基于Zigbee的室內入侵檢測系統的設計與分析

紀鑫來，張永

（大連東軟信息學院，遼寧大連，116000）

1 介紹

如今無線通信技術在智能系統中大多被定義為數據傳輸途徑，僅限于數據傳輸，進行深層次開發利用的設計并不多。數據在交互處理中會沿著無線通信技術中的網絡拓撲結構進行信號傳播，所以信號傳播的強度值（RSSI）是衡量一個網絡情況的重要指標，是一個網絡拓撲結構的反饋。對于信號的傳播方式，可以分為大致三種：廣播模式（Wi-Fi）、點對點（藍牙）和自組網，同時現今無線通信技術多種多樣，具體表1所示。

表1 幾種無線通信技術的比較

■1.1 Zigbee無線通信技術

針對室內入侵檢測，本次設計選用了Zigbee無線通信技術進行技術開發，利用Zigbee自組網構建檢測網絡，通過對RSSI的強度采集來判斷室內情況。Zigbee無線通信技術是應用點對點的自組網來發送數據，在一個Zigbee網絡中存在三種設備狀態：Zigbee終端節點，Zigbee協調器以及路由設備。該設計包括6個硬件模塊，4個終端節點，1個路由節點以及1個網關Sink節點， 4個終端節點分布在不同的位置，向網絡中的同一協調器Sink進行數據發送，為了平行檢測，在場景中間了路由節點對下層所有的Zigbee終端節點情況進行匯總，然后單一向網關Sink上回傳。

■1.2 入侵檢測設計

室內場景上電后，網關ZIgbee設備對公網中所有的AP節點進行網絡參數指令的下達進行掃描，再匹配成功后對場景形成網絡覆蓋，同時開始檢測各個終端節點的RSSI信號強度值，并數值直接向網關Sink回傳。所有的數據都在Zigbee路由模塊上進行處理整合，路由節點收到數據包后對幀進行解析，設計中應用CC2530微處理器來控制所有數據流以及外圍硬件。路由節點的處理器在接收到不同AP節點的RSSI信號強度后，對數據與AP分類整合，然后推送到內置的發送端，向Sink端進行回傳，路由節點在在這里沒有數據分析的功能，上層網關Sink節點在接收到整個數據包后，然后對照其恒定信號強度RSSI值，分析信號的波動情況。

信號的波動情況在本次設計中即是室內入侵情況的反饋。我們通過多次實驗測試出，當空曠的場景中，成功組網后信號RSSI的接收強度波動范圍，而一旦場景中有干擾（入侵）時，信號強度會產生大幅度的波動，由此根據反復的Userstudy來判斷閾值外的信號噪聲即為場景網絡中，檢測到入侵情況。本次應用網絡結構搭配信息強度RSSI以及接入點AP的列表構建了數據坐標系，通過信號數據可視化對室內入侵情況進行分析，是一種對無線通信技術另一個角度的開發。系統整體構成如圖1所示。

圖1 系統整體設計方案

2 相關工作

■2.1 拓撲網絡結構

本次系統的數據流通，我們選用的Zigbee低功耗拓撲結構的無線傳感網來完成，Zigbee通過自組網進行終端向協調器的發送，Zigbee的自組網有三種拓撲結構，網狀結構，星星以及樹型結構。本文選用了網狀結構來搭建網絡，因為在電路設計中，四個終端節點搭載不同傳感器向唯一協調器進行發送，不需要復雜的多跳。同時系統的距離有一定的限制，對數據承載力要求不高，網狀拓撲結構便于平行檢測整個室內情況，圖2顯示了Zigbee網絡情況。

圖2 Zigbee拓撲結構

■2.2 中斷事件

Zigbee組網完成后，對于所有數據的處理是通過微處理CC2530完成的。Zigbee外圍電路中，必須設計出系統時序才能保證系統有效的工作，即為系統的時鐘或者晶體振蕩器。系統上電后，各個模塊按照時序進行有序的工作，或者進行循環檢測RSSI的強度值。本次數據的無線傳輸以及協調器觸發都需要一定的平衡，各個AP節點的數據傳輸率以及頻率的同步即是通過匹配時鐘晶體的震蕩速率來完成的。同時在保持所有功能模塊都有有效的工作時序的同時，晶體振蕩器還有一種作用是外出觸發電平的“變換開關”，一旦產生入侵檢測的觸發，則響應一次外部中斷事件。圖3顯示了入侵檢測情況。

圖3 入侵檢測流程圖

同時系統中我們需要監測實時入侵RSSI值的波動，因此CC2530模塊需要不停的檢測是否有數據流入，但是如果一直處于工作模式，整個系統會產生很高的功耗，因為系統設計了中斷觸發的模式來檢測是否有高低電平的變化。本設計中，每次RSSI的大幅度的噪聲波動，代表了場景中有入侵情況，因此通過對RSSI閾值的判斷來設計中斷觸發事件。設計中比較了單純的標識位中斷觸發方式與定時觸發方式，最終選擇了定時器觸發的方式。這里設置了不同的Task模塊，配合時鐘周期進行了兩種方式編寫，一種是掃描Zigbee網絡中所有數據據按照分鐘的方式進行周期性發送，每1分鐘出發一次發送中斷進行一次回傳，對于入侵觸發事件，超出閾值直接觸發跳變延，通過改變一次高低電平來實時刷新一下RSSI值，回傳上層進行處理。

■2.3 RSSI數據幀

下層的數據流方面，系統分為兩個部分：AP接入點的列表流及RSSI強度數據流。RSSI的讀取通過對CC2530的引腳編程來操作外圍電路，從而實現對場景中入侵情況檢測，在模塊響應后，Zigbee網關Sink連續讀取路由節點回傳的數據，并將讀取的電信號進行A/D轉換，這里我們設計了一個數組，然后對所有RSSI數據全部讀取后，在進行統一的數據操作。本次系統設計，所有RSSI數據的讀取，是通過路由節點進行匯總后，然后在網關節點進行處理的，在系統上電后，主程序進行響應等待模式，這里我們通過設置協調器的定時器來完成數據的一次響應讀取，然后協調器進行等待模塊，等待RSSI是否有數據回傳（數據的轉換在傳感器引腳A / D轉換時完成），當檢測到有數據回傳后，我們通過對數據幀的解析然后匹配AP來完成對整個網絡波動情況的讀取，這里面我們設置數據頭，標志位來完成對數據的分類（AP），當完成對一次數據的分析后，網關Sink繼續進入等待模塊，或者說中斷響應模式。

在進行自動連接ZIgbee模塊服務時，首先進行優先級的設置，對于上下聯通的網關模塊，設置為高優先級的選項，并應用UDP通信模式進行數據接收，同時在系統進行數據同步，把當前下層網絡的所有RSSI數據進行刷新。通過大量的Zigbee的接入點AP的列表信息，可以視為構建了一個室內相對二維度的坐標系，同時RSSI強度是不同AP接入點與Zigbee終端設備一種連接相位的體現，通過不同的RSSI針對不同的接入點可以構建出一個數據坐標信息，回傳給Sink進行分析。

3 系統實現

■3.1 硬件連接

本次系統Zigbee網絡執行過程，初次配置后，四個終端向協調器發送數據，中轉傳輸到路由節點，進行向網關發送的準備。對于AP的掃描，系統啟動后，協調器向下層所有區域廣播網絡參數，查看是否網絡中回饋節點請求，網絡中的5個Zigbee的AP節點，再收到協調器網絡指令后，根據自身PID等參數的配置，向協調器回傳請求響應，協調器接收到請求后，匹配節點的參數查看是否可以通過加入請求，同時回傳響應給終端AP，一旦匹配成功后，即可加入到該Zigbee自組網絡中，并會按照不同的節點功能來開啟工作，其中四個AP節點為終端節點，不停的發送RSSI信號強度值給路由節點進行數據匯總。具體軟件流程圖如圖4所示。

Zigbee網絡開發了專屬的IAR平臺來配置以及編寫Zigbee程序，該IDE是一款層層嵌套的平臺，通常情況下所有的數據幀的編寫以及具體應用的開發，都是在應用層進行配置的，對于組網，我們需要在網絡層協議棧進行編寫，通過組網來分配信道以及PID實現對RSSI的讀取。對于RSSI的強度的讀取，需要設置一定的參數才能進行有效的實驗。

圖4 數據網絡流程流程圖

■3.2 實驗分析

對于實驗，分為了兩個部分：誤差校準實驗以及設計驗證。Zigbee網絡中RSSI信號強度存在大量的干擾因素，而不確定的干擾因素，會形成一定的誤差。因此在驗證整個系統可行性前，我們需要對系統的誤差進行一定的實驗分析。表2所示我們通過五組Userstudy的實驗結果。

表2

本次實驗我們對時間域進行采集，分為了五組實驗室，然后對RSSI信號強的上限以及下限進行采集，然后進行標準化分析。同時我們設計了第六組實驗，為入侵檢測實驗，通過對信道進行一定的阻隔來測試，并通過Matlab對測試的數據可視化的RSSI波動圖的輸出。圖5表明了實驗過程RSSI的波動情況。在500～600段可以看出，通過阻隔對照試驗，RSSI產生了明顯的噪聲變化，會有一段波形超出了標準波動的范圍，可以判斷為產生了室內入侵。

圖5 實驗結果圖

4 設計總結

本次室內入侵檢測系統，是通過Zigbee下層所有數據回傳后，對列表中所有AP接入點進行分析，自組網絡中取出RSSI然后根據強度信息構建一個檢測范圍，相對范圍即代表了在室內安全情況下RSSI的采集范圍，系統把RSSI記錄下來存放在數據矩陣中，同時通過大量的Zigbee的AP信息構建出不同的區域的安全覆蓋網，一旦產生大量噪聲波動，系統比較初識的相對信息，判斷產生室內入侵。這種判斷是一種相對的，而不是絕對的，由于ZIgbee用戶會在整個網絡中移動，同時場景環境的不確定因素，系統會存在一定的誤差。但是同一區域內的相對安全情況可以清晰的顯示出來，并且保證了數據的實時性。因此系統的初步設計以及測試完成了，但誠然存在很多問題，例如精度、實驗的深入開發與對照組，以及系統缺點研究都是可以深入進行的工作。希望未來工作中，深層次開發整個系統。