基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)入侵監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田軍，董興，韓衛(wèi)潔，李晶璐

（長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064）

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)入侵監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田軍，董興，韓衛(wèi)潔，李晶璐

（長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064）

針對我國廣闊的領(lǐng)土及漫長的邊防無法實(shí)現(xiàn)大范圍有效、靈活、低投入的值守警戒，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)入侵監(jiān)測系統(tǒng)。以滿足惡劣環(huán)境下大范圍、長時(shí)間，信息準(zhǔn)確的無人值守需求。并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可靠性好，功耗低，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測。

目標(biāo)入侵監(jiān)測；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；STM32；ZigBee；AD7606

0 引言

我國地域遼闊，有著漫長的邊防線，并與多國接壤。很多地帶，地形復(fù)雜，氣候多變，環(huán)境惡劣，人員難以值守。邊防直接關(guān)系著國家安全與領(lǐng)土完整，為此，我國每年投入大量的人力、物力和財(cái)力，但仍遠(yuǎn)不能滿足邊防警戒需求。為此設(shè)計(jì)一種無線多傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，此系統(tǒng)可通過人工布設(shè)，火炮發(fā)射或飛機(jī)空投等方式散布在所需地帶，無需人為過多干預(yù)，便可自行監(jiān)測是否有人員及車輛等目標(biāo)入侵，并通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將信息及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)送到基站[1?2]，具有使用靈活、反應(yīng)靈敏、隱蔽性強(qiáng)、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在保護(hù)國家邊防安全方面具有重要的戰(zhàn)略意義。同時(shí)該系統(tǒng)也非常適合國內(nèi)某些需監(jiān)控的廣闊邊遠(yuǎn)區(qū)域，或者地形復(fù)雜人員難以到達(dá)或長時(shí)間值守的區(qū)域。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

該系統(tǒng)主要由STM32主控板、聲音傳感器模塊、紅外傳感器模塊、磁電傳感器模塊、震動(dòng)傳感器、指南針模塊、震動(dòng)信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊等組成[3]，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

此系統(tǒng)四類傳感器中，聲音、紅外、磁電的傳感器電路都已模塊化，檢測到的信號輸出為高低電平，可直接與ARM芯片通信。震動(dòng)傳感器檢測到人員或車輛對地面的震動(dòng)信號為微弱的模擬電壓信號，須經(jīng)濾波放大電路與A/D轉(zhuǎn)換電路處理后，才能輸入STM32芯片進(jìn)行處理。應(yīng)用此系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)監(jiān)測，當(dāng)有人員或車輛目標(biāo)侵入到系統(tǒng)監(jiān)測范圍內(nèi)時(shí)，各傳感器根據(jù)自身特性分別同時(shí)進(jìn)行檢測，并將檢測到的信號經(jīng)過處理后輸入主控芯片進(jìn)行分析處理，最后經(jīng)由ZigBee無線傳輸模塊將處理后的有用信號發(fā)往監(jiān)控主機(jī)，在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)識別、定

位、報(bào)警等顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及分析

2.1 MCU主控單元

本設(shè)計(jì)以STM32F103ZET6為主控芯片，STM32系列以ARM Cortex?M3為核心，具有高性能、低成本、低功耗特點(diǎn)。STM32F103為其增強(qiáng)型，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。其優(yōu)異的性能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：超低的價(jià)格；超多的外設(shè)；優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能；杰出的功耗控制。非常符合此系統(tǒng)所需的傳輸數(shù)據(jù)量大，處理速度快，實(shí)時(shí)性好等要求。

2.2 四類監(jiān)測傳感器的選擇

聲音傳感器選擇為駐極體麥克風(fēng)，并集濾波放大、電壓比較等電路為一體成為聲音傳感器模塊，用于感應(yīng)人員及車輛發(fā)出的聲響并將感應(yīng)到的信號轉(zhuǎn)換為0或5 V高低電平。其感應(yīng)距離可調(diào)，并根據(jù)聲音強(qiáng)度的不同感應(yīng)距離從幾米到幾千米變化。

紅外傳感器采用PIR熱釋電傳感器并加菲涅爾透鏡，可增加檢測的靈敏度和準(zhǔn)確性，靈敏度可調(diào)。此傳感器用于檢測入侵目標(biāo)發(fā)出的紅外光譜。檢測距離由幾米到幾十米變化，檢測角度為75°～90°。此設(shè)計(jì)選擇四紅外傳感器模塊分布在圓周上每90°位置，即可實(shí)現(xiàn)全方位360°的監(jiān)測。

磁電傳感器選用目前最先進(jìn)的TMR隧道磁電阻傳感器模塊，可感應(yīng)到含金屬目標(biāo)對磁場的擾動(dòng)，車輛的檢測距離為幾米。

震動(dòng)傳感器選用CD?10DZ6型動(dòng)圈磁電式傳感器，靈敏度可達(dá)120 V/m/s，經(jīng)由信號調(diào)理電路處理后，可很好地檢測到30 m內(nèi)的人員及車輛在地面行進(jìn)的震動(dòng)信號。

2.3 指南針模塊及其工作原理

當(dāng)目標(biāo)入侵到監(jiān)測區(qū)域時(shí)，紅外傳感器模塊配合指南針模塊即可迅速判斷出目標(biāo)所在方位，從而為后續(xù)的定位提供極大的便捷。此指南針模塊選擇GY?26電子指南針，其輸入電壓低、功耗小、體積小，適于集成。工作原理是通過磁傳感器中兩個(gè)相互垂直軸同時(shí)感應(yīng)地球磁場的磁分量，從而得出方位角度。

2.4 震動(dòng)信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

由于人員及車輛行進(jìn)引起的地震動(dòng)信號很微弱，經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸信號會(huì)有很大的衰減，導(dǎo)致傳感器輸出的電壓量很小，通常只有零點(diǎn)幾到幾毫伏，且容易被噪聲淹沒[4]。因此需要將信號濾波放大后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為此選用AD620儀用放大器，它具有高精度、低功耗及使用方便等優(yōu)點(diǎn)[5]。設(shè)計(jì)的調(diào)理電路如圖2所示。

電路前端的抗射頻干擾電路有兩種不同的帶寬：差分帶寬和共模帶寬。

圖2 震動(dòng)信號調(diào)理電路

差分帶寬定義為濾波器在電路兩個(gè)輸入端（即+IN和?IN）輸入差分信號時(shí)的頻率響應(yīng)。該濾波器的-3 dB差分帶寬為：

共模帶寬定義為把共模射頻信號加在兩個(gè)相互連接的輸入端與接地之間時(shí)的頻率響應(yīng)。-3 dB共模帶寬為：

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則，取電阻R3=R4=2 kΩ，C3=C5=1 000 pF，C4=47 nF，計(jì)算得此濾波器差分帶寬為838 Hz，而人員與車輛對地面產(chǎn)生的震動(dòng)頻率通常小于250 Hz，故滿足要求。

在此基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際所需設(shè)計(jì)了雙級AD620濾波放大電路。此濾波放大電路放大倍數(shù)及外接電阻值可由下式計(jì)算得出：

2.5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的選擇

此系統(tǒng)采用AD7606數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，其為16位同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），8個(gè)采集通道，片上集成模擬輸入箝位保護(hù)、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、16位電荷再分配逐次逼近型ADC內(nèi)核、數(shù)字濾波器、2.5 V基準(zhǔn)電壓源及緩沖、高速串行及并行接口。所有通道均能以高達(dá)200 KSPS的速率進(jìn)行采樣。符合系統(tǒng)監(jiān)測大數(shù)據(jù)、高速采樣特性。

2.6 數(shù)據(jù)傳輸模塊的選擇

根據(jù)本系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的無線自組網(wǎng)傳感監(jiān)測，考慮到在選擇無線通信標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮其功耗、成本、體積及自組網(wǎng)特性，并結(jié)合各終端傳感器的檢測性能。主

要針對藍(lán)牙、超寬無線通信及ZigBee技術(shù)等分析了目前無線自組網(wǎng)的通信技術(shù)，由于ZigBee無線通信標(biāo)準(zhǔn)支持低成本、易實(shí)現(xiàn)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸及低功耗等特點(diǎn)，比較適合在惡劣環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此選用ZigBee無線通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組網(wǎng)，并采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳輸距離可達(dá)50 m。在ZigBee協(xié)議棧中共有3種設(shè)備分別是協(xié)調(diào)器（COORDINATOR）、路由器（ROUTER）和終端節(jié)點(diǎn)（ENDDEVICE）。如圖3所示。

圖3 無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

在協(xié)議棧工程中，各個(gè)設(shè)備通過編譯器選擇。對應(yīng)于上述的終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)又分為兩種：終端節(jié)點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)和路由節(jié)點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)。上述各節(jié)點(diǎn)只與它的臨近節(jié)點(diǎn)通信，終端節(jié)點(diǎn)只具有數(shù)據(jù)發(fā)送功能，路由節(jié)點(diǎn)兼具數(shù)據(jù)發(fā)送與轉(zhuǎn)發(fā)功能。當(dāng)其中一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生故障，節(jié)點(diǎn)會(huì)尋找附近的路由節(jié)點(diǎn)重新加入網(wǎng)絡(luò)，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)[6?7]。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)，并將所有數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給PC基站進(jìn)行顯示處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器工作流程圖與系統(tǒng)目標(biāo)監(jiān)測主程序流程圖分別如圖4，圖5所示。

圖4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器工作流程圖

圖5 無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 目標(biāo)震動(dòng)信號檢測實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在秦嶺山上一處空曠地帶，分別進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)對人員及車輛行進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)信號檢測結(jié)果分別如圖6，圖7所示，從圖中可看出，采樣頻率1 000 Hz，人和車對地面震動(dòng)的信號差別非常明顯，通過后續(xù)的算法即可準(zhǔn)確識別出來[8]。

圖6 人員腳步震動(dòng)信號

圖7 車輛行進(jìn)震動(dòng)信號

4.2 監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

在監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)中，選擇了4個(gè)節(jié)點(diǎn)分別相距10 m，以任意方位進(jìn)行組網(wǎng)，結(jié)果表明系統(tǒng)能很好地組建起網(wǎng)絡(luò)，并準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)如圖8所示。

Design of invasion target monitoring system based on wireless sensor network

TIAN Jun，DONG Xing，HAN Wei?jie，LI Jing?lu
（Key Laboratory of Road Construction&Equipment of MOE，Chang’an University，Xi’an 710064，China）

An invasion target monitoring system based on wireless sensor network was designed to meet a long?time unat?tended needs and obtain accurate information in a wide range of bad environment，since China cannot achieve the effective，flexi?ble and low investment unattended alert in its vast territory and long border.A series experimental results shows that the system has properties of high reliability and low power consumption，and can achieve automatic monitoring.

invasion target monitoring；wireless sensor network；STM32；ZigBee；AD7606

TN92?34

A

1004?373X（2015）03?0023?03

2014?08?11