基于脉冲电子围栏与图像传感器的周界防范系统设计

【摘要】针对日趋严峻的周界安防现状，提出一种基于脉冲电子围栏与图像传感器的周界防范系统设计，不受地形，气候的影响，可部署在长距离周界上，对入侵行为实施有效阻拦，并将报警信息及现场实时图片上传监控中心，实现长距离的信息通信。对于周界沿线一些无电区域，采用电源自供方案。系统极大的提高了入侵检测的准确性与可靠性，解决了传统的周界防范报警系统误报、漏报率高的弊端，能有效地减少入侵事件的发生，对刑事、民事案件的发生起到积极防范作用。

【关键词】脉冲检测；图像传感器；长距离；周界防范

1.系统概述

该系统是一种融合了电子脉冲检测可靠性、威慑性与图像直观性、准确性的周界防范系统。电子脉冲探测不受气候环境的影响，可全天候工作。基于有线的报警检测方法保障了系统的可靠性，误报率低。前端围栏能够安装在各种不同地形，应用地域广泛。图像监控很好地解决了传统视频监控对高带宽传输系统的要求，使得系统在提供清晰图像信息的同时，可部署在能量受限、低比特率数据传输的场合。

系统前端沿防护周界架设金属围栏，按照现场不同的防护等级，每50至500米划分为一个防区。采用高压脉冲入侵探测技术，核心部件是脉冲探测主机，每个防区内设置1台脉冲探测主机，通过高压绝缘导线前端金属围栏相连。布防时，脉冲探测主机不间断地发送高压低电流脉冲信号到前端围栏，同时采集前端围栏上的脉冲信号，当有入侵者试图用超过设定的力拉动、蹬踏或破坏任何一根拉紧的前端合金线时，就会引起围栏上入侵点附近电压的应变，其脉冲信号将发生变化，脉冲探测主机能精确检测到入侵报警信号，并通过传感器网关发出报警信息。同步触发防区内部署的图像拍照模块抓拍现场图片，并上传监控中心。非法入侵人员触及前端金属围栏时有明显的触电感，可起到威慑、主动阻挡作用。

系统信息传输采用无线、有线通信方式相结合，实现长距离周界沿线数据通信全覆盖。通信系统包括监控中心到分中心主机的广域网，分中心主机到传感器网关的互联网/RS485总线，传感器网关到脉冲探测主机的Zigbee/RS485总线。系统结构与原理参见图1。

对于长距离周界沿线一些无电区域，采用电源自供方案。

2.系统采用的关键技术

(1)在现有脉冲电子围栏的基础上，改进原有的定脉宽、定频率的脉冲发生机制，通过单片机控制产生可调节脉宽、频率、电压的探测脉冲序列。

(2)在低速传感器网络上设计的图像传感器网络，图像在分析后进行JPEG压缩，并打上时间戳上传上位机，现场终端根据网络通信质量自适应调整图像的尺寸及压缩比，降低图像上传数量与通信流量，保证实时图像上传监控主机。

(3)设计采用分布式存储管理系统，本系统中所有节点均具有处理、存储、双向通信能力，传感器网关与图像传感器节点使用ARM9单片机，具有较强的处理能力与存储管理能力，系统采用时间片轮转、优先级设置等机制，合理调配信息传输，建立现场小型SQLIT数据库、监控中心SQLSERVER数据的分布式存储模式，在通信中断时各节点仍可独立运转，保证系统运行的可靠性。

(4)长距离总线技术。方案采用长距离通讯总线技术，单根总线最多能连接248台脉冲探测主机，通信距离可达248km，能以不外加中继的方式实现长距离通讯。整个线路数据传输延时不超过2s，解决了国内有线方式长距离通讯的瓶颈问题。

3.系统设计与性能描述

3.1 脉冲探测主机

预留有GPRS远程通讯模块、Zigbee无线通讯模块接口，当无法实现有线远程数据传输时，可根据现场条件或用户需求，选择GPRS或Zigbee实现无线组网数据通讯。如图2所示。

主要性能指标：

(1)高压脉冲2/4/8KV；(2)低压脉冲：1KV；(3)脉冲周期：1s；(4)脉冲300mA的持续时间＜1.5ms；(5)脉冲持续时间≤0.1s；(6)脉冲电流峰值≤10A；(7)脉冲最大电量≤2.5mc；(8)脉冲能量≤5J。

3.2 图像拍照模块

(1)输出完整的JPEG文件。(2)图像支持160×128，320×240，640×480多种分辨率。(3)采用串口的方式与主机传递图像数据，多种传输速率可调，串行接口支持9600，19200，38400和57600波特率。(4)输入电压：DC+5V。(5)通过主机串口发送采集命令触发开始图像拍摄。

3.3 无线传感器网络

对于没有通信线路或不宜布线的区域，系统采用基于ZIGBEE的传感器网络，具备灵活的组网方式，低功耗的工作模式，适合能量受限、数据传输速率低的场所。系统采用Ember公司推出的Zigbee片上系统EM250，它集成了一个符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz射频收发器和一个功能强大的高速率16位微处理器，支持网络级的调试，系统的软件开发简便，微处理器主频为12MHz，满足作为协调器、全功能设备或简化功能设备的要求。基于EM250实现的ZigBee无线传感器网络实现简易、方便，同时利用Ember的InSight集成开发环境，可快速地进行系统的开发、调试、编译，具有很强的实际应用价值。

3.4 电源自供系统

本系统选用阀控密封式免维护铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于降低系统维护费用；充放电控制器具备过充保护、过放保护和反接保护等功能。由于系统设计中采用了无线传感器网络，使系统可实时采集各太阳能供电系统的工作状态及蓄电池的状态参数，并且可以传递控制指令及气象信息来干预太阳能电池系统的工作状态，通过功能强大的微处理器芯片，对太阳能电池实施智能管理及应用维护，可以提高蓄电池的使用寿命，降低系统的维护和使用成本。

4.系统软件设计

4.1 监控中心软件

如图3所示，通过C#语言开发的可视化界面操作，可以对周界沿线相关的路况信息、监控设备运行状态及设备维护情况进行查询管理，实时地进行沿线检测与监控，动态的在电子地图上显示出各种报警信息。

4.2 分中心软件

负责下辖区域内入侵报警事件管理，对部署在周界沿线的若干个传感器网络进行参数设置和运行状况巡检，并将设备运行的信息及报警事件通过网络传送到监控管理中心。

4.3 现场终端软件

固化在传感器网关设备内，负责本传感器网关下辖脉冲探测主机的报警事件采集，实时上传现场信息至分中心，接收来自分中心监控主机的查询、设置指令。

5.结语

本文提出的基于脉冲电子围栏与图像传感器的周界防范系统设计，将脉冲检测技术与图像传感器用于入侵防范，极大的提高了入侵检测的准确性与可靠性，解决了传统的周界防范报警系统误报、漏报率高的弊端，能有效地减少入侵事件的发生，对刑事、民事案件的发生起到积极防范作用，在高铁、高速公路、机场，变电站，水厂，企业厂房、别墅，高档小区等领域具有良好的应用前景。

参考文献

[1]刘海忠.电子围栏中心监控平台的设计与开发[D].华中师范大学,2012(05).

[2]汪煜.电子围栏入侵报警防护技术的解析与应用[J].中国安防,2009(07).

[3]刘小波.智能化小区的安全系统方案[J].山西建筑,2007(29).

基金项目：2012年浙江省信息服务业专项资金（浙财企〔2012〕253号）。

作者简介：陆杭（1965—），男，浙江杭州人，工程师，浙江亚卫通科技有限公司研发中心副主任，主要负责公司硬件产品的研发与系统集成。