基于ZigBee無線通信技術的基站安全監控系統設計

王勇輝

摘要：針對偏遠基站的安全防盜問題，研究移動基站安全監測網絡構建的難點，將ZigBee技術作為前端通信手段，設計了一套基于ZigBee無線通信技術的基站安全監控系統。系統通過無線通信的方式組建通信網絡并通過移動通信實現信號遠距離傳輸，把基站監控點的信息收集、分析、處理和存儲并傳輸到基站監控中心完成實時監控。經試驗結果表明：該系統傳感器采集數據準確，數據傳輸穩定，監控效果良好，具有良好的實用價值與推廣意義。

關鍵詞：zigBee;無線網絡;監控;傳輸

中圖分類號：TN923 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）13-0052-02

目前移動公司基站覆蓋范圍非常廣泛，其中有許多基站甚至建設在高山或偏遠的鄉村，因此移動基站的安全監控成了一個非常嚴峻的問題”。利用無線通信的信息化技術組建移動基站安全監控自動化系統，完善基站正常運行的安全管理機制是促進基站防盜安全的總體趨勢，也是解決移動基站安全監控的有效手段。隨著無線通信技術的高速發展，采用無線接人的通信方式對移動基站進行防盜信息監控方式可行嘲。由于zigBee通信技術具有性能高、功耗低、成本可控等優勢，故本文采用zigBee通信技術與無線數據采集設備組成一個基于zigBee無線通信的網絡系統，結合公共無線網絡4G設計一套移動基站安全防盜信息動態監控系統。該系統具有可靠性強、安裝便利，維護簡單等優點，能較好地解決偏遠山區基站安全防盜信息采集不便等問題嘲。

1無線通信網絡

無線通信網絡是由許多節點根據自組織網絡的方式構成，節點通常通過各種方式部署在被感知的對象內部或者附近。節點通過網絡協作感知、采集以及處理網絡區域中的信息，實現對該區域的任意地點信息在隨意時間采集、處理和分析。無線通信網絡的結構圖如圖1所示。

從上圖中可得出在通信網絡中各個傳感器節點所獲取的數據傳送到無線數據收集器，數據收集器獲取通信網絡各節點數據后進行處理，再把處理后的結果通過云服務傳輸到終端，因此也可以從終端對網絡中各節點進行相應的管理功能。

2基站安全監控系統方案

基于zigBee無線通信技術的基站安全監控系統主要由現場檢測傳感器、遠程無線傳輸、網絡通信和監控中心等4個結構組成，其系統效果圖如圖2所示：

（1）現場檢測傳感器。對門與窗戶的開關狀態進行檢測，傳感器上電后板載的MCU進行數據處理的同時，ZigBee模塊立即搜尋并接入附近的多路數據采集儀的ZigBee無線通信網絡并加入其中作為一個節點，從而實現雙向通訊。

（2）基站監控終端。內置ZigBee模塊和移動通信的4G通訊模塊，主要負責采集傳感器的現場數據。通過ZigBee協議發送的實時數據，再通過內置的移動通信4G模塊將現場信息傳送到基站監測中心，實現實時監控的效果。由于無線數據采集儀在通電后會對附近的ZigBee模塊進行自動組網，無須人員干預，增加或刪除其中的監控節點不影響其他監控節點的正常工作。

（3）網絡通信。使用公用移動網絡將基站的各個門窗的開關狀態數據傳輸到Intemet公網，并通過固定IP地址傳送給監控中心服務器。

（4）基站監控中心。包括交換機、服務器、UPS電源等硬件設備和操作系統、數據庫、基站安全監控系統等軟件組成。

3監控系統的設計

低功耗是ZigBee網絡的主要特點，終端節點一般是由電池供電的，所以低功耗的設計技術就顯得非常有意義。降低功耗的方法一般是降低空閑時和通信狀態下的能量消耗。而在通訊狀態下，終端節點的發射功率直接就會影響到節點間的傳輸距離，因此根據終端節點與協調器的距離合理地調節發射功率對于終端節點的功耗的降低是非常有研究價值的_5_。

結合系統的設計要求，本文采用支持ZigBee2007/PRO協議的CC2530單片機作為載體進行開發與設計。前端監控的傳感器均采用內置ZigBee無線通信模塊。

基站監控終端也采用內置ZigBee無線通訊模塊與前端傳感器組建成通信網絡，同時監控終端還具備4G通訊模塊，實現遠距離通信傳輸。由于監控系統的硬件設備需在野外工作，為了防止主供電發生故障，因此需要配置太陽能電池板及鉛酸蓄電池作為后備電源。綜上所述，監控網絡的結構圖如圖3所示：

3.1硬件設計

監控系統的終端節點和協調器主要以CC2530芯片為核心，增加部分傳感器外圍電路構成，形成以ZigBee為節點的核心部分。本設計主要的內容是分析CC2530的硬件電路設計，其電路圖如圖4所示：

在RF_P以RF N引腳之間的電容與電感是發揮射頻信號收發的作用，有源引腳都在接人電源的同時并聯一個濾波電容以增加系統的可靠性;在引腳22與23之間并聯一個晶振是為了在正常工作模式與低功耗工作模式下使用，同時為了提高無線傳輸的可靠性，將主控核心獨立出來制作。

3.2軟件開發

本設計采用TI推出的Z-Stack協議棧，通過修改ZigBee實例以運行ZigBee協議。將門窗狀態信息簡化成LED燈后于協議棧中提供的操作系統抽象層結合能得到較為詳細的實際程序運行圖如圖5所示。

4系統的調試

4.1功率與距離的測試

CC2530芯片的輸出功率由TXPOWER寄存器和TXCLTRL寄存器控制，通過修改Z-Stack中的代碼值可對發射功率的初始化和動態進行修改，同時利用mac層的射頻設置功率函數矯正功率函數修改發射功率，在處理門窗開關狀態的事件中加入發送數據包函數實現數據交互。

測試過程中分別測量0，-5，-10，-15，-20dBm的最遠直線組網距離，可以得到通信距離與發射功率之間的關系表，如表1所示：

從上表中發現節點與協調器的通信距離隨發射功率的增加而增長，因此在通信網絡的應用場景下，工作人員可以根據具體的使用范圍來調整發送功率而避免不必要的能耗損失。

4.2安全測試

在zigBee技術中，采用對稱密鑰的安全機制，由應用層和網絡層共同根據實際需要生成密鑰。zigBee技術標準中的所有安全方案，使用的都是AEs算法，AEs是一種用于加密電子數據的規范。在測試過程中打開nwk-global.c函數并設置一個專用密碼，在加密結束后打開協調器與節點，發現密鑰與協調器不相同時無法自動加入網絡。在實際使用中，通常開啟安全模式防止其他人員對信號網絡進行干擾。

5結束語

本文設計了基于zigBee無線通信技術的基站安全監控系統，實現基站各監控點傳感器的無線數據傳輸與系統的無線數據采集儀實現雙向通信網絡。由于基于zigBee的通信網絡對距離要求不高，從而有效避免其他的干擾，再通過移動網絡傳輸到基站監控中心實現實時監控，對基站的安全起到了預警作用。該監控系統不僅具有可靠性，還結構簡單、造價便宜，對基站的安全提供了保障。