基于ZigBee的文物防盜追蹤系統設計

作者 時(shí)亮1,2 李凌云1 崔恒榮1 周濤1 1.中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所(上海 200050) 2.中國科學(xué)院大學(xué)研究生院 (北京 100049)

摘要：現有基于GPS和GPRS的復合追蹤系統在接近目標后，缺乏在近距離對目標定向查找的有效手段，并且由于GPS和GPRS較高的工作電流，系統不能低功耗地實(shí)時(shí)監控目標的狀態(tài)。為更有效地保護文物，以JN5168無(wú)線(xiàn)微控制器為核心，設計了一種基于飛行時(shí)差測距和ZigBee網(wǎng)絡(luò )的防盜追蹤系統。實(shí)驗結果表明，飛行時(shí)差測距在不同環(huán)境條件下相對誤差低于9%。該系統可以實(shí)現動(dòng)態(tài)監控、自動(dòng)報警、精確定位和快速查找，體積小、功耗低、靈活性好，可在文物防盜、車(chē)輛追蹤、危險品運輸等領(lǐng)域推廣使用。

引言

　　文物作為歷史文化的載體，是研究古代社會(huì )的寶貴財富，具備極高的藝術(shù)、考古價(jià)值。但是，館藏文物的盜竊、文物運輸中的失竊等造成了文物的流失?，F有的文物防盜系統主要采用視頻監控、紅外監控與人工巡查相結合的方式，監控實(shí)時(shí)性差、系統成本高、施工復雜^[1-3]。

　　ZigBee技術(shù)面向自動(dòng)化和無(wú)線(xiàn)測控領(lǐng)域，靈活性好、功耗低，普遍應用于實(shí)現復雜的大范圍監測和跟蹤^[4-5]。將ZigBee技術(shù)應用于文物防盜系統中，可以實(shí)現對文物位置信息的無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監控，克服現有系統實(shí)時(shí)性差、功耗高的缺點(diǎn)^[6-7]?；陲w行時(shí)差測距原理的TOF(Time of Flight)測距是一種精度較高的近距離測距方法，可用于采集文物與參考節點(diǎn)之間的距離信息，從而判斷文物是否處于安全監控狀態(tài)。同時(shí)，在追蹤文物過(guò)程中，TOF測距作為接近目標后近距離定向查找的有效手段。本文將ZigBee技術(shù)和TOF測距相結合，設計并實(shí)現了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的文物防盜追蹤系統。

1 系統總體設計

　　系統主要由傳感節點(diǎn)單元SNU(Sensor Node Unit)、協(xié)調節點(diǎn)單元CNU(Coordinator Node Unit)和遠程監控中心構成。文物防盜追蹤系統的結構圖如圖1所示。

　　SNU作為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中的傳感節點(diǎn)，部署在待監控的文物上，負責采集距離數據，同時(shí)對數據進(jìn)行分析處理。CNU作為網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，采用鏈狀樹(shù)形結構組網(wǎng)，一個(gè)CNU與多個(gè)SNU構成一個(gè)監控子網(wǎng)，經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò )和SNU通信，接收各節點(diǎn)的采集數據，并通過(guò)GPRS業(yè)務(wù)將數據發(fā)送到遠程監控中心。遠程監控中心將數據存入數據庫，通過(guò)對數據的處理分析，將數據實(shí)時(shí)顯示在各個(gè)終端上，供管理員查看和判斷監控區域是否有文物被盜。

2 系統硬件設計

　　2.1 SNU硬件設計

　　傳感節點(diǎn)單元SNU負責控制TOF測距傳感器工作，同時(shí)周期性地向CNU發(fā)送采集到的距離信息，并判斷文物是否處于安全監控距離內。當文物失竊后，立即向遠程監控中心發(fā)送報警信息，同時(shí)啟動(dòng)GPS獲取被盜文物的位置坐標上報監控中心。SNU的硬件結構圖如圖2所示。

　　ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊采用NXP公司的JN5168芯片，針對小型化、低功耗優(yōu)化設計，兼容ZigBee PRO、JenNet-IP等無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，支持可編程時(shí)鐘速度和多種睡眠模式的低功耗操作。利用JN5168芯片內部集成的飛行時(shí)間引擎(Time of Flight engine)，實(shí)現兩節點(diǎn)間雙向TOF測距功能，滿(mǎn)足系統距離信息采集的需求。

　　GPS定位模塊采用u-blox公司的UBX-G7020-KT定位芯片。該芯片專(zhuān)為小型化、低功耗應用設計，芯片內嵌DC/DC變換器，采用智能電源管理技術(shù)，使其在低功耗或復雜信號條件下，仍能獲得穩定的定位性能。首次定位時(shí)間熱啟動(dòng)時(shí)僅為1s，冷啟動(dòng)時(shí)為25s。滿(mǎn)足系統低功耗和快速定位的需求。

　　2.2 CNU硬件設計

　　協(xié)調節點(diǎn)單元CNU作為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，一端接收SNU的采集信息，另一端通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )與遠程監控中心通信。在文物追蹤過(guò)程中，可移動(dòng)的CNU配合手持定向天線(xiàn)，根據實(shí)時(shí)回傳的距離信息，作為接近目標后近距離快速查找的手段。CNU的硬件結構如圖3所示。

　　GPRS模塊采用SIMCom公司的SIM900模塊，可支持4頻GSM/GPRS，支持標準和增強AT指令，內嵌TCP/IP協(xié)議，通過(guò)UART口與JN5168實(shí)現串口通信。

3 系統軟件設計

　　3.1 SNU軟件設計

　　SNU作為采集節點(diǎn)，負責監控范圍內各個(gè)目標距離信息的采集，并將數據發(fā)送給CNU，同時(shí)接收來(lái)自CNU的控制指令。傳感節點(diǎn)單元SNU的軟件流程圖如圖4所示。

　　SNU上電后，首先對系統和通信協(xié)議棧初始化，然后掃描活動(dòng)信道，通過(guò)向信道發(fā)送信標請求，申請加入網(wǎng)絡(luò )。經(jīng)CNU接受請求后，成為該網(wǎng)絡(luò )的子節點(diǎn)。為節省功耗，SNU采用休眠/喚醒機制，當喚醒信號有效時(shí)，節點(diǎn)正常工作，收發(fā)數據、報警定位;若喚醒信號無(wú)效，則節點(diǎn)一直保持在低功耗休眠模式。

　　3.2 CNU軟件設計

　　協(xié)調節點(diǎn)單元CNU首先上電初始化，然后設置PAN ID和CNU的短地址，通過(guò)在各個(gè)通道進(jìn)行能量掃描以獲得各個(gè)通道的能量級別，并挑選一個(gè)能量最低的空閑信道建立網(wǎng)絡(luò )。如果發(fā)現SNU請求加入網(wǎng)絡(luò )，則給該節點(diǎn)分配一個(gè)16位的短地址，作為其在網(wǎng)絡(luò )中的標識。如果有來(lái)自SNU的距離信息，則通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )發(fā)送至遠程監控中心。如果有來(lái)自監控中心的控制指令，則通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )發(fā)送至SNU，采取相應的操作。協(xié)調節點(diǎn)單元CNU的軟件流程圖如圖5所示。

　　3.3 遠程監控中心軟件設計

　　遠程監控中心軟件采用美國NI公司的圖形化編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW編寫(xiě)。LabVIEW軟件集成了通用接口協(xié)議，具備數據采集卡通信的功能。內置兼容TCP/IP、Active X等軟件標準的庫函數，是一種標準的數據采集和儀器控制軟件。監控中心軟件采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現上位機與協(xié)調節點(diǎn)單元CNU之間的通信。管理員可以通過(guò)軟件實(shí)時(shí)監控各傳感節點(diǎn)單元SNU的距離信息，判斷是否存在文物失竊。同時(shí)還可根據節點(diǎn)失竊報警和節點(diǎn)位置信息迅速確定失竊文物的位置，并制定相應的追查策略。

4 測試結果與分析

　　為驗證TOF測距在文物防盜追蹤系統中的性能，將1個(gè)CNU和4個(gè)SNU組網(wǎng)，選取文物在監控和失竊情況下的典型場(chǎng)景，對TOF測距進(jìn)行測試，結果如表1所示。其中測量值由JN5168獲得，實(shí)際值由激光測距儀測得，每組測量值均經(jīng)過(guò)10次雙向TOF測距取平均以減小隨機誤差。

　　從測試結果可以看出，TOF測距是一種精度較高的近距離測距方法，不同測試環(huán)境對應不同的相對誤差，這主要與射頻信號的傳播路徑有關(guān)。在空曠無(wú)遮擋環(huán)境下，相對誤差可以降至5%以下。然而在樓頂受小區基站信號的影響、在樓上樓下受天線(xiàn)波束俯仰角的限制以及在馬路兩邊受來(lái)往車(chē)輛的隨機遮擋效應，這些都會(huì )降低測距精度，但整體的相對誤差仍然低于9%。ZigBee通信在100m之內網(wǎng)絡(luò )丟包率較低，通信質(zhì)量良好，系統工作穩定，實(shí)時(shí)監控數據準確，達到系統設計要求。

5 結論

　　本文設計并實(shí)現了一種基于ZigBee的文物防盜追蹤系統，提出了一種使用TOF測距對目標進(jìn)行近距離定向查找的方法，彌補GPS在接近目標后，近距離查找手段的不足。經(jīng)實(shí)驗驗證，本系統實(shí)現了文物實(shí)時(shí)監控、失竊自動(dòng)報警、精確定位上報、快速定向查找的功能。體積小、功耗低、靈活性好，提高了文物防盜和追蹤的效率，具備良好的經(jīng)濟效益。除了文物防盜外，該系統也可應用在車(chē)輛追蹤、物流倉儲、危險品或貴重物品運輸等多個(gè)領(lǐng)域，應用前景廣闊。

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本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第2期第30頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。