基于WSN的小區自行車(chē)防盜系統的設計

近年來(lái)，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)以及嵌入式計算等技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動(dòng)了低成本、低功耗的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )WSN(Wireless Sensor Network)的發(fā)展，促使WSN成為當今活躍的研究領(lǐng)域[1]。WSN由部署在監測區域內大量的廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò )系統，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀(guān)察者[2]。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在軍事和民用領(lǐng)域都有廣闊的應用前景。本文把WSN引入到小區的自行車(chē)防盜系統中，給出了一套基于WSN的小區自行車(chē)防盜系統的設計方案。為小區自行車(chē)的管理，尤其是防盜提供保障。

1 系統方案

居民小區通常規劃在兩幢居民樓中間或集中的一片區域停放自行車(chē)等兩輪車(chē)輛。如圖1所示，自行車(chē)通常被放置在指定車(chē)位中，為了加強對自行車(chē)的管理，本文引入WSN技術(shù)。防盜系統由信息采集和報警提示兩部分組成。

(1)信息采集

首先，為每一輛自行車(chē)配備一塊具有唯一ID的電子鎖作為小區內自行車(chē)的標識。該電子鎖具有WSN節點(diǎn)功能，可以檢測是否斷線(xiàn)、電池電量，同時(shí)具有無(wú)線(xiàn)通信能力，能夠將檢測到的信息以多跳方式向觀(guān)測點(diǎn)發(fā)送。為便于收集信息，同時(shí)為觀(guān)測者提供定位信息參考，在指定位置（如車(chē)棚、居民樓、路燈桿）部署匯節點(diǎn)，如圖1的Sink裝置所示。與傳統WSN不同的是，匯節點(diǎn)的位置不是隨機的，其部署要考慮到小區自行車(chē)停放區域的大小、小區的布局等因素。匯節點(diǎn)接收傳感節點(diǎn)的信息，并轉發(fā)給觀(guān)測者。

(2)報警提示

觀(guān)測站設置在值班室內，如圖1所示。由運行于PC機上的監控軟件管理WSN收集到的信息，監控軟件能夠顯示自行車(chē)在小區中的大致位置，顯示電子鎖的電池電量，提示更換電子鎖電池，提示電子鎖暴力開(kāi)啟，提示自行車(chē)越界。

值班人員在得到監控系統的提示后，可以快速采取相應行動(dòng)，避免自行車(chē)失竊。

2 系統硬件設計

小區自行車(chē)防盜系統硬件設計的核心是WSN節點(diǎn)設計。按照在系統中承擔的任務(wù)劃分，可將WSN節點(diǎn)劃分成一般傳感節點(diǎn)和Sink節點(diǎn)。但這兩類(lèi)節點(diǎn)只是在軟件功能上存在差異，而硬件設計并無(wú)本質(zhì)不同。

本文將電子鎖和Sink節點(diǎn)劃分成六大硬件模塊，如圖2所示，以微控制器為核心，擴展了無(wú)線(xiàn)通信模塊、電源模塊、斷線(xiàn)檢測模塊、LED指示模塊、電壓采集模塊、按鍵模塊。

2.1 微控制器

本文選用ATmega128L作為主處理器。ATmega128L是基于A(yíng)VR RISC結構的8 bit低功耗CMOS微處理器[3]，數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，可緩解系統在功耗和處理器之間的矛盾。芯片自帶128 KB的可編程Flash，在本應用中無(wú)需外擴存儲器。另外，ATmega128L有豐富的接口資源(如SPI、USART、TWI、ADC等)，為本應用提供了重要支持。

2.2 無(wú)線(xiàn)通信模塊

無(wú)線(xiàn)通信模塊采用CC1000，它是根據Chipcon公司的SmartRF技術(shù)，在0.35 μm CMOS工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發(fā)通信芯片[4]。其工作頻帶在315 MHz、868 MHz及915 MHz，但CC1000很容易通過(guò)編程使其工作在300 MHz～1 000 MHz范圍內。它具有低電壓(2.3 V～3.6 V)、極低的功耗、可編程輸出功率(-20 dBm～10 dBm)、高靈敏度（一般-109 dBm）、小尺寸（TSSOP-28封裝）、集成了位同步器等特點(diǎn)。其FSK數據率可達72.8 kb/s，具有250 Hz步長(cháng)可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議；主要工作參數能通過(guò)串行總線(xiàn)接口編程改變，使用非常靈活。

ATmega128L通過(guò)PCLK、PDATA、PALE三線(xiàn)數字串行接口來(lái)操作CC1000芯片，控制它的工作狀態(tài)以及參數設置。DIO是CC1000與ATmega128L數據交換雙向管腳，數據交換時(shí)鐘始終由CC1000的DCLK提供，即CC1000總是處于主設備狀態(tài)[5]。

2.3 斷線(xiàn)報警模塊

斷線(xiàn)報警模塊是電子鎖的一個(gè)構成部分，其基本原理如圖3所示，在警戒狀態(tài)下，BG的基極偏置電壓經(jīng)警戒線(xiàn)S對地短路，BG不工作。如遇盜情，S被斷開(kāi)，BG立即得電工作，SCR導通，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。微控制ATmega128L通過(guò)電壓檢測模塊檢測b、e兩點(diǎn)的電壓，判定電子鎖狀態(tài)。

2.4 其他模塊

電源模塊為ATmega128L、CC1000、斷線(xiàn)報警模塊供電。電壓檢測模塊有兩項功能：一是檢測電源電壓，以判定是否更換電池；二是檢測斷線(xiàn)報警模塊b、e兩點(diǎn)電壓，以判定電子鎖是否被暴力開(kāi)啟。LED指示模塊用于指示W(wǎng)SN節點(diǎn)的運行狀態(tài)，服務(wù)于調試。按鍵模塊用于電子鎖的密碼設置、狀態(tài)設置。

為了達到節能的目標，硬件設計除了考慮處理器的幾種低功耗處理模式外，還設計了一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)，在電子鎖處于非保護模式且開(kāi)啟時(shí)，該開(kāi)關(guān)才能顯露出來(lái)，供用戶(hù)關(guān)閉電源，降低能耗。

3 系統軟件設計

小區自行車(chē)防盜系統軟件主要有兩大部分：一是運行于WSN節點(diǎn)上的軟件，二是運行于PC機上的監控軟件。WSN節點(diǎn)軟件即信息感知和通信協(xié)議，下面從網(wǎng)絡(luò )拓撲、通信協(xié)議、監控軟件三個(gè)方面論述。

3.1 網(wǎng)絡(luò )拓撲

因為小區停放自行車(chē)的區域相對規整，自行車(chē)的擺放也會(huì )相對整齊，所以本文使用圖4所示的簇形樹(shù)狀拓撲結構。將車(chē)棚區域劃分成幾個(gè)區，每個(gè)區形成一個(gè)簇，以Sink節點(diǎn)為簇首，電子鎖節點(diǎn)和簇首節點(diǎn)形成星形網(wǎng)絡(luò )，簇首采集到信息通過(guò)Sink節點(diǎn)依次轉發(fā)到觀(guān)測站的PC機，供監控軟件分析處理。

電子鎖和Sink節點(diǎn)的ID用16 bit二進(jìn)制數表示，這是節點(diǎn)的唯一標識。電子鎖和Sink節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )地址也用16 bit二進(jìn)制數表示，可以分為簇首序號和節點(diǎn)序號兩部分，各占8 bit，該網(wǎng)絡(luò )地址是在組網(wǎng)階段形成的。將網(wǎng)絡(luò )地址分成簇首序號和節點(diǎn)序號的目的是過(guò)濾報文。節點(diǎn)在接收到一條報文后，將簇首序號和節點(diǎn)序號分別與自身網(wǎng)絡(luò )地址匹配，如果不同可以直接刪除報文，降低報文轉發(fā)處理造成的能耗。

3.2 通信協(xié)議設計

小區自行車(chē)防盜系統中Sink節點(diǎn)的部署是固定的，而自行車(chē)何時(shí)擺放在車(chē)棚，擺放在哪個(gè)車(chē)棚，擺放在車(chē)棚的哪個(gè)位置是不確定的，即電子鎖節點(diǎn)的進(jìn)入是隨機的。因此，通信協(xié)議[6]的運行分為兩個(gè)階段：主鏈網(wǎng)組網(wǎng)階段和信息感知階段。

(1)主鏈網(wǎng)組網(wǎng)階段協(xié)議

Sink節點(diǎn)部署在既定位置之后，如圖4所示，網(wǎng)絡(luò )包含一個(gè)與監控主機相連的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)、若干個(gè)Sink節點(diǎn)和一些電子鎖傳感器節點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)是路由的發(fā)起者和數據的收集者。上電初始化后，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)發(fā)送組網(wǎng)報文，如圖5所示，發(fā)布自己的網(wǎng)絡(luò )地址和同步時(shí)間列表。網(wǎng)關(guān)鄰居節點(diǎn)收到組網(wǎng)報文后，根據同步時(shí)間列表，發(fā)送確認報文，確認報文中包含自己的ID。網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)收到確認報文后，向鄰居節點(diǎn)發(fā)送配置報文，配置報文包含網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)為鄰居節點(diǎn)分配的網(wǎng)絡(luò )地址。這樣網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)就和鄰居節點(diǎn)建立了父子層次關(guān)系。得到了網(wǎng)絡(luò )地址的子節點(diǎn)發(fā)布組網(wǎng)報文，如此重復，建立了主鏈網(wǎng)絡(luò )拓撲。

(2)信息感知階段協(xié)議

主鏈網(wǎng)絡(luò )拓撲建立后，電子鎖節點(diǎn)會(huì )隨機進(jìn)入信息感知區域。網(wǎng)絡(luò )進(jìn)入信息感知階段，該階段電子鎖節點(diǎn)與Sink節點(diǎn)的交互過(guò)程如圖6所示。Sink節點(diǎn)按照自己的時(shí)序列表，定時(shí)發(fā)送組網(wǎng)報文，進(jìn)入Sink節點(diǎn)檢測區域的電子鎖在設置為保護狀態(tài)后，未獲得網(wǎng)絡(luò )地址之前，會(huì )持續監聽(tīng)組網(wǎng)報文。電子鎖節點(diǎn)收到Sink節點(diǎn)的組網(wǎng)報文后，依據報文中指示的同步時(shí)間列表，響應電子鎖加入報文，報文中包含電子鎖的ID號。Sink節點(diǎn)收到電子鎖加入報文后，向電子鎖節點(diǎn)發(fā)送配置報文，為電子鎖分配網(wǎng)絡(luò )地址。電子鎖擁有網(wǎng)絡(luò )地址后，會(huì )定時(shí)將采集到的信息發(fā)送給Sink節點(diǎn)，并逐層轉發(fā)到觀(guān)測站監控計算機。如果用戶(hù)需要使用自行車(chē)正常外出，輸入正確的密碼正常開(kāi)啟電子鎖后，電子鎖向Sink節點(diǎn)發(fā)送正常離開(kāi)報文，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3.3 監控軟件設計

電子鎖向Sink節點(diǎn)發(fā)送的數據報文包含的信息主要有斷線(xiàn)報警狀態(tài)、正常外出狀態(tài)、電池電壓值和網(wǎng)絡(luò )地址，其中網(wǎng)絡(luò )地址中包含電子鎖的簇首序號。運行于PC機上的監控軟件收集、分析處理這些信息，達到監控小區自行車(chē)的目的。監控軟件基于VC和SQL Server 平臺開(kāi)發(fā)，實(shí)現越界報警、斷線(xiàn)報警、電子鎖電池更換提示等功能。

監控程序在系統初始化后，啟動(dòng)Socket數據接收和數據處理兩個(gè)線(xiàn)程，分別完成數據采集、數據處理功能。兩個(gè)線(xiàn)程以數據庫為數據交換的媒介，以信號量同步數據庫訪(fǎng)問(wèn)。

Socket數據接收線(xiàn)程的流程如圖7所示，線(xiàn)程初始化后，首先啟動(dòng)Socket監聽(tīng)，然后向網(wǎng)關(guān)發(fā)送組網(wǎng)命令，以建立主鏈網(wǎng)絡(luò )拓撲。該線(xiàn)程監聽(tīng)Socket端口，接收來(lái)自網(wǎng)關(guān)的數據報文，從數據報文中解析WSN感知到的數據信息，寫(xiě)入數據庫表中。在訪(fǎng)問(wèn)數據庫之前需要和數據處理線(xiàn)程以信號量保持同步。如果線(xiàn)程檢測到主進(jìn)程發(fā)送的終止線(xiàn)程信號，線(xiàn)程將釋放占用的資源，結束自己。

數據處理線(xiàn)程的執行流程如圖8所示，數據處理線(xiàn)程以數據庫為數據源，訪(fǎng)問(wèn)數據庫前通過(guò)征用信號量與Socket線(xiàn)程同步，得到數據庫的訪(fǎng)問(wèn)權后，數據處理線(xiàn)程依次做三項查詢(xún)，其中，斷線(xiàn)狀態(tài)優(yōu)先級最高，越界次之，更換電池提示最低。根據查詢(xún)結果做報警或提示處理，周而復始，直到檢測到進(jìn)程設置的線(xiàn)程結束標志，才結束線(xiàn)程自身。

該系統是一個(gè)基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的小區自行車(chē)管理系統。系統設計結合現階段小區自行車(chē)管理現狀及WSN技術(shù)的發(fā)展現狀，將ATmega128L微控制器和CC1000無(wú)線(xiàn)芯片技術(shù)結合到一起，除電子鎖的機械結構外，完成了電子鎖節點(diǎn)及Sink節點(diǎn)的實(shí)驗室模型設計。實(shí)驗表明，根據節點(diǎn)檢測到的信息，監控程序能夠正確分析并顯示電子鎖節點(diǎn)的進(jìn)入、越界、斷線(xiàn)、正常離開(kāi)等狀態(tài)，越界或斷線(xiàn)時(shí)，監控軟件發(fā)出警報，提醒安保人員注意，達到了模型系統的效果。為了驗證通信協(xié)議在多節點(diǎn)時(shí)的穩定性，基于NS2平臺[7]做了仿真實(shí)驗，在節點(diǎn)數達到1 000時(shí)，協(xié)議仍能運行良好。

本文選用的硬件解決方案具有低成本、低能耗的特點(diǎn)，設計的通信協(xié)議雖然簡(jiǎn)單，但是穩定性良好，具有較好的實(shí)用價(jià)值。