基于ZigBee的文物防盜追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)亮　李凌云　崔恒榮　周濤

摘要：現(xiàn)有基于GPS和GPRS的復(fù)合追蹤系統(tǒng)在接近目標(biāo)后，缺乏在近距離對(duì)目標(biāo)定向查找的有效手段，并且由于GPS和GPRS較高的工作電流，系統(tǒng)不能低功耗地實(shí)時(shí)監(jiān)控目標(biāo)的狀態(tài)。為更有效地保護(hù)文物，以JN5168無線微控制器為核心，設(shè)計(jì)了一種基于飛行時(shí)差測(cè)距和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的防盜追蹤系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，飛行時(shí)差測(cè)距在不同環(huán)境條件下相對(duì)誤差低于9%。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警、精確定位和快速查找，體積小、功耗低、靈活性好，可在文物防盜、車輛追蹤、危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域推廣使用。

關(guān)鍵詞：ToF測(cè)距；ZigBee；GPS；GPRS；文物防盜

DIO：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.008

引言

文物作為歷史文化的載體，是研究古代社會(huì)的寶貴財(cái)富，具備極高的藝術(shù)、考古價(jià)值。但是，館藏文物的盜竊、文物運(yùn)輸中的失竊等造成了文物的流失?，F(xiàn)有的文物防盜系統(tǒng)主要采用視頻監(jiān)控、紅外監(jiān)控與人工巡查相結(jié)合的方式，監(jiān)控實(shí)時(shí)性差、系統(tǒng)成本高、施工復(fù)雜。

ZigBee技術(shù)面向自動(dòng)化和無線測(cè)控領(lǐng)域，靈活性好、功耗低，普遍應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的大范圍監(jiān)測(cè)和跟蹤。將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于文物防盜系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)文物位置信息的無線實(shí)時(shí)監(jiān)控，克服現(xiàn)有系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差、功耗高的缺點(diǎn)?；陲w行時(shí)差測(cè)距原理的TOF（Time of Flight）測(cè)距是一種精度較高的近距離測(cè)距方法，可用于采集文物與參考節(jié)點(diǎn)之間的距離信息，從而判斷文物是否處于安全監(jiān)控狀態(tài)。同時(shí)，在追蹤文物過程中，TOF測(cè)距作為接近目標(biāo)后近距離定向查找的有效手段。本文將ZigBee技術(shù)和TOF測(cè)距相結(jié)合，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的文物防盜追蹤系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由傳感節(jié)點(diǎn)單元SNU（Sensor Node unit）、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)單元CNU（Coordinator Node Unit）和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心構(gòu)成。文物防盜追蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

SNU作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感節(jié)點(diǎn)，部署在待監(jiān)控的文物上，負(fù)責(zé)采集距離數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。CNU作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，采用鏈狀樹形結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，一個(gè)CNU與多個(gè)SNU構(gòu)成一個(gè)監(jiān)控子網(wǎng)，經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)和SNU通信，接收各節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，并通過GPRS業(yè)務(wù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在各個(gè)終端上，供管理員查看和判斷監(jiān)控區(qū)域是否有文物被盜。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 SNU硬件設(shè)計(jì)

傳感節(jié)點(diǎn)單元SNU負(fù)責(zé)控制TOF測(cè)距傳感器工作，同時(shí)周期性地向CNU發(fā)送采集到的距離信息，并判斷文物是否處于安全監(jiān)控距離內(nèi)。當(dāng)文物失竊后，立即向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信息，同時(shí)啟動(dòng)GPS獲取被盜文物的位置坐標(biāo)上報(bào)監(jiān)控中心。SNU的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

ZigBee無線通信模塊采用NXP公司的JN5168芯片，針對(duì)小型化、低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)，兼容ZigBee PRO、JenNet-IP等無線通信協(xié)議，支持可編程時(shí)鐘速度和多種睡眠模式的低功耗操作。利用JN5168芯片內(nèi)部集成的飛行時(shí)間引擎（Time ofFlight engine），實(shí)現(xiàn)兩節(jié)點(diǎn)間雙向TOF測(cè)距功能，滿足系統(tǒng)距離信息采集的需求。

GPS定位模塊采用u-blox公司的UBX-G7020-KT定位芯片。該芯片專為小型化、低功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)，芯片內(nèi)嵌DC/DC變換器，采用智能電源管理技術(shù)，使其在低功耗或復(fù)雜信號(hào)條件下，仍能獲得穩(wěn)定的定位性能。首次定位時(shí)間熱啟動(dòng)時(shí)僅為1s，冷啟動(dòng)時(shí)為25s。滿足系統(tǒng)低功耗和快速定位的需求。

2.2 CNU硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)單元CNU作為無線傳感網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，一端接收SNU的采集信息，另一端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信。在文物追蹤過程中，可移動(dòng)的CNU配合手持定向天線，根據(jù)實(shí)時(shí)回傳的距離信息，作為接近目標(biāo)后近距離快速查找的手段。CNU的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

GPRS模塊采用SIMCom公司的SIM900模塊，可支持4頻GSM/GPRS，支持標(biāo)準(zhǔn)和增強(qiáng)AT指令，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，通過UART口與JN5168實(shí)現(xiàn)串口通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 SNU軟件設(shè)計(jì)

SNU作為采集節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)監(jiān)控范圍內(nèi)各個(gè)目標(biāo)距離信息的采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給CNU，同時(shí)接收來自CNU的控制指令。傳感節(jié)點(diǎn)單元SNU的軟件流程圖如圖4所示。

SNU上電后，首先對(duì)系統(tǒng)和通信協(xié)議棧初始化，然后掃描活動(dòng)信道，通過向信道發(fā)送信標(biāo)請(qǐng)求，申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)CNU接受請(qǐng)求后，成為該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)。為節(jié)省功耗，SNU采用休眠/喚醒機(jī)制，當(dāng)喚醒信號(hào)有效時(shí)，節(jié)點(diǎn)正常工作，收發(fā)數(shù)據(jù)、報(bào)警定位；若喚醒信號(hào)無效，則節(jié)點(diǎn)一直保持在低功耗休眠模式。

3.2 CNU軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)單元CNU首先上電初始化，然后設(shè)置PAN ID和CNU的短地址，通過在各個(gè)通道進(jìn)行能量掃描以獲得各個(gè)通道的能量級(jí)別，并挑選一個(gè)能量最低的空閑信道建立網(wǎng)絡(luò)。如果發(fā)現(xiàn)SNU請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，則給該節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)16位的短地址，作為其在網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)識(shí)。如果有來自SNU的距離信息，則通過GPRs網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。如果有來自監(jiān)控中心的控制指令，則通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至SNU，采取相應(yīng)的操作。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)單元CNU的軟件流程圖如圖5所示。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件采用美國(guó)Nl公司的圖形化編程語言LabVIEW編寫。LabVIEW軟件集成了通用接口協(xié)議，具備數(shù)據(jù)采集卡通信的功能。內(nèi)置兼容TCP/IP、Active X等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，是一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。監(jiān)控中心軟件采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)單元CNU之間的通信。管理員可以通過軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控各傳感節(jié)點(diǎn)單元SNU的距離信息，判斷是否存在文物失竊。同時(shí)還可根據(jù)節(jié)點(diǎn)失竊報(bào)警和節(jié)點(diǎn)位置信息迅速確定失竊文物的位置，并制定相應(yīng)的追查策略。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證ToF測(cè)距在文物防盜追蹤系統(tǒng)中的性能，將1個(gè)CNU和4個(gè)SNU組網(wǎng)，選取文物在監(jiān)控和失竊情況下的典型場(chǎng)景，對(duì)TOF測(cè)距進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。其中測(cè)量值由JN5168獲得，實(shí)際值由激光測(cè)距儀測(cè)得，每組測(cè)量值均經(jīng)過10次雙向TOF測(cè)距取平均以減小隨機(jī)誤差。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，TOF測(cè)距是一種精度較高的近距離測(cè)距方法，不同測(cè)試環(huán)境對(duì)應(yīng)不同的相對(duì)誤差，這主要與射頻信號(hào)的傳播路徑有關(guān)。在空曠無遮擋環(huán)境下，相對(duì)誤差可以降至5%以下。然而在樓頂受小區(qū)基站信號(hào)的影響、在樓上樓下受天線波束俯仰角的限制以及在馬路兩邊受來往車輛的隨機(jī)遮擋效應(yīng)，這些都會(huì)降低測(cè)距精度，但整體的相對(duì)誤差仍然低于9%。ZigBee通信在100m之內(nèi)網(wǎng)絡(luò)丟包率較低，通信質(zhì)量良好，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于Zig Bee的文物防盜追蹤系統(tǒng)，提出了一種使用TOF測(cè)距對(duì)目標(biāo)進(jìn)行近距離定向查找的方法，彌補(bǔ)GPS在接近目標(biāo)后，近距離查找手段的不足。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了文物實(shí)時(shí)監(jiān)控、失竊自動(dòng)報(bào)警、精確定位上報(bào)、快速定向查找的功能。體積小、功耗低、靈活性好，提高了文物防盜和追蹤的效率，具備良好的經(jīng)濟(jì)效益。除了文物防盜外，該系統(tǒng)也可應(yīng)用在車輛追蹤、物流倉儲(chǔ)、危險(xiǎn)品或貴重物品運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。