基于MMA7260的標簽式防盜報警器設(shè)計

許 馳，李新春

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島125105）

隨著科技的進步，人們的防盜意識逐步提高，對貴重物品防盜報警的準確性和及時性提出了更高的要求。目前常見的報警方式有現(xiàn)場報警、語音報警、以太網(wǎng)報警、無線網(wǎng)絡(luò)報警等。其中，前兩種方式都需要目擊者現(xiàn)場進行，缺少無人值守功能并存在人身威脅；以太網(wǎng)報警則存在布線復(fù)雜且易被切斷的隱患。針對以上不足，本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)IoT(Internet of Things)技術(shù)的智能防盜報警器，該報警器能夠?qū)崟r監(jiān)測物品的狀態(tài)信息，信息到達報警中心后進行閾值比較，使用AT命令觸發(fā)TC35i進行短信報警。報警器具有標簽式特征，可以大量地進行分布式放置,實現(xiàn)對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)貴重物品的無縫覆蓋。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能

根據(jù)參考文獻[1]定義的物聯(lián)網(wǎng)四層結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為感知識別層，GSM/GPRS移動通信網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層，用戶的手機終端作為管理和應(yīng)用層，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)室內(nèi)環(huán)境特點采用星狀網(wǎng)絡(luò)即可，它具有點到點通信的特點，各傳感器節(jié)點只能和網(wǎng)絡(luò)中唯一的協(xié)調(diào)器進行通信，不受其他節(jié)點干擾。同時，星狀網(wǎng)絡(luò)無需復(fù)雜路由算法，可以有效減少功耗、降低成本。系統(tǒng)分別將傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點定義為監(jiān)控終端和報警中心。而采用一個報警中心是為了減小終端體積，保證其標簽式特性，同時降低系統(tǒng)成本和功耗。監(jiān)控終端的功能主要是采集模擬加速度量、A/D轉(zhuǎn)換和無線發(fā)送，而監(jiān)測區(qū)域內(nèi)固定的報警中心則負責(zé)匯聚來自終端的狀態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過閾值比較，可判定物品是否受力而動。對于超出安全閾值的數(shù)據(jù)，通過向GSM模塊發(fā)送AT指令進行短信報警。用戶只需通過移動終端就可以及時準確地了解物品的安全狀況。

2 硬件設(shè)計

2.1 MMA7260傳感器

監(jiān)控終端采用Freescale公司的MMA7260加速度傳感器作為數(shù)據(jù)采集單元，分別檢測物品的移動和振動兩種狀態(tài)。MMA7260是一款高性價比的三軸模擬加速度傳感器，其測量原理的本質(zhì)是通過改變其內(nèi)部的2片平板電容的間距來改變其電容，進而改變輸出電壓。圖2所示為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，G-Cell傳感單元采集空間中相互垂直的3個方向X、Y、Z軸上的加速度，經(jīng)過容壓變換、增益放大、濾波和溫度補償后以電壓信號輸出[2]。輸出的模擬信號與其敏感軸方向上所受的加速度大小成線性關(guān)系，故通過其加速度量的變化可以判斷物品的移動或振動。

2.2 MMA7260和CC2530接口電路設(shè)計

CC2530是TI公司最新推出的一款真正用于IEEE802.15.4、ZigBee和 RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SoC），它沿用了CC2430的芯片架構(gòu)，只需很少的外圍電路即可構(gòu)建ZigBee節(jié)點。其必備的外圍電路包括電源電路、晶振電路、復(fù)位電路以及射頻收發(fā)電路等，具體芯片電路可參見參考文獻[3]。CC2530內(nèi)部集成了低功耗的8051微控制器內(nèi)核和8路可配置分辨率的12 bit ADC，故將模擬信號送入CC2530的ADC進行轉(zhuǎn)換即可輸出數(shù)字信號。接口電路如圖3所示。

圖3中，g-Select1和g-Select2用于加速度傳感器的靈敏度選擇，可以分別實現(xiàn)1.5 g、2 g、4 g和 6 g量程，直接與CC2530的GPIO相連即可。這里，給g-Select1和g-Select2均加低電平，選用1.5 g量程，使傳感器靈敏度達到800 mV/g的最高值，就可以檢測物品的輕微動作。CC2530的P0作為8路A/D輸入時,需配置ADCCFG寄存器為 0x07， 即選擇 P0_0、P0_1、P0_2分別作為 XOUT、YOUT、ZOUT的A/D輸入引腳。此時，MMA7260輸出的模擬量就可以通過CC2530轉(zhuǎn)換為數(shù)字量了。

報警器電源選用市面上常見的紐扣式鋰電池供電，MMA7260和CC2530的標準供電電壓均為3.3 V。其中，加速度傳感器可以通過SleepMode引腳選擇休眠和工作2種狀態(tài)，休眠時的電流為3 μA；CC2530則提供了 4種供電模式，其在睡眠和中斷情況下的電流分別為1 μA、4 μA,在射頻收發(fā)狀態(tài)下也僅為 24 mA、29 mA。故報警器可以滿足低功耗需求,采用鋰電池供電可以達到半年以上。

2.3 GSM通信接口設(shè)計

系統(tǒng)的報警中心接有GSM短信報警單元，選用德國Siemens公司的TC35i模塊。這是一款支持中文短信的工業(yè)級GSM模塊，采用3.3～4.8 V電源供電，休眠狀態(tài)下的電流損耗為3.5 mA,發(fā)射狀態(tài)下的平均電流為300 mA，峰值可達2.5 A，故報警中心采用直流穩(wěn)壓電源供電，確保網(wǎng)關(guān)節(jié)點的持久供電，維護網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。

TC35i模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口 6部分組成[4]。模塊共 40引腳，通過零阻力插座（ZIF）連接器引出并與SIM卡、CC2530連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；其數(shù)據(jù)輸入輸出接口實際上是一個串行異步收發(fā)器，RTS0/CTS0用于硬件握手，RxD0/TxD0用于串口通信，引腳輸入輸出均為正邏輯電平TTL2.9 V,將其分別連接到CC2530的GPIO即可實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。

2.4 硬件電路板設(shè)計

報警器硬件設(shè)計的關(guān)鍵在于保證其標簽式特性，即在準確安全的前提下盡量縮小系統(tǒng)的體積；而射頻電路設(shè)計的關(guān)鍵在于避免和減少器件間的干擾。CC2530是相對比較敏感的芯片，其底部必須有效接地，如需通過過孔接地，應(yīng)盡可能接近芯片管腳。另外，電源部分的濾波電路設(shè)計也是重要環(huán)節(jié)。為了保證電源信號穩(wěn)定，濾除電源噪聲,在電源輸入端可放置 10 μF和100 nF 2個退耦濾波電容;這些濾波電容應(yīng)盡量靠近電源管腳放置，且接地端也應(yīng)盡可能通過過孔可靠接地[5]。

天線設(shè)計采用倒F型的微帶天線，直接印刷在PCB板上，能夠保證電路板的緊湊性，并降低成本。根據(jù)官方手冊，選用PCB天線能夠滿足所有的TI射頻收發(fā)器件，其最大增益為+3.3 dB,所需最大尺寸僅為25.7 mm×7.5 mm。為了達到較好的射頻信號性能，在PCB電路布局過程中，應(yīng)該給天線留出足夠的空間，以便能夠有效收發(fā)信號，降低干擾。

3 軟件設(shè)計

3.1 網(wǎng)絡(luò)建立和系統(tǒng)流程

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立關(guān)系到整個WSN系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和防盜報警的及時性及準確性。系統(tǒng)的軟件是在IAR Embedded Workbench 7.51A集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)，完成系統(tǒng)軟件ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0協(xié)議棧的修改。ZigBee星狀網(wǎng)絡(luò)，主要實現(xiàn)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)建立，終端入網(wǎng)的修改。協(xié)調(diào)器啟動后，首先掃描信道，確定是否已經(jīng)有網(wǎng)絡(luò)存在，如已存在，則作為終端加入網(wǎng)絡(luò)；反之，自行建網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)的建立是通過協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層函數(shù)NLME_NetworkFormationRequest（）啟動，并通過 zb_Allow-Bind（）函數(shù)開放綁定。終端啟動后，掃描信道，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)后，發(fā)出綁定請求zb_BindDevice（）。協(xié)調(diào)器隨即建立綁定表并響應(yīng)綁定請求。當(dāng)綁定成功后，節(jié)點間便開始點到點的數(shù)據(jù)傳輸。后續(xù)節(jié)點的入網(wǎng)執(zhí)行相同的步驟,協(xié)調(diào)器不斷更新綁定表，并為終端分配網(wǎng)絡(luò)地址。整個系統(tǒng)的執(zhí)行流程如圖4所示。

3.2 監(jiān)控終端程序設(shè)計

監(jiān)控終端主要負責(zé)采集加速度信息，并進行A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號。主要包括初始化MMA7260、數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠?。在A/D轉(zhuǎn)換過程中，需要注意配置ADCCFG、ADCCON1、ADCCON3等寄存器。其程序如下：

傳感器采集的加速度數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后，可以通過串口工具SComAssistant直觀地顯示在PC端，便于觀察數(shù)據(jù)的變化并確定閾值范圍。圖5和圖6分別是監(jiān)控終端正置和倒置時的空間示意及相應(yīng)的采集數(shù)據(jù)。

通過對2組數(shù)據(jù)的對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)終端正置時，X、Y、Z軸方向上的數(shù)據(jù)均未超過520，而倒置時，X、Y、Z軸方向上的數(shù)據(jù)也均未超過740。2組數(shù)據(jù)可分別用于確定終端正置和倒置的置信區(qū)間,如超出此范圍，則可認定物體發(fā)生移動，存在風(fēng)險。以此類推，還可以確定終端在空間中橫放、豎放等多種方式下的安全置信區(qū)間，達到對監(jiān)控物品的全方位監(jiān)控。

3.3 短信報警程序

GSM模塊的初始化由協(xié)調(diào)器MCU向其發(fā)送AT命令完成，包括設(shè)置串口波特率（AT+IPR=9 600）、短信服務(wù)中心（AT+CSCA=“+8613800429500”）、 無線網(wǎng)絡(luò)登錄模式、短消息模式等。在設(shè)置短消息模式時，AT+CMGF=0表示PDU模式，AT+CMGF=1表示TEXT模式。TEXT模式只能傳送數(shù)字和字母，而PDU模式可以進行中文字符發(fā)送，故報警中心選擇PDU模式。PDU模式有3種編碼方式，分別是7-bit編碼、8-bit編碼和 UCS2編碼，本文選擇UCS2編碼（即中文Unicode）。其編碼方式比較簡單，只需將要發(fā)送的字符轉(zhuǎn)換成由數(shù)字和字母組成的4 bit字符串即可[4]。例如要報警的短信內(nèi)容為“物品移動”，其對應(yīng)的 Unicode碼為“7269 54C1 79FB 52A8”。 然后使用短信發(fā)送命令 AT+CMGS=“+8613*********”即可向指定手機發(fā)送報警信息。當(dāng)然，報警中心也可以設(shè)置多個短信接收中心，實現(xiàn)對多人的同時報警。

報警器經(jīng)過實驗測試，能夠達到對物品輕微移動或振動的準確報警，為物聯(lián)網(wǎng)推廣環(huán)境下的防盜報警裝置提供了新的設(shè)計思路，為人們的財產(chǎn)安全提供了更高的保障。但是，如何提高制板工藝，進一步減小報警器的體積和功耗，以及如何更好地抵抗可能存在的其他2.4 GHz頻段射頻信號的干擾是下一步研究的重點，也是進一步改善系統(tǒng)的關(guān)鍵。

[1]劉云浩.物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[2]Freescale Semiconductor.MMA7260Q DataSheet[EB/OL](2005-04-01).http://www.freescale.com/.

[3]Texas Instruments.CC2530 Data Sheet[EB/OL](2010-10-05)http://www.ti.com/.

[4]朱國忠，雷聲，潘敏，等.基于加速度傳感器的保險箱報警系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用 2011,37(1)：102-121.

[5]寧炳武，劉軍民.基于 CC2430的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2008，34(3)：95-99.