基于無線傳感器網絡的智能小區監控系統設計

王永杰，楊小平

WANG Yong-jie，YANG Xiao-ping

（桂林理工大學 信息科學與工程學院，桂林 541004）

0 引言

隨著社會經濟的發展，人們的生活越來越好。人們在追求舒適生活環境的同時，更為關注的還是小區的安全保衛情況。給人們生命和財產帶來最大的威脅包括兩大方面，一方面是由人引起的破壞（如盜竊、搶劫等），另一方面是自然災害引起的破壞（如火災、煤氣泄漏等）[1]。目前小區安保的科技手段一般是監控系統、報警系統和門禁系統，它們都是有線通信，這就使得一些不便于布線的區域成為監控的盲區，特別是在這些盲區的火災和煤氣泄漏更不易被及早發現。隨著無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network,WSN）的出現，此有線通信的盲區問題有望得到解決，防患于未然，減少經濟損失與人體傷亡。

本文把無線傳感器網絡引入小區安保系統，以提高小區安全防范系統的整體性能，主要用來監測自然災害引起的破壞，如采用氣體傳感器能有效的監測是否有煤氣泄漏，并產生報警信號；火災的檢測則采用煙霧傳感器。

1 硬件設計

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內的大量微型傳感器節點組成的，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。無線傳感器網絡技術在美國商業周刊和MIT技術評論的預測未來技術發展報告中，分別被列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10大技術之一。

傳感器節點是無線傳感器網絡的基本組成單位。它由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四個部分組成。由于傳感器節點通常是一個微型的嵌入式系統，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，并通過攜帶能量有限的電池供電。本文依據傳感器節點的這些特點，設計了一種用于小區安保監測的以芯片CC2430為核心的無線傳感器網絡節點。

基于Zigbee標準的產品CC2430是一顆真正的系統芯片（SoC）CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4GHz ISM波段應用，及對低成本，低功耗的要求。它結合一個高性能2.4GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的8051控制器。CC2430的設計結合了8Kbyte的RAM及強大的外圍模塊，并且有3種不同的版本，他們是根據不同的閃存空間32、64和128kByte來優化復雜度與成本的組合。

1.1 無線傳感器網絡節點的體系結構

無線傳感器網絡的節點通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構成。處理器模塊和無線通信模塊采用CC2430芯片，大大簡化了射頻電路的設計。傳感器模塊采用氣體和煙霧傳感器。

本系統有分布式傳感器節點、接收和發送器互聯網以及用戶接口組成，系統框圖如圖1所示。傳感器節點是網絡的基本單元，隨機分布的傳感器節點測量檢測區域中的信號，利用自帶的處理器對感知數據進行初級處理，由于節點功率的限制，其傳遞距離有限，節點會尋找鄰近的節點作為傳輸中繼，將相關信息通過多跳中繼發送到網關節點（Sink）。網關節點是一種特殊節點，擁有相對較強的處理器和較大的存儲空間，具有更大的處理能力和發送范圍。

圖1 無線傳感器節點體系結構

其傳感器節點可以有針對性的預先布置，因而具有相對固定的網絡拓撲結構。各種災情表現出來的一些特征，利用不同類型的傳感器可以敏感地感知，并產生相應的傳感器輸出信號。從信號處理角度分析，傳感器輸出信號可以近似地看作是一個非平穩隨機過程，利用信號檢測和處理方法并結合信號的特性可以有效地檢測出災情信號。

1.2 硬件電路的設計

CC2430是Chipcon公司推出的用來實現嵌入式ZigBee應用的片上系統。CC2430只需要很少的外接元件就可以運行，其內部已集成了大量必要的電路，因此采用較少的外圍電路即能實現信號的收發功能。圖2為CC2430基本電路設計[3]。

圖2 CC2430基本電路

圖2中C1，C2為22pF的 電 容，連 接32 MHz的晶振電路，此石英晶振用于正常工作使用。C3，C4為15 pF的電容，連接32.768 kHz的晶振電路，此石英晶振用于休眠時工作，從而降低功耗。C5=O.1μF，用于去除一些雜波干擾，防止單片機錯誤復位。C6～C8分別為100 nF，220n F，220 nF，用作濾波，去除雜波干擾使電壓更穩定。C9=5.6 pF，電路中非平衡變壓器由電容C9和電感L1，L2，L3以及一個PCB微波傳輸線組成，整個結構滿足RF輸入/輸出匹配電阻（50Ω）的要求，L1，L2，L3分別為8.2 nH，22 nH，1.8 nH。C10，C11，C12，C13，C14為去耦合電容，用于電源濾波，以提高芯片工作的穩定性。偏置電阻器R1，R2分別為43kΩ，56kΩ，R1用于為32 MHz晶體振蕩器設置精密偏置電流。

2 軟件設計

軟件部分需要解決的問題包括：氣體及煙霧信號采集，Zigbee協議棧、Zigbee通信等。氣體及煙霧信號的采集可由CC2430內部的MCU完成。傳感器節點程序流程圖如圖3所示[2]。

本小區自然災害監控系統中,監測數據與控制命令在無線傳感節點、無線路由節點、無線網關和監控中心之間傳送。傳感節點打開電源,初始化、建立鏈接后進入休眠狀態。當無線網關接到中斷請求時觸發中斷,經過路由節點激活傳感節點,發送或接收信息包,處理完畢后繼續進入休眠狀態,等待有請求時再次激活。在同一個信道中只有兩個節點可以通信,通過競爭機制來獲取信道。每個節點周期性睡眠和監聽信道,如果信道空閑則主動搶占信道,如果信道繁忙則根據退避算法退避一段時間后重新監聽信道狀態。在程序設計中主要采集中斷的方法完成信息的接收和發送。

圖3 主程序流程

3 結論

基于無線傳感器網絡的智能小區監控系統結構簡單，耗電量小，布線方便，并能實時監控網絡覆蓋區域的煤氣泄流和火災災害。提高了小區安保控制系統的靈活性及安全性。

[1]鄧瑩，張麗，劉有源.基于無線傳感器網絡的智能建筑安防系統研究[J].中國水運，2007,（5）.133-134.

[2]柴淑娟，趙建平，基于無線傳感器網絡的水質監測系統的研究[J].曲阜師范大學學報，2010（36）75-77.

[3]基于CC2430的無線傳感器網絡系統設計[J].電子產品世界，2010，11.