基于ZigBee的古墓葬群防盜報警系統(tǒng)

王 濤 李冠越 劉文博

（1.西北民族大學，甘肅蘭州 730030；2.陜西宇航科技工業(yè)公司，陜西西安 710025）

0 引言

我國是文物大國，每年因為盜掘古墓所流失的文物數(shù)量巨大，給我國文化財產(chǎn)造成了巨大的損失.然而由于古墓都位于野外，分布較廣，現(xiàn)有的安全防范手段，比如紅外、電視和超聲波監(jiān)控等方法對于地下挖掘和爆破偷盜不能起到很好的監(jiān)控作用.基于上述原因，本文設(shè)計了一種基于ZigBee的古墓葬群防盜報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過采集地下的震動信號，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，并通過控制系統(tǒng)進行分析和判斷，來判定是否存在盜掘活動，起到對古墓葬群保護的作用。

1 設(shè)計思路

基于ZigBee的古墓葬群防盜報警系統(tǒng)，主要由4部分組成：（1）數(shù)據(jù)采集部分，即用來采集地下的震動信號，由拾震器和調(diào)理電路組成；（2）ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分，該部分主要完成信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換和傳遞；（3）控制部分，該部分功能主要是預先提取地下不正常的震動信號，比如挖掘和爆破，和ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸來的信號進行對比和識別，達到報警條件時，驅(qū)動報警裝置；（4）報警裝置，主要是聲光報警，為了達到更好的打擊盜墓犯罪的效果，報警裝置通過專線直接和公安110聯(lián)網(wǎng).系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

1.1 數(shù)據(jù)采集部分

1）拾震器選型

拾震器的選擇要考慮的因素很多，主要包括重量、頻率響應(yīng)和靈敏度.靈敏度越高的拾震器，系統(tǒng)信噪比就越大，抗干擾能力和分辨率也就越好，在保證頻率響應(yīng)和量程的情況下，應(yīng)盡可能的選擇靈敏度高的拾震器.經(jīng)過綜合考慮各項參數(shù)和實際試驗分析，最終確定在本設(shè)計中采用HK20DX-10S微地震檢波器.

2）調(diào)理電路

圖2 放大和濾波電路

經(jīng)過拾震器檢測到的信號轉(zhuǎn)換為電信號后幅度很小，加上傳輸線上損耗的存在，基本上不能進行A/D轉(zhuǎn)換，這就需要對這些模擬信號進行放大處理.同時在監(jiān)控區(qū)域，存在很多人為的活動，這就造成了許多干擾信號，所以必須在硬件電路部分添加濾波電路.在本設(shè)計中，采用了外接滑動變阻器的前置放大器AD620，放大和濾波電路如圖2所示.

3）模數(shù)轉(zhuǎn)換

在本設(shè)計中，使用CC2430內(nèi)部14位的ADC作為數(shù)據(jù)采集模塊，內(nèi)部有一個可支持最多8個可配置通道的模擬多路選擇器，每次采樣的結(jié)果都會通過DMA寫入內(nèi)存，而且不需要內(nèi)核的干預，使用這種方式可以確保模數(shù)轉(zhuǎn)化器捕獲到連續(xù)的采樣流.

1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)

1）ZigBee節(jié)點設(shè)計

選用TI公司的CC2430芯片.CC2430是一顆真正的系統(tǒng)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(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用，及對低成本，低功耗的要求.它結(jié)合一個高性能2.4GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器.

CC2430芯片需要很少的外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能.電路使用一個非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好.電路中的非平衡變壓器由電容和電感以及一個PCB微波傳輸線組成.內(nèi)部T/R 交換電路完成LNA和PA之間的交換.用1個32 MHz的石英諧振器和2個電容構(gòu)成一個32 MHz的晶振電路.用1個32.768 kHz的石英諧振器和2個電容構(gòu)成一個32.768 kHz的晶振電路.電壓調(diào)節(jié)器為所有要求1.8V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電.引出所有可用I/O，并提供RS232串行接口，用于系統(tǒng)的擴充和通信等功能.ZigBee節(jié)點原理圖如圖3所示.

圖3 ZigBee節(jié)點原理圖

2）ZigBee組網(wǎng)

在該系統(tǒng)中，因為ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有接力通信的優(yōu)點，所以可以選取一個節(jié)點作為基站來接受每個節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)給控制部分.加入網(wǎng)絡(luò)成功后，ZigBee節(jié)點就可以向ZigBee基站發(fā)送數(shù)據(jù)了.此后程序開始循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù).ZigBee節(jié)點每隔一段時間采集一次數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)打包再發(fā)送到ZigBee基站，并開始接收應(yīng)答.如果發(fā)送成功，ZigBee節(jié)點回到空閑狀態(tài)；如果發(fā)送不成功，ZigBee節(jié)點馬上重新采集一次數(shù)據(jù)再發(fā)送給基站，直到發(fā)送成功.

1.3 控制部分

從帶有噪音等外部干擾信號中濾除噪音提高微震信號的信噪比是微震信號處理中非常重要的一項工作，而傳統(tǒng)的如卡爾曼濾波等自適應(yīng)濾波方式對微震信號進行去噪音處理時，都要先知道噪音的特點再進行分離，在不知道任何噪音特性的情況下，用這些傳統(tǒng)的濾波方式是很難達到滿意的效果.本系統(tǒng)采用小波分析的方法可以通過小波變換將信號在多個尺度上進行小波分解，每個不同尺度上分解得到的小波變換系數(shù)代表的是原來信號在不同分辨率上的信息.由于有用信號和外界的噪音在分解的時候會存在一些不同的傳遞特性和特征表現(xiàn)，我們就可以利用這種不同的傳遞特性來進行信號的去噪音處理.其實質(zhì)是減少噪音產(chǎn)生的小波系數(shù)，最大限度的保留有用信號的系數(shù).

在本設(shè)計中采用小波閥值去噪的方法，該方法是一種非線性的去噪方法，先對信號進行小波變換，再對其變換后的值進行去噪處理，直接對小波變換系數(shù)取閥值，最后讓保留下來的較大的小波系數(shù)重構(gòu)原信號，也就是經(jīng)過濾波后的有用信號.

在本設(shè)計中控制部分的主要作用是讓監(jiān)控現(xiàn)場傳來的信號和預先采集的信號進行比對，達到報警條件時，驅(qū)動報警裝置發(fā)出報警信號.所以需要預先在設(shè)備安裝的地點采集震動信息，因為盜墓分子從地下盜掘，主要采用洛陽鏟和爆破的方式，這就要求必須進行多次試驗，采集相應(yīng)的信號進行分析和處理，并將其存儲，以便在實際使用時和現(xiàn)場采集的信號進行對比.

1.4 報警裝置

當滿足系統(tǒng)設(shè)定的報警條件時，系統(tǒng)立刻驅(qū)動聲光報警裝置報警，并直接接通110專線.

2 現(xiàn)場測試

將拾震器埋在地下3米處，在其半徑70米范圍內(nèi)均可實現(xiàn)對震動信號的采集和傳輸.經(jīng)實際測試，當采用洛陽鏟、鐵鍬等工具進行挖掘，或使用炸藥進行爆破，系統(tǒng)均可以識別其信號，并發(fā)出報警.但同時，系統(tǒng)也會出現(xiàn)一定的誤報.

3 總結(jié)和展望

本系統(tǒng)結(jié)合先進的通信方式和技術(shù)，將其應(yīng)用在古墓葬群的保護中，數(shù)據(jù)的采集能力、信號處理能力、實時監(jiān)控能力均可以滿足對古墓葬群監(jiān)控和保護的要求.今后將在此領(lǐng)域進行繼續(xù)研究，努力降低系統(tǒng)的誤報率，并可實現(xiàn)對地下挖掘地點的定位.

[1] 柏慧，微震信號采集系統(tǒng)的研究[D]，安徽理工大學碩士論文，2012.

[2] 孫戈，基于微震檢測技術(shù)的地下田野文物監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].西安電子科技大學學報，2011（7）：37-39.

[3] 平健，微地震技術(shù)在銀行監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]，微計算機信息，2010（26）：101-103.

[4] 文璧，張潔，徐謙，基于無線射頻與FPGA技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]，中國測試，2009.

[5] 李文仲，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實戰(zhàn)[M]，北京航空航天大學出版社，2007：184-200.

[6] 董亞超，基于ZigBee技術(shù)的無線環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)[D]，大連理工大學碩士論文，2008.

[7] 王紀強，基于DSP的微地震數(shù)據(jù)采集儀的研制[D]，山東科技大學碩士學位論文，2005.

[8] 梁燕，地震數(shù)據(jù)采集傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D]，華中科技大學碩士學位論文，2006.