基于6LoWPAN的野外古墓葬外部環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

李 艷，劉俊杰（陜西科技大學(xué)電信學(xué)院，西安 710021）

由于我國(guó)野外古墓葬面積大，看護(hù)與管理成本較高，因此需要進(jìn)行高效地監(jiān)控管理。而現(xiàn)有的防盜系統(tǒng)大多采用鋪設(shè)地線方式，但造價(jià)高，施工難度大使得其沒有得到很好普及［1］。

為了克服上述野外古墓葬防盜各方面的不足，提供一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的野外古墓葬防盜系統(tǒng)［2］，并采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的6LowPAN通信協(xié)議，6LowPAN是基于IPv6的無線自組網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)［3］，其本身是TCP/IP的架構(gòu)，從服務(wù)器上可以看到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的IP地址，IPv6地址空間的優(yōu)勢(shì)可以為監(jiān)控與防盜系統(tǒng)中部署大量的終端設(shè)備都分配全局地址，使終端之間、操作者和終端之間都可以進(jìn)行直接的端到端通信［4］。

采用無線的方式，又具有施工簡(jiǎn)單，低能耗，低成本，覆蓋面積廣和響應(yīng)速度快的特點(diǎn)［5］。

1 系統(tǒng)框圖

圖1為系統(tǒng)框圖，由8個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)控制裝置，一個(gè)邊界路由，一臺(tái)PC機(jī)（上位機(jī)）和云服務(wù)器組成。

圖1 系統(tǒng)框圖

各個(gè)節(jié)點(diǎn)硬件相同，均由TI公司的C8051內(nèi)核的無線射頻模塊CC2530和震動(dòng)信號(hào)采集電路組成。

控制裝置位于區(qū)域中心，由CC2530和低功耗32位處理器TM4C123GXL進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)與控制，使用兩個(gè)反向放置的激光頭作為探照燈，通過舵機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)照明。

邊界路由由射頻模塊CC2530組成，通過串口與PC機(jī)（上位機(jī)）通訊，具有數(shù)據(jù)雙向收發(fā)功能，將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳遞到上位機(jī)，并從將上位機(jī)命令轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點(diǎn)［6］。

上位機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的操作、報(bào)警與顯示界面?？赏ㄟ^云服務(wù)器更新各節(jié)點(diǎn)資源到Y(jié)eelink云服務(wù)器和自建的云服務(wù)器，通過Yeelink客戶端或微信公眾號(hào)Onet6訪問各節(jié)點(diǎn)獲取資源。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的邊界路由器為CC2530，控制裝置由TM4C123GXL和CC2530通過UART傳遞參數(shù)。

節(jié)點(diǎn)硬件包括主控制電路、電源電路、聲光指示電路、加速度傳感器震動(dòng)信號(hào)采集電路。主控制電路采用圖2中的CC2530模塊，CC2530是用于IEEE 802.15.4應(yīng)用的SoC解決方案，能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)［7］。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 kbyte RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。

圖2 CC2530管腳定義

圖3 節(jié)點(diǎn)電路圖

圖3為節(jié)點(diǎn)電路圖，由電源電路，加速度傳感器MMA7260Q，蜂鳴器電路，CC2530模塊轉(zhuǎn)接電路，按鍵電路和LED指示電路組成。蜂鳴器和LED用于調(diào)試，實(shí)際使用時(shí)軟件上將其關(guān)閉，以降低節(jié)點(diǎn)功耗。電源電路由一節(jié)3.7 V、容量為650 mA的鋰電池和穩(wěn)壓電路組成。穩(wěn)壓芯片采用7533，其壓降只有0.2 V，適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)超低功耗的場(chǎng)合。加速度傳感器采用飛思卡爾公司模擬量輸出的傾角傳感器MMA7260QT，可根據(jù)X、Y、Z三軸加速度的值來確定該位置的震動(dòng)幅值，結(jié)合CC2530的內(nèi)置ADC單元可實(shí)現(xiàn)震動(dòng)信號(hào)的12 bit高精度數(shù)據(jù)采集，經(jīng)在戶外測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)數(shù)十米普通震動(dòng)信號(hào)的采集［8］。

3 軟件設(shè)計(jì)與流程

3.1 軟件初始化流程

圖4為兩個(gè)部分的初始化流程。傳感器節(jié)點(diǎn)使用開源操作系統(tǒng)Contiki進(jìn)行節(jié)點(diǎn)管理［9］，首先對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的初始化工作，然后開啟節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)功能并就近加入的RPL網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)，接著將節(jié)點(diǎn)當(dāng)中的所有數(shù)據(jù)信息如節(jié)點(diǎn)名稱、位置、電量、溫度、濕度以及主要用來監(jiān)測(cè)的震動(dòng)信號(hào)封裝到不同的CoAP資源當(dāng)中，最后開啟傳感器節(jié)點(diǎn)的CoAP服務(wù)器并讓系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)［10］。上位機(jī)軟件初始化流程是首先根據(jù)之前設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)對(duì)軟件進(jìn)行初始化，并通過http訪問邊界路由的Web Server得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)的IP地址信息，就能使用計(jì)算機(jī)作為CoAP客戶端對(duì)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行資源列表的請(qǐng)求［11］，并能夠根據(jù)RPL的資源信息得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)樹狀圖，接下來軟件就能夠正常運(yùn)行，執(zhí)行相關(guān)的節(jié)點(diǎn)通過數(shù)據(jù)通信進(jìn)行古墓葬監(jiān)測(cè)任務(wù)。

圖4 軟件初始化流程

3.2 軟件正常運(yùn)行流程

圖5為軟件的正常運(yùn)行流程。將傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)中的震動(dòng)信號(hào)配置為可訂閱的資源，CoAP客戶端可通過訂閱方式定期得到服務(wù)器發(fā)送回來的資源數(shù)據(jù)而不必去總是單獨(dú)的訪問服務(wù)器去獲取資源數(shù)據(jù)。

傳感器節(jié)點(diǎn)初始化后等待上位機(jī)CoAP客戶端進(jìn)行該資源的訂閱，定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到客戶端，客戶端也能對(duì)節(jié)點(diǎn)當(dāng)中的其他資源如電量、溫度等信息進(jìn)行訪問，傳感器節(jié)點(diǎn)中的CoAP服務(wù)器亦會(huì)發(fā)送訪問的目標(biāo)資源數(shù)據(jù)至上位機(jī)中。

當(dāng)訂閱的震動(dòng)數(shù)據(jù)有異常時(shí)，上位機(jī)顯示并分析各個(gè)節(jié)點(diǎn)同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行決策［12］，計(jì)算震動(dòng)信號(hào)的方位并控制激光頭指向異常震動(dòng)方位并打開警報(bào)。

圖5 軟件正常運(yùn)行流程

4 云服務(wù)器與手機(jī)客戶端

4.1 Yeelink云服務(wù)器

可將各節(jié)點(diǎn)的震動(dòng)信息通過邊界路由上傳至Yeelink服務(wù)器，在PC端查看各節(jié)點(diǎn)資源，亦可通過Yeelink的Android/IOS客戶端訪問各節(jié)點(diǎn)獲取震動(dòng)信息，圖6為PC端Yeelink采集到的節(jié)點(diǎn)震動(dòng)信息，圖7為Yeelink Android客戶端獲取的節(jié)點(diǎn)震動(dòng)信息。

圖6 Yeelink服務(wù)器中的設(shè)備震動(dòng)數(shù)據(jù)

圖7 Yeelink手機(jī)客戶端獲取的設(shè)備數(shù)據(jù)

4.2 自建云服務(wù)器與微信公眾號(hào)

通過自建的云服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求到Y(jié)eelink服務(wù)器，Yeelink返回請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過微信公眾號(hào)向自建云服務(wù)器發(fā)請(qǐng)求，云服務(wù)器解析并發(fā)出解析數(shù)據(jù)，通過微信公眾號(hào)可獲取設(shè)備信息［13］。圖8為Yeelink、自建云服務(wù)器和微信公眾號(hào)發(fā)送請(qǐng)求命令與返回?cái)?shù)據(jù)的流程。

圖8 Yeelink與微信公眾號(hào)數(shù)據(jù)通信流程

微信公眾號(hào)內(nèi)”sust NUM”是向服務(wù)器發(fā)出獲取NUM號(hào)節(jié)點(diǎn)的震動(dòng)信息的命令，圖9是節(jié)點(diǎn)周圍沒有人員走動(dòng)時(shí)，在微信平臺(tái)上發(fā)送”sust 5”命令，收到的是設(shè)備5的狀態(tài)，獲取的震動(dòng)值為96，而最大值接近4095，震動(dòng)值覆蓋范圍寬，靈敏度較高，能滿足該系統(tǒng)需求。

圖9 微信公眾號(hào)中獲取的震動(dòng)數(shù)據(jù)

5 上位機(jī)與系統(tǒng)測(cè)試

5.1 上位機(jī)調(diào)試工具

圖10是使用C#設(shè)計(jì)的CoAP調(diào)試工具，它可以直接在計(jì)算機(jī)端以CoAP協(xié)議與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信調(diào)試。左邊的樹狀結(jié)構(gòu)為傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)中的資源信息，上邊為相關(guān)的方法如GET、POST、Observe等，中間為相關(guān)的數(shù)據(jù)信息［14］。傳感器節(jié)點(diǎn)將每個(gè)需要進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)資源并作為CoAP服務(wù)器，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)則作為CoAP客戶端對(duì)感興趣的資源進(jìn)行訪問（GET或POST）即可得到所需要的數(shù)據(jù)［15］。圖中Sensors目錄下的shake資源是一個(gè)可訂閱的資源［16］，也是最重要的震動(dòng)數(shù)據(jù)的資源。通過訂閱資源即可實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)該資源的定時(shí)發(fā)送與條件觸發(fā)發(fā)送功能，能夠減少網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)包數(shù)量，節(jié)省節(jié)點(diǎn)電能的消耗［17］。

圖11為的為每個(gè)節(jié)點(diǎn)資源的訪問界面，可以隨時(shí)訪問指定節(jié)點(diǎn)的各個(gè)資源信息，包括節(jié)點(diǎn)名稱、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、電池電量、環(huán)境溫度、RPL組網(wǎng)關(guān)系等內(nèi)容。

圖12為系統(tǒng)運(yùn)行主界面，左上方為實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示的界面，可以指示出發(fā)生異常震動(dòng)時(shí)的具體方位，右方為異常閾值設(shè)定參數(shù)，下方為各傳感器節(jié)點(diǎn)的CoAP地址與近兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的震動(dòng)值。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)的震動(dòng)值超出閾值時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)與位置信息確定異常震動(dòng)方位，并進(jìn)行紅色警報(bào)，然后會(huì)在內(nèi)部發(fā)送控制指令到中間的云臺(tái)進(jìn)行警報(bào)燈的方向控制，使其指向異常震動(dòng)位置。

圖10 傳感器節(jié)點(diǎn)資源信息

圖11 單個(gè)節(jié)點(diǎn)訪問界面

圖12 系統(tǒng)運(yùn)行主界面

5.2 系統(tǒng)測(cè)試

將傳感器節(jié)點(diǎn)部署在戶外30 m×30 m的區(qū)域內(nèi)，按順時(shí)針編號(hào)1號(hào)至8號(hào).通過自組網(wǎng)建立傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)開始初始化，圖13的全部節(jié)點(diǎn)和位于區(qū)域中心的控制裝置和上位機(jī)都準(zhǔn)備就緒。

圖13 節(jié)點(diǎn)與控制裝置實(shí)物圖

當(dāng)區(qū)域內(nèi)有人員按順時(shí)針跑動(dòng)，在上位機(jī)中可以看到1號(hào)節(jié)點(diǎn)區(qū)域由綠色變?yōu)榧t色，并閃爍指示，控制中心開啟激光；緊接著，2號(hào)至8號(hào)節(jié)點(diǎn)依次閃爍，控制中心開啟的激光依次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°。

當(dāng)測(cè)試逆時(shí)針跑動(dòng)時(shí)，現(xiàn)象與順時(shí)針類似，在上位機(jī)中也可以看到8號(hào)節(jié)點(diǎn)區(qū)域由綠色變?yōu)榧t色，并閃爍指示，控制中心開啟激光；緊接著，7號(hào)至1號(hào)節(jié)點(diǎn)依次閃爍，控制中心開啟的激光依次逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°。

當(dāng)測(cè)試人員沿任意方向走動(dòng)，在上位機(jī)中，震動(dòng)區(qū)域由綠色變?yōu)榧t色，并閃爍指示，激光也跟隨旋轉(zhuǎn)。

以上測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)與邊界路由的自動(dòng)組網(wǎng)，能采集到各節(jié)點(diǎn)震動(dòng)數(shù)據(jù)并準(zhǔn)確判斷震源方位，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警，能取代現(xiàn)有鋪設(shè)電纜的監(jiān)控方式。

6 結(jié)束語

將無線傳感技術(shù)應(yīng)用到了野外文物古墓葬保護(hù)中，將現(xiàn)有的鋪設(shè)電纜的方式改為6LoWPAN無線方式的監(jiān)控，設(shè)計(jì)制作了一套完整的基于6LoW?PAN無線傳感網(wǎng)絡(luò)古墓葬監(jiān)測(cè)與保護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)的各項(xiàng)特點(diǎn)使其能直接投入市場(chǎng)使用成為了可能。經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)古墓葬外部環(huán)境的數(shù)據(jù)采集與傳輸。在后續(xù)研究過程中，大量擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)后可提高定位精度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)野外古墓葬外部環(huán)境的更精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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李 艷（1972-），女，漢族，四川省仁壽縣人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化，智能檢測(cè)與智能控制，liyan@sust.edu.cn；

劉俊杰（1991-），男，漢族，安徽省臨泉縣人，陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院碩士研究生，專業(yè)：控制理論與控制工程，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，643626515@qq.com。