee节点软件和协调器软件设计
在网络中,协调器集中若干无线传感器节点数据,协调器上电后,首先初始化协议栈,然后进行能量检测,信道扫描,建立网络。传感器节点上电后首先进行信道扫描,搜寻网络协调器并与之建立连接,然后传递采集到的相关数据。其相应程序流程图如图4所示。
图4 软件流程图
5. 结束语
基于ZigBee的无线传感器网络监狱监测管理系统,给监狱干警佩戴ZigBee移动节点卡,给囚犯佩戴不可拆卸的ZigBee移动节点腕表;结合监狱的重要目标的红外、振动传感器节点监控,具有很高的实时性、准确性及有效性。整个系统功耗低、效率高、成本低,硬件设备小巧便于扩展部署和维护,还有声音、视频监控功能,可大大提升监狱安全监控管理的水平,真正实现监狱的“现代化与智能化管理”。
参考文献:
[1]吕治安,ZigBee网络原理与应用开发. 北京:北京航空航天大学出版社,2008.
[2]ATmega128L,datasheet.Atmel Comporation,2001.
[3]CC2420 datasheet,http://focus.ti.com/lit/ds/symlik/cc2420.pdf.
[4] 金纯,等. ZigBee技术基础及案例分析. 北京:国防工业出版社,2008.
[5] 孙利民,等. 无线传感器网络. 北京:清华大学出版社,2005.
(上接第48页)
secret = test
shortname = SiitRadiusnastype = other}
3.2 在接入交换机上开启802.1x验证功能
本文使用华为Quidway S3050 交换机,配置命令及相关说明如下:
[SiitRadius]server-type huawei //设置服务器类型[SiitRadius]dot1x // 802.1x全局开启
[SiitRadius]radius scheme Siit //新的Radius服务器[SiitRadius-radius-Siit]primary authentication 192.168.1.254[SiitRadius-radius-Siit]primary accounting 192.168.1.254[SiitRadius-radius-Siit]secondary authentication 192.168.1.253[SiitRadius-radius-Siit]secondary accounting 192.168.1.253[SiitRadius-radius-Siit] accounting optional //允许不计费认证[SiitRadius-radius-Siit]key authentication test //与freeradius服务验
证的密文
[SiitRadius-radius-Siit]user-name-format without-domain3.3 客户端配置与测试验证
在WindowsXP sp3 系统自带802.1x客户端,只是其Wired AutoConfig服务在默认情况下该是禁止的,所以要通过服务面板启动该服务,并在本地网络连接的属性中启用该选项。
经过测试,当用户名和口令输入正确时,身份验证通过,主机连接到网络。
4. 结束语
通过实验验证,利用基于802.1x身份认证的网络接入方案,能够有效杜绝非法用户利用终端设备接入网络,同时,有效监控合法用户的网络行为,提高网络发现和防御安全威胁的能力。当将802.1x身份认证与安全策略服务器、第三方服务器的联动时,能够有效控制终端用户行为,检测客户端软件漏洞,自动下载补丁和软件更新,有效提高网络的主动防御能力。