基于球状传感器的无线侦测系统研究

【摘 要】针对应急环境和特殊环境的侦测及救援需要，利用基于球状传感器的无线侦测系统可以快速感知和分析目标环境的态势。通过分析系统中球状传感器的关键技术，设计和开发出原型样机。

【关键词】球状传感器 无线侦测 关键技术

[Abstract] According to the detection and rescue in emergency circumstances and special environment， it is presented that the wireless detection system based on spherical sensor can quickly detect and analyze the state of the target environment. A prototype machine is designed and developed based on the key techniques of spherical sensor in the system.

[Key words]spherical sensor wireless detection key technique

1 引言

各类灾害事故和危害公共安全事件，如地震、交通、火灾等事故和恐怖事件频发，造成了严重经济损失和人员伤亡，给百姓生活、社会秩序带来惨重的破坏[1]。因此，在特殊环境、交通不便、通信中断条件下要跑赢“黄金72小时”，侦测系统应急部署的时间就显得尤为重要。针对这一需求，目前的主流解决方案是小型机器人。但是研究表明，机器人技术造价较高，且存在移动方式受限和使用场景受限等诸多不足，不能满足大部分应急场景处置需求[2]，特别是在狭小空间、密闭环境等区域，迫切需要小型化、智能化、多功能的侦测系统。

2 基于球状传感器的无线侦测系统

通过研究应急场景的信息感知、传输、融合、处理等方面的关键技术，以无线智能传感技术为基础，形成一种可适用于不同特种场景的新型侦测系统（如图1所示），其中应急现场的感知设备（球状传感器）外形呈球状，大小和一枚手雷相近，应急救援人员可以随身携带、随抛随用。球状传感器采集周围的信息，通过无线方式将这些信息传送至智能侦测终端，从而掌握应急场景内的情况，并可通过接入网络将现场态势信息传送至其它指挥应用平台，实现应急现场或危险场景的实时监测和灾害救援。

3 球状传感器关键技术分析

3.1 特种场景无线传输技术

球状传感器安装有多个视频传感器，为了获得清晰的场景图像，视频传感器的图像分辨率应该采用标清以上标准，多路视频数据信息量非常大，这给数据传输信道的容量带来了挑战；同时，为了实现实时准确地传输场景图像，需要考虑特种场景无线信号传输的方向性[3]、遮挡性（有可能受到墙体、烟雾、木制物品、铁制物品或其它建筑物的遮挡）；另外，还需要考虑球状传感器在系统体积以及功耗方面的限制。

基于上述条件限制，采用2.4GHz频段作为无线传输的频段，2.4GHz传输设备目前具有高带宽、体积小、成本低、低功耗、可靠性高等特点。另外，还可以通过MIMO多天线来改善其传输性能，为了能够使射频性能完全体现出来，天线采用具有高增益、低驻波的鞭状天线。

3.2 全景成像技术

球状传感器上的分布式视频传感器可以连续获得多视角空间图像信息，需要将这些由不同视频传感器得到的图像进行无缝拼接而得到被侦测环境的全景图像[4]。多路图像全景图像拼接技术，涉及到图像增强、图像滤波、图像特征检测、图像融合和图像拼接等核心技术。需要实现特别场景检测算法，动态/自动图像拼接等以及需要考虑移动显示终端的实时运算处理能力[5]。

3.3 多功能传感器技术

球状传感器的声音采集器和多路图像传感器所采集到的音视频信号输出到音视频压缩编码处理模块，音视频压缩编码处理模块将音视频信号编码通过综合数据编码转成IP数据包，传输至无线传输模块，通过无线传输模块发送出去。

球状传感器可扩展支持γ射线、温湿度、烟雾、化学气体等的探测（如图2所示），设计与视频图像协同传输的相关传输协议，并进行综合数据编码，叠加音视频数据一起接入无线传输模块。

4 系统关键模块设计方案

4.1 图像采集处理模块

在编解码芯片方案方面，业内主流方案采用华为HI系列及TI达芬奇系列，TI的DM36x与HI的HI35系列是其中的主流，都能够处理1080P视频，同时图像质量、码流、容错方面都各具有优势，但DM36x可扩展的功能比华为海思嵌入式芯片HI系列强，压缩率比海思高。

本项目采用TI的DM36x作为图像采集处理芯片。TI DM36x系列是专门针对高清（智能）视频的完整解决方案，有相当强的市场竞争力，并已广泛运用。其最明显的四大优势为：高品质图像、高性能编码、智能分析、功耗成本低。

为了能够实现全景图像的采集，其传感器镜头的水平角度应至少大于90度，模块考虑搭载大于90度广角镜头的IPC作为单个音视频编码处理模块，采用4个IPC组成4路视频，实现目标场景的全景探测。

4.2 无线传输模块

考虑采用CPU AR7241+无线芯片AR9287的方案作为高容量的无线传输模块，它的主频是300MHz，32SDRAM，8MB Flash，频率范围为2.3―2.7GHz。此方案已广泛运用在无线路由器上，并可被作为Wi-Fi无线覆盖AP、点对点网桥、点对多点网桥、Wi-Fi客户端（CPE）等多种设备形态，还可通过外接高增益MIMO天线来增加传输性能。

4.3 环境数据采集模块

使用RL78/G13微处理器为主要核心，对采集和汇聚的各传感数据进行统一编码及传输，对温度、湿度、气压和有害气体（CH4、CO2、CO）进行一体化探测；同时，使用SGM-9016E的GPS定位模块获取位置信息，通过UART与RL78/G13微处理器进行通信。

5 原型系统实现

已开发出的原型系统包含一套球状传感器和一套侦测终端。其指标如表1所示：

6 结束语

基于球状传感器的无线侦测系统可以广泛应用于军事、安防、应急救援、自然灾害、环境监控和反恐救援等复杂环境，实现特定场景如狭小空间、有毒环境、危险环境等的实时监测和灾害救援。与此同时，球状传感器还拥有多种扩展功能，可以根据客户的不同要求定制，实现对温度、湿度、有毒有害气体等的探测。通过该系统的实施和推广，可以有效提高政府保障公共安全和处置突发公共事件的能力，最大程度地预防和减少突发公共事件及其造成的损害，保障公众的生命财产安全。

参考文献：

[1] 张钊宾. 物联网技术在平安城市的应用[J]. 计算机光盘软件与应用， 2012（11）： 70-71.

[2] 徐国华，谭民. 移动机器人的发展现状及其趋势[J]. 机器人技术与应用， 2001（3）： 7-14.

[3] Sato M， T Miyagoshi， M Endo. Wireless Video Transmission Device， Wireless Video Reception Device and Wireless Video Communication System Using Same： US Patent 20，130，042，279[P]. 2013.

[4] 陈永强，王启付. 虚拟环境中变形图像拼接技术研究[J]. 华中科技大学学报： 自然科学版， 2001，29（1）： 14-16.

[5] 潘永利，孙小雪. 数字图像处理技术在移动机器人中的应用[J]. 青岛理工大学学报， 2008，29（5）： 124-128.

作者简介

林凡：现任职于广州杰赛科技股份有限公司，主要研究方向为传感器网络和无线通信技术等。

黄建青：现任职于广州杰赛科技股份有限公司，主要研究方向为无线通信和多媒体传输技术等。

罗耀荣：现任职于广州杰赛科技股份有限公司，主要研究方向为无线通信和网络通信技术等。