基于ZigBee的文物防盜追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)亮　李凌云　崔恒榮　周濤

摘要：現(xiàn)有基于GPS和GPRS的復(fù)合追蹤系統(tǒng)在接近目標(biāo)后，缺乏在近距離對(duì)目標(biāo)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(tǒng)不能低功耗地實(shí)時(shí)監(jiān)控目標(biāo)的狀態(tài)。為更有效地保護(hù)文物，以JN5168無(wú)線微控制器為核心，設(shè)計(jì)了一種基于飛行時(shí)差測(cè)距和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的防盜追蹤系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，飛行時(shí)差測(cè)距在不同環(huán)境條件下相對(duì)誤差低于9%。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)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、車輛追蹤、危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域推廣使用。

關(guān)鍵詞：ToF測(cè)距；ZigBee；GPS；GPRS；文物防盜

DIO：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.008

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(cái)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(yùn)輸中的失竊等造成了文物的流失。現(xiàn)有的文物防盜系統(tǒng)主要采用視頻監(jiān)控、紅外監(jiān)控與人工巡查相結(jié)合的方式，監(jiān)控實(shí)時(shí)性差、系統(tǒng)成本高、施工復(fù)雜。

ZigBee技術(shù)面向自動(dòng)化和無(wú)線測(cè)控領(lǐng)域，靈活性好、功耗低，普遍應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的大范圍監(jiān)測(cè)和跟蹤。將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于文物防盜系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)文物位置信息的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)控，克服現(xiàn)有系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差、功耗高的缺點(diǎn)。基于飛行時(shí)差測(cè)距原理的TOF（Time of Flight）測(cè)距是一種精度較高的近距離測(cè)距方法，可用于采集文物與參考節(jié)點(diǎn)之間的距離信息，從而判斷文物是否處于安全監(jiān)控狀態(tài)。同時(shí)，在追蹤文物過(guò)程中，TOF測(cè)距作為接近目標(biāo)后近距離定向查找的有效手段。本文將ZigBee技術(shù)和TOF測(cè)距相結(jié)合，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的文物防盜追蹤系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由傳感節(jié)點(diǎn)單元SNU（Sensor Node unit）、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)單元CNU（Coordinator Node Unit）和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心構(gòu)成。文物防盜追蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

SNU作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感節(jié)點(diǎn)，部署在待監(jiān)控的文物上，負(fù)責(zé)采集距離數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。CNU作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，采用鏈狀樹(shù)形結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，一個(gè)CNU與多個(gè)SNU構(gòu)成一個(gè)監(jiān)控子網(wǎng)，經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)和SNU通信，接收各節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)GPRS業(yè)務(wù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在各個(gè)終端上，供管理員查看和判斷監(jiān)控區(qū)域是否有文物被盜。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 SNU硬件設(shè)計(jì)

傳感節(jié)點(diǎn)單元SNU負(fù)責(zé)控制TOF測(cè)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(jiān)控距離內(nèi)。當(dāng)文物失竊后，立即向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信息，同時(shí)啟動(dòng)GPS獲取被盜文物的位置坐標(biāo)上報(bào)監(jiān)控中心。SNU的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

ZigBee無(wú)線通信模塊采用NXP公司的JN5168芯片，針對(duì)小型化、低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)，兼容ZigBee PRO、JenNet-IP等無(wú)線通信協(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(nèi)部集成的飛行時(shí)間引擎（Time ofFlight engine），實(shí)現(xiàn)兩節(jié)點(diǎn)間雙向TOF測(cè)距功能，滿足系統(tǒng)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。該芯片專為小型化、低功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)，芯片內(nèi)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(fù)雜信號(hào)條件下，仍能獲得穩(wěn)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。滿足系統(tǒng)低功耗和快速定位的需求。

2.2 CNU硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)單元CNU作為無(wú)線傳感網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)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(yuǎn)程監(jiān)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，根據(jù)實(shí)時(shí)回傳的距離信息，作為接近目標(biāo)后近距離快速查找的手段。CNU的硬件結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)和增強(qiáng)AT指令，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，通過(guò)UART口與JN5168實(shí)現(xiàn)串口通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 SNU軟件設(shè)計(jì)

SNU作為采集節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)監(jiān)控范圍內(nèi)各個(gè)目標(biāo)距離信息的采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給CNU，同時(shí)接收來(lái)自CNU的控制指令。傳感節(jié)點(diǎn)單元SNU的軟件流程圖如圖4所示。

SNU上電后，首先對(duì)系統(tǒng)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(biāo)請(qǐng)求，申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)CNU接受請(qǐng)求后，成為該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)。為節(jié)省功耗，SNU采用休眠/喚醒機(jī)制，當(dāng)喚醒信號(hào)有效時(shí)，節(jié)點(diǎn)正常工作，收發(fā)數(shù)據(jù)、報(bào)警定位；若喚醒信號(hào)無(wú)效，則節(jié)點(diǎn)一直保持在低功耗休眠模式。

3.2 CNU軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)單元CNU首先上電初始化，然后設(shè)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(jí)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(xiàn)SNU請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，則給該節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)16位的短地址，作為其在網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)識(shí)。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(yuǎn)程監(jiān)控中心。如果有來(lái)自監(jiān)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(yīng)的操作。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)單元CNU的軟件流程圖如圖5所示。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件采用美國(guó)Nl公司的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW編寫(xiě)。LabVIEW軟件集成了通用接口協(xié)議，具備數(shù)據(jù)采集卡通信的功能。內(nèi)置兼容TCP/IP、Active X等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)，是一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。監(jiān)控中心軟件采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與協(xié)調(diào)節(jié)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(jiān)控各傳感節(jié)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(jù)節(jié)點(diǎn)失竊報(bào)警和節(jié)點(diǎn)位置信息迅速確定失竊文物的位置，并制定相應(yīng)的追查策略。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證ToF測(cè)距在文物防盜追蹤系統(tǒng)中的性能，將1個(gè)CNU和4個(gè)SNU組網(wǎng)，選取文物在監(jiān)控和失竊情況下的典型場(chǎng)景，對(duì)TOF測(cè)距進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。其中測(cè)量值由JN5168獲得，實(shí)際值由激光測(cè)距儀測(cè)得，每組測(cè)量值均經(jīng)過(guò)10次雙向TOF測(cè)距取平均以減小隨機(jī)誤差。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，TOF測(cè)距是一種精度較高的近距離測(cè)距方法，不同測(cè)試環(huán)境對(duì)應(yīng)不同的相對(duì)誤差，這主要與射頻信號(hào)的傳播路徑有關(guān)。在空曠無(wú)遮擋環(huán)境下，相對(duì)誤差可以降至5%以下。然而在樓頂受小區(qū)基站信號(hào)的影響、在樓上樓下受天線波束俯仰角的限制以及在馬路兩邊受來(lái)往車輛的隨機(jī)遮擋效應(yīng)，這些都會(huì)降低測(cè)距精度，但整體的相對(duì)誤差仍然低于9%。ZigBee通信在100m之內(nèi)網(wǎng)絡(luò)丟包率較低，通信質(zhì)量良好，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于Zig Bee的文物防盜追蹤系統(tǒng)，提出了一種使用TOF測(cè)距對(duì)目標(biāo)進(jìn)行近距離定向查找的方法，彌補(bǔ)GPS在接近目標(biāo)后，近距離查找手段的不足。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了文物實(shí)時(shí)監(jiān)控、失竊自動(dòng)報(bào)警、精確定位上報(bào)、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(jì)效益。除了文物防盜外，該系統(tǒng)也可應(yīng)用在車輛追蹤、物流倉(cāng)儲(chǔ)、危險(xiǎn)品或貴重物品運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。