基于5G技術(shù)和WSN的便攜式入侵報警系統(tǒng)設(shè)計

王晨 張志勇

摘要：該文設(shè)計了一種基于5G移動通信技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的便攜式入侵報警系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要由以CC2530芯片為核心的傳感器模塊、以ARM7微處理器為核心的中心處理單元、控制單元、自動報警模塊、遠程客戶端等幾個部分組成，系統(tǒng)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)內(nèi)部各節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信并通過5G移動通信網(wǎng)絡(luò)連接到手機客戶端，方便用戶接收到入侵報警信息，同時系統(tǒng)將利用GPRS技術(shù)連接到“110”網(wǎng)絡(luò)報警中心，實現(xiàn)自動報警功能。該系統(tǒng)不僅具有實時監(jiān)控、入侵者定位信息發(fā)送、自動報警等功能，還具有隨身攜帶、便于操作等特性。

關(guān)鍵詞：5G移動通信;ARM7微處理器;便攜式;入侵報警

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）29-0094-03

1 概述

目前，市面上已出現(xiàn)一些應(yīng)用于家庭或社區(qū)系統(tǒng)等的大型智能家居安防系統(tǒng)，但該類產(chǎn)品具有不易于隨身攜帶、布線方式煩瑣、使用成本較高等缺陷。隨著物聯(lián)網(wǎng)各種技術(shù)的迅猛發(fā)展，本文提出了一種基于第五代移動通信（5G）技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的便攜式入侵報警系統(tǒng)，5G移動通信技術(shù)不僅在信息傳輸速度方面較以往的4G有了顯著提升，還具有低成本、高資源利用率等優(yōu)勢。首先，用戶在設(shè)防區(qū)域內(nèi)布置多個傳感器節(jié)點構(gòu)成無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)內(nèi)無線傳感器各節(jié)點間通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，傳送報警信息和入侵者定位信息到手機客戶端是通過外部5G網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的，用戶同樣可通過該網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對系統(tǒng)的反向操縱功能，如在手機客戶端直接設(shè)下“一鍵布防”“解除警報”等指令，能方便有效的保障用戶的人身安全。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

在基于WSN的便攜式入侵報警系統(tǒng)中，系統(tǒng)主要通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對布防區(qū)域進行實時監(jiān)控，為實現(xiàn)周圍環(huán)境的安全性奠定基礎(chǔ)的信息網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)內(nèi)包括傳感器（監(jiān)測）節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理系統(tǒng)。

當用戶獨居或獨自外出入住酒店時，可將大量的傳感器節(jié)點布置在周圍環(huán)境空間內(nèi)，這些節(jié)點將通過自組織方式構(gòu)成無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對防控區(qū)域的實時監(jiān)控[1]，監(jiān)測區(qū)域中所有傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點的發(fā)送數(shù)據(jù)將沿著相鄰節(jié)點進行傳輸，然后通過單跳或多跳的方式將數(shù)據(jù)傳送到匯聚（ Sink）節(jié)點，最后在管理系統(tǒng)中對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理和分析[2]，并通過基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)傳送信息到用戶需求方。用戶可通過終端的管理系統(tǒng)對入侵報警系統(tǒng)的傳感網(wǎng)絡(luò)進行相應(yīng)配置、管理或發(fā)布反向操作指令等。

3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于SG移動通信網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的便攜式入侵報警系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

入侵報警系統(tǒng)的主要目的是對防控區(qū)域進行實時監(jiān)測、信息發(fā)送、自動報警和反向控制等，本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計理念，主要由大量傳感器節(jié)點構(gòu)成的監(jiān)測模塊、中心處理單元、控制模塊、自動報警模塊、遠程客戶端等幾個部分組成，系統(tǒng)的工作原理如下：首先，用戶將傳感器節(jié)點布置在防控區(qū)域內(nèi)形成無線傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，當有非法人員入侵時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過ZigBee定位技術(shù)獲取入侵者定位信息先通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行奶幚韱卧?，當中心處理單元對接收到的信息進行判斷處理后再通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)對控制單元發(fā)出相應(yīng)控制指令，同時通過GPRS通信技術(shù)和自動報警模塊發(fā)送報警短信到“110”網(wǎng)絡(luò)報警中心。遠程手機客戶端也通過SG移動通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的中心處理單元相連，用戶可以通過手機客戶端接收到防控區(qū)域內(nèi)的入侵報警信息并同時利用該網(wǎng)絡(luò)向中心處理單元發(fā)送控制指令實現(xiàn)對系統(tǒng)的反向控制等功能。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)中的中心處理單元作為連接監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的橋梁，負責(zé)系統(tǒng)初始化、接收無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點發(fā)送的有關(guān)數(shù)據(jù)并進行相應(yīng)的處理、轉(zhuǎn)換等工作，通過無線網(wǎng)絡(luò)和有關(guān)通信協(xié)議與系統(tǒng)中其他模塊相連，其作用相當于一個嵌入式微型處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)中的中心處理單元硬件設(shè)計主要包括主控模塊、傳感器節(jié)點模塊、5G通信模塊、GPRS通信模塊、外擴存儲模塊、供電模塊等部分。在主控模塊中主要以應(yīng)用廣泛的嵌入式ARM7微處理器為核心，通過串口接收傳感器節(jié)點采集傳送的數(shù)據(jù)信息進行處理、判斷，ARM7為通用32-bit微處理器，具有高速的運算處理能力，兼容適用于絕大多數(shù)操作系統(tǒng)，具有低功耗、高性能等優(yōu)勢，可適用于便攜類產(chǎn)品之中;在傳感器節(jié)點模塊中主要以CC2530芯片為控制核心，TI公司的CC2530芯片是真正系統(tǒng)級SoC芯片，只需要相對較低的成本就能建立起強大穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，同時具有強大的地址識別功能，適用于低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)或其他復(fù)雜的應(yīng)用中。中心處理單元硬件設(shè)計總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

同時，在本文設(shè)計的便攜式入侵報警系統(tǒng)中，防控區(qū)域內(nèi)的探測傳感器節(jié)點將采用HC-SR501型熱釋電紅外傳感器，該傳感器是一種具有高靈敏度的探測元件[3]，具有低成本、低功耗的特點，廣泛應(yīng)用于防止非法人員入侵的安防報警系統(tǒng)中，其中熱釋電紅外感應(yīng)器PIR將紅外信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺敿t外傳感器在感應(yīng)范圍內(nèi)檢測到人體進入時輸出高電平，感應(yīng)到人體離開時則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平。

本系統(tǒng)中的中心處理單元通過UARTO接口與傳感器節(jié)點模塊相連接收傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過UARTI接口與GPRS通信模塊相連向“110”網(wǎng)絡(luò)報警中心發(fā)送報警短信，由于ARM7微處理器的存儲容量有限，數(shù)據(jù)將通過SPI串行接口轉(zhuǎn)移到外擴存儲器上進行存儲。中心處理單元的工作原理如下：當中心處理單元通過傳感器節(jié)點模塊接收到傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)后，在以ARM7微處理器為核心的主控模塊中進行相應(yīng)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最后，數(shù)據(jù)一方面會通過GPRS通信模塊以短信方式發(fā)送到110網(wǎng)絡(luò)報警中心;另一方面，入侵者的定位信息將通過5G通信模塊發(fā)送到用戶手機客戶端，同時用戶也通過此網(wǎng)絡(luò)與傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部實現(xiàn)雙向交互功能。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

5.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件設(shè)計和智能手機App客戶端的軟件設(shè)計，因此本系統(tǒng)將采用無線傳感網(wǎng)研究領(lǐng)域使用最為廣泛的TinyOS節(jié)點操作系統(tǒng)和ne-sC語言，TinyOS將為系統(tǒng)提供串口通信、讀取傳感器、讀取程序閃存及外部存儲器等多種服務(wù)。

系統(tǒng)的總體軟件流程框架圖如圖3所示。當用戶在防控區(qū)域內(nèi)布置好相關(guān)傳感器節(jié)點后，各節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將通過外部SG移動通信網(wǎng)連接到手機終端設(shè)備，當用戶在手機App客戶端開啟“一鍵布防”按鍵時，系統(tǒng)開始上電開機并自動完成軟硬件的初始化工作，當防控區(qū)域內(nèi)各傳感器節(jié)點通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接成功后將會對布防區(qū)域進行實時監(jiān)測，系統(tǒng)掃描到有關(guān)數(shù)據(jù)信號時會自動判斷來自哪個傳感器節(jié)點，發(fā)現(xiàn)有非法人員入侵時，系統(tǒng)會將入侵數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街行奶幚韱卧M行相應(yīng)處理，通過系統(tǒng)的GPRS通信報警模塊自動向“110”網(wǎng)絡(luò)報警中心發(fā)送報警短信并傳送人侵報警信息到手機客戶端。

5.2 手機App客戶端界面設(shè)計

本系統(tǒng)手機App客戶端的界面設(shè)計如圖4所示。用戶在手機客戶端可進行以下操作：當用戶在防控區(qū)域內(nèi)布置好相關(guān)傳感器節(jié)點后，在手機客戶端按下“一鍵布防”按鈕，系統(tǒng)即刻開啟對防控區(qū)域的實時監(jiān)控功能;當傳感器節(jié)點監(jiān)測到非法入侵人員時，用戶將在手機客戶端接收到警報提醒，系統(tǒng)也會將報警短信通過GPRS模塊發(fā)送到110網(wǎng)絡(luò)報警中心，同時用戶可在“定位信息查看”中查詢?nèi)肭终叩亩ㄎ恍畔?最后當用戶確認無危險后可按下“解除警報”按鈕即可解除當前警報提醒。

6 系統(tǒng)調(diào)試與性能分析

首先，我們對系統(tǒng)中ZigBee節(jié)點的能耗和數(shù)據(jù)傳輸性能進行了相關(guān)測試，我們在節(jié)點間有障礙和無障礙的情況下對相鄰兩節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸時的丟包數(shù)進行了比較，我們設(shè)置的初始通信距離為5m，然后依次遞增，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量為1000，測試結(jié)果如下表1所示。由表1可知：有障礙時，當通信距離為10米開始出現(xiàn)丟包情況，丟包數(shù)量為3個;隨著通信距離的不斷增加，丟包數(shù)量也不斷增加;無障礙時，當通信距離為10米還未出現(xiàn)丟包情況，但隨著通信距離的不斷增加，丟包數(shù)量還是在增加。通過比較相同距離時有障礙和無障礙情況下的丟包數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)有障礙時的丟包數(shù)比無障礙時的丟包數(shù)多，可以得知節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸性能受到障礙物和通信距離大小等因素的影響，我們可以根據(jù)實際情況在布置傳感器節(jié)點時通過減少節(jié)點間的傳輸距離來增強它們的數(shù)據(jù)傳輸性能。

最后，我們還對手機App客戶端軟件進行了測試，用戶打開手機軟件系統(tǒng)并登錄成功后，可看到如圖4所示的手機界面，用戶可通過系統(tǒng)反向控制模塊與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部雙向交互，直接進行“一鍵布防”“解除警報”等操控命令;當監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有人闖入時，手機客戶端會收到警報提醒，同時用戶可查看到入侵者的定位信息，其測試效果如圖5所示。

7 結(jié)束語

本文通過對物聯(lián)網(wǎng)各種技術(shù)的學(xué)習(xí)，結(jié)合了ZigBee無線傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)、最新5G移動通信技術(shù)、GPRS技術(shù)等設(shè)計了一種基于WSN的便攜式入侵報警系統(tǒng)，本設(shè)計最大的特點在于方便攜帶和操作簡單，本文簡要地對系統(tǒng)部分硬件電路和總體軟件流程框架進行了介紹，最后也對系統(tǒng)各節(jié)點間的通信性能和手機客戶端的軟件功能進行了相關(guān)測試，雖然系統(tǒng)的各項功能都基本通過了測試，但系統(tǒng)中仍然還存在很多需要今后改進的地方，如怎樣增強系統(tǒng)間的通信性能，提高系統(tǒng)的可靠性和盡量減少系統(tǒng)成本、能耗等問題，都需要今后進一步的深入研究，本設(shè)計除了可以應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境的安全監(jiān)測外還可應(yīng)用于野外露營等場合，具有廣闊的應(yīng)用前景和價值。

參考文獻：

[1]王思華，鄭樹強，丁軼華.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].無線電工程，2020，50（5）：415-417.

[2]李先平.基于WSN的數(shù)據(jù)傳輸分析及其在圖中的應(yīng)用[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2012.

[3]陳永益.紅外熱釋防盜報警器[J].信息通信，2018，31（10）：47-48.

【通聯(lián)編輯：光文玲】

作者簡介：王晨（1999-），女，湖北漢川人，長春師范大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)本科生，主要研究方向為嵌入式開發(fā)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò);張志勇（1972-），男，副教授，碩士，主要研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)和嵌入式開發(fā)研究。