基于GPRS振动光缆周界报警系统在水中安防应用

谌启伟

(宜昌测试技术研究所103室，湖北宜昌 443003)

广州亚运会开幕式期间组织了珠江巡礼活动，针对当前恐怖袭击时有发生的国际大背景，为保证广州亚运会顺利进行，必需采取全面而有效的水域安防措施以保障水域安全。珠江水域环境复杂，特别是河涌和下水道数量繁多且错综复杂，排水管道90余口，河涌等近20条，总计110多个区域，由于潮汐，排水管道有时淹没于水下。如果不对这些区域进行有效封锁和监测，水下蛙人或水中漂流危险物极易通过这些区域进入目标防区，对亚运会顺利进行造成威胁。对于支流河涌这种分散的区域，如何才能有效防范恐怖入侵。

目前常用的周界报警设备主要有智能型脉冲电子围栏、静电感应电缆、埋地感应电缆、振动传感电缆、红外设备、振动光缆等。由于应用环境为排水管道和河涌，设备长期布放在水域环境，因此，供电式的周界报警设备不适合在此环境应用。因此，本系统考虑使用振动光缆报警设备。由于使用的水域太多，且过于分散，若将全部排水管道和河涌实行全封闭，则要敷设上百公里的光缆，工程量巨大，耗资不菲。为降低工程成本，考虑使用无线报警方式，采用离散型敷设，集中监控的方式布防，不仅可以降低施工成本，还可以降低施工难度。采用基于GPRS无线传输技术的振动光缆周界防御系统，该系统安装简单，各防区相对独立，报警信号最终汇聚至监控中心。该系统的布设，能有效防范恐怖分子从河涌和下水道的入侵［1-2］。

1 振动光缆报警系统组成及原理

封锁区域报警系统采用振动光缆报警系统，系统主要由终端盒、传感光缆、光信号处理器、GPRS模块、供电单元及监控中心接警软件组成。由于整个周界防区多达110余个，根据实际调研情况，相邻较近的共用一套振动光缆，相对分散区域单独安装一套振动光缆。每个封锁区包括一道隔离网和一道带有振动光缆周界报警系统的隔离栅栏。

报警系统工作原理:当河涌或下水道有危险漂流物，由于使用了隔离网，危险漂流物将被隔离在隔离网外。若有蛙人入侵，其突破隔离栅栏的方法包括两种，剪切破坏或攀爬翻越。由于这两种行为都将引起隔离栏的振动，这种振动都会导致传感光缆形变，瞬时光路的改变导致传感光缆中传输的光信号发生改变。振动光缆信号处理器对传感光缆中光信号的变化进行探测，并对光缆传感器信号进行模式识别，一旦处理分析结果认定为外界入侵，信号处理器通过GPRS模块将当前防区预置的GPS位置信息传送给监控中心，监控中心收到来自防区的报警信息后，在电子地图上显示报警防区。振动光缆报警系统能有效检测系统工作状态，并防止蛙人对振动光缆破坏，一旦蛙人破坏振动光缆或试图拆除系统设备，系统将立即报警。

实际使用表明，设置好相关参数后，在有水流存在的因素下，系统能有效检测蛙人水下剪切栅栏或攀爬报警，而排除水流冲击栅栏的误报警。根据GPRS的工作机制，监控中心需有固定IP地址的网络端口。

图1 GPRS无线报警系统组成示意图

2 GPRS无线通信模块

GPRS［3］是构架在传统GSM网络上的一种标准化的分组交换数据业务，是GSM系统发展出来的一种承载业务，以提供分组形式的数据业务为目的。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，不需要利用电路交换模式的网络资源，资源利用率高。GPRS具有永远在线、按量计费、快速登录、高速传输的优点。

系统的通信模块采用西门子公司推出的无线通信GPRS模块MC351［4］，它可以快速可靠地实现系统方案中的数据、短消息服务。模块的工作电压为3.3～4.8 V，可以工作在900 MHz和1 800 MHz两个频段，所在频段功耗分别为2 W和1 W。采用GPRS分时复用的CLASS 8标准，具有始终在线的功能且理论上传输速率可达171.2 kbit·s-1，通信传输时延较小，最长不超过3 s。

模块具有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息。MC351通过ZIF连接器分别与电源电路、启动与关机电路、数据通信电路、语音通信电路、SIM卡电路、指示灯电路等连接。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。图2为MC351硬件连接图。驱动使用串口驱动程序，主要工作是编写串口的应用程序，来接收和发送并存储短信息。

图2 GPRS模块接口电路

当监控主板通电后，主机进行初始化，系统通过AT指令对MC351进行初始化。初始化完成后，系统判断是否有报警，图3为GPRS通信模块软件流程图。

图3 GPRS模块软件流程

在发送中文SMS时，采用PDU编码，实现的方式也通过AT指令。通常采用SMS的AT指令如表1所示。

表1 AT指令表

发送短消息的流程图为图4所示。

图4 短消息发送流程图

3 供电

通过实地考察，了解到在水域沿岸均有景观灯布置，因此，有景观灯的防区，可以直接使用景观灯供电电源转换成系统所需的DC12 V。而对于没有市电的防区，系统采用一次性锂电池组供电。

系统中需要供电的设备包括两部分，GPRS采集器和开关量输出型振动光缆采集器。采集器采用DC12 V供电，最大功率按照4 W计算，GPRS模块一般采用DC12 V供电，最大发射功率3 W。因此，设备供电要求最大为7 W/DC12 V。设备每天供电功率为168 W/14 Ah/12 V。

对于使用市电的防区，系统使用AC/DC电源转换模块供电。电源使用AC 220 V转DC12 V/1 A供电。对于无法就近取市电的防区，选用锂亚硫酰氯电池ER34615M为设备供电。ER34615M型锂电池标称容量13 Ah，标称电压3.6 V，电池尺寸为Ф34×61.5 mm。使用4粒电池为一组串联使用，则每组电池组为14.4 V/13 Ah。使用9组电池封装并联使用为设备供电则为14.4 V/117 Ah，电池可以为设备连续供电8天，间隔8天更换一次电池。使用电池供电，需对电池做好防护处理，防止电池浸水或暴晒导致危险。

4 施工运行

隔离栅栏采用铁围栏安装，栅栏高出支流水面1.5 m，铁围栏需固定牢固［5-6］。

(1)水深＞1.5 m且＜4 m支流的振动传感光缆铺设方式。在水下，振动传感光缆呈三道直线型铺设在水面和水底间铁围栏的中间位置上，振动传感光缆之间间距均匀。在水面上，振动传感光缆呈一道直线型铺设在距离水面约1 m处的铁围栏上，如图5所示。

图5 水深＞1.5 m且＜4 m支流的振动传感光缆铺设方式

(2)水深＜1.5 m支流的振动传感光缆铺设方式。在水下，振动传感光缆呈一道直线型铺设在水面和水底间铁围栏的中间位置上。在水面上，振动传感光缆呈一道直线型铺设在距离水面约1 m处的铁围栏上，如图6所示。

图6 水深＜1.5 m支流的振动传感光缆铺设方式

(3)直径约1.5 m的下水道的振动传感光缆铺设方式。振动传感光缆呈两道直线型铺设在铁围栏上，如图7所示。

图7 直径约1.5 m的下水道的振动传感光缆铺设方式

终端盒和单防区GPRS传输型光缆采集器在铁围栏的同一侧，以方便设备维护。终端盒固定在水面以上铁围栏的顶部。单防区GPRS传输型光缆采集器放置在河岸边的配电箱或金属设备箱内，设备天线放置在配电箱或金属设备箱外部的顶部。设备安装做好防雷措施［7-9］。

5 结束语

基于GPRS振动光缆周界报警系统已成功应用于2010年广州亚运会水下安防系统，该系统从布防到亚运会结束，连续工作超过1个月。通过用户测试验收，系统报警漏报和虚警率低。潮汐及下水道排水对系统影响较小，报警响应时间快速有效。使用中偶有清漂船挂靠隔离栅栏报警，其他未见异常报警。

［1］余启家.基于ARM及GPRS的智能家居系统的实现［J］.微型计算机，2007(5):29-32.

［2］BATES R J.通用分组无线业务(GPRS)技术与应用［M］.北京:人民邮电出版社，2004.

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［4］潘斌，郭红霞.短信收发模块MC351的外围电路设计［J］.单片机及嵌入式系统应用，2004(7):38-41.

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