一种基于混合架构的低功耗野外安防系统
技术领域
本发明涉及野外安防系统领域，具体地说涉及一种基于混合架构的低功耗野外安防系统。
背景技术
一直以来，地质勘探、考古探索、生态科考、部队野训等野外作业时，工作人员都面临着野外临时营地受外界侵扰、破坏的安全隐患，人员、设备和保密安全都受到严重威胁，野外作业时，入侵安全隐患多、破坏大、人员少、任务重、供电能力受限，如何在野外临时驻扎区域在有限条件下的快速、有效的搭建野外安防系统用来保护重要物资和人员安全是目前安防领域亟待解决的难点问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种便于部署、实时有效的基于混合架构的低功耗野外安防系统。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种基于混合架构的低功耗野外安防系统，包括多个综合感知节点、云端服务器、控制终端和多个附属设备，
所述综合感知节点包括依次连接的振动传感器、值守单元和主控单元，所述主控单元与无线通信单元A、北斗定位单元、北斗通信单元A、摄像头一一连接，供电单元A连接值守单元、主控单元、无线通信单元A、北斗定位单元、北斗通信单元A及摄像头，所述综合感知节点通过北斗信道与所述云端服务器通信；
所述云端服务器，搭载云端控制程序，用于确认入侵情况、动态分簇、数据识别并与所述综合感知节点和控制终端进行数据交换；
所述控制终端包括控制单元，所述控制单元与北斗通信单元B和无线通信单元B连接，所述控制单元的输出端连接显示单元，所述控制终端通过北斗信道与所述云端服务器通信，所述控制终端通过无线通信方式与附属设备通信；
所述附属设备，通过无线通信单元与控制终端通信，用于多个附属设备共享警报信息。
进一步的，所述供电单元A包括电源和电源监测板，所述电源监测板用于监测电源状态。
进一步的，所述每个综合感知节点具备自身标识码。
进一步的，所述综合感知节点根据聚类算法形成簇状拓扑结构，所述综合感知节点形成拓扑结构后的状态包括簇头综合感知节点、簇成员综合感知节点及孤立簇头综合感知节点。
进一步的，所述综合感知节点的初始状态为初始状态综合感知节点，只有值守单元工作；当多个初始状态综合感知节点探测到入侵时，振动传感器唤醒主控单元并将振动数据发送给主控单元，主控单元启动北斗通信单元A和北斗定位单元，通过北斗信道向云端服务器上传入侵预告警信息，各个综合感知节点接收到云端服务器处理后的簇状拓扑结构策略后分化为簇头综合感知节点和簇成员综合感知节点；当单个初始状态综合感知节点探测到入侵时，该初始状态综合感知节点作为孤立簇头感知节点进行入侵判定。
进一步的，所述入侵预告警信息包括振动数据、电源状态数据、自身标识码和定位信息。
进一步的，所述簇成员综合感知节点用于对周围环境拍照并将照片数据通过无线通信方式发送至簇头综合感知节点；所述簇头综合感知节点用于对周围环境摄像并将照片和视频数据通过北斗信道发送至云端服务器。
进一步的，所述无线通信方式包括蓝牙、无线局域网及红外数据传输。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明根据野外临时驻扎区域特点，提出了一种基于混合架构的低功耗野外安防系统，不受野外环境的影响，利用无线通信和北斗混合通信协议架构实现了多感知节点间的低功耗迅速通信和感知节点与云端数据库的卫星通信，同时通过聚类算法根据入侵实际情况实时调整感知节点分簇和监控策略，有效降低了各感知节点功耗同时实现了动态实时检测，满足野外安防实时性、准确性和广域适应性的需求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的野外安防系统的基本框图；
图2是本发明的综合感知节点的结构框图；
图3是本发明的便携式控制终端的结构框图；
图4是本发明的野外安防系统的工作流程图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明包括多个综合感知节点、云端服务器、控制终端和附属设备。如图2所示，所述综合感知节点包括依次连接的振动传感器、值守单元和主控单元，所述主控单元与无线通信单元A、北斗定位单元、北斗通信单元A、摄像头一一连接，供电单元A连接值守单元、主控单元、无线通信单元A、北斗定位单元、北斗通信单元A及摄像头，所述综合感知节点通过北斗信道与所述云端服务器通信。所述云端服务器，搭载云端控制程序，用于确认入侵情况、动态分簇、数据识别并与所述综合感知节点和控制终端进行数据交换。如图3所示，所述控制终端包括控制单元，所述控制单元与北斗通信单元B和无线通信单元B连接，所述控制单元的输出端连接显示单元，所述控制终端过北斗信道与所述云端服务器通信，所述控制终端通过无线通信方式与附属设备通信，所述控制单元用于对用户和系统参数设置和管理。所述附属设备，通过无线通信单元与控制终端通信，实时共享告警信息，用于多个附属设备共享警报信息，使工作人员野外作业时可兼顾临时驻扎区域的安防工作。所述供电单元A包括电源和电源监测板，所述电源监测板用于监测电源状态。所述无线通信方式包括蓝牙、无线局域网及红外数据传输。
在本发明的一个实施例中，云端服务器搭载安防系统云端控制程序，所述安防系统云端控制程序包括图像识别模块、聚类分簇模块、综合存储数据模块、数据分析模块、系统参数设置模块、数据交互模块。其中，图像识别模块用于分析识别入侵确认图像，精准确认入侵情况。聚类分簇模块用于将预告警的所有综合感知节点进行集群，对各个节点入侵信号和电源状态进行分析，确定初始簇拓扑结构，定义簇头综合感知节点和簇成员综合感知节点，当发出入侵预告警信号的综合感知节点发生变化时，根据入侵情况实时更新簇状拓扑结构；当发生连续多点入侵时，在形成多个簇状拓扑结构后，聚类分簇模块将优化簇状拓扑结构，触发群集合并机制，进一步减少通信功耗。综合存储数据模块用于对簇结构、综合感知节点状态信息和入侵信息进行存储。数据分析模块对簇头综合感知节点上传的视频信息、图像信息进行分析，生成入侵类别、数量等入侵判定结构，通过数据交换模块反馈给簇状结构内的综合感知节点。数据交换模块用于各综合感知节点、便携式控制终端和安防系统云端服务器之间的数据交换。
在本发明的一个实施例中，综合感知节点是入侵探测的振动信号、图像信号、视频信号的采集和预判定设备，多个综合感知节点通过聚类算法形成簇状拓扑结构，网络中每个综合感知节点具备自身标示码。摄像头为红外高清摄像头。控制终端为便携式控制终端，附属设备为可穿戴式，方便工作人员野外作业时携带。
如图1所示，平常状态下，综合感知节点为初始状态综合感知节点，仅有值守单元工作。当多个初始状态综合感知节点探测到入侵时，振动传感器将振动信号发送给值守单元，如图4中S2所示，值守单元对振动信号进行判定，判定为入侵后唤醒主控单元并将振动入侵数据发送给主控单元，主控单元调用供电单元的电源状态信息，同时主控单元启动北斗通信单元A和北斗定位单元，向云端服务器上传振动数据、电源状态信息、自身标识码和定位信息等入侵预告警信息。如图4中S4所示，当综合感知节点接收到经云端服务器分析处理后的簇状拓扑结构策略后，簇头综合感知节点开启红外高清摄像功能对入侵开展实时监控，并保持无线通信单元A和北斗通信单元A混合通信；其他簇成员开启红外高清拍照功能，拍摄不同角度的入侵情况，同时启动无线通信单元A关闭北斗通信单元A，其他簇成员只能通过无线通信单元A与簇内其他成员进行数据通信，通过无线通信单元将数据发送给簇头综合感知节点，簇头综合感知节点将视频和照片等入侵确认信息通过北斗通信单元A上传至云端服务器。如图4中S3所示，当发出入侵预告警信号的综合感知节点增加时，初始状态综合感知节点将变为簇头综合感知节点或其他簇成员，云端服务器将调整簇状分层结构更新簇头和其他簇成员来继续完成如图4中S4所示的工作。当单个感知节点探测到入侵时，如图1所示，该感知节点将作为孤立簇头感知节点实现入侵判定功能，完成如图4中S4所示的工作。如图4中S3所示，当发出入侵预告警信号的综合感知节点增加时，删除原独立簇头簇结构，按照图4中S2所示多个综合感知节点探测到入侵时的工作流程继续完成后续工作。
本发明以融合振动和视频信号的综合感知节点为探测基础，利用综合感知节点采集振动和视频信号，只作出入侵预警判定。如图4中S5所示，入侵情况的精确分析和识别通过云端服务器来计算实现，大大降低了综合感知节点的运算功耗。如图1所示，本发明采用采用IEEE 802.11p和北斗混合通信协议架构通信网络，如图4中S3所示，在云端服务器分析各综合感知节点间的入侵振动信号，综合考虑各感知节点电源状态，根据聚类算法形成簇状拓扑结构，遴选簇头综合感知节点并确认其他簇成员综合感知节点，如图4中S4所示，簇状拓扑结构内簇头综合感知节点和簇成员综合感知节点通过采用IEEE 802.11p无线通信协议的无线通信模块实现各综合感知节点之间的通信，其他簇成员综合感知节点将各自的信号信息发送给簇头综合感知节点，簇头综合感知节点通过北斗通信模块将信息上传至云端服务器，这种混合架构能够有效降低整体系统的通信功耗。当实时入侵状态发生变化时，本发明将实时优化簇状拓扑结构，遴选新的簇头综合感知节点。如图1和图4中S3所示，当只有一个综合感知节点发出入侵预警信号时，该节点作为孤立簇头单独成簇，系统内其他未发生入侵告警的综合感知节点作为初始状态综合感知节点，当初始状态综合感知节点发出入侵告警后，初始状态综合感知节点并入原有簇或与孤立簇头综合感知节点形成新簇，按照多个综合感知节点探测到入侵时的工作流程在云端服务器形成新的簇状拓扑结构。这种通信架构及分簇方法适用于根据入侵情况实时变化的簇结构，平衡了各综合感知节点的功耗和入侵判定准确性，有效降低了综合感知节点的北斗通信功耗并延长了系统各感知节点总体工作时长，避免了因某一综合感知节点因功耗过大无法工作造成的安防漏洞；便携式控制终端和穿戴式附属设备保证了野外驻扎作业期间工作人员对入侵的迅速反应。
