ZigBee技術(shù)在槍支定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要:針對(duì)近年來犯罪分子襲擊哨兵搶奪槍支、哨兵攜槍逃跑時(shí)有發(fā)生這一現(xiàn)狀，以ZigBee技術(shù)為核心設(shè)計(jì)出一種可以在復(fù)雜環(huán)境下使用的槍支定位系統(tǒng)。通過在監(jiān)區(qū)、營(yíng)區(qū)等區(qū)域內(nèi)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)槍支的位置進(jìn)行定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)槍支在預(yù)定監(jiān)控區(qū)域時(shí)，該系統(tǒng)能夠?qū)屩нM(jìn)行精確定位;當(dāng)槍支即將脫離預(yù)定監(jiān)控區(qū)域時(shí)，該系統(tǒng)能夠及時(shí)報(bào)警，且其能耗少，體積小，成本較低，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:ZigBee技術(shù); 無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 定位系統(tǒng); CC2431

中圖分類號(hào):TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2010)12-0150-03

Application of ZigBee Technology in Location System of Guns

DING Ying1， ZOU Tao2， YU Yong-hui1

(1. Post-graduate Management Team， Engineering College of APF， Xi’an 710086， China;

2. Department of Communication Engineering， Engineering College of APF， Xi’an 710086， China)

Abstract:Aiming at the status quo that the criminals attack against the guards and seize guns， and the guards escape with guns from their sentry post in recent years， a location system of guns is designed with ZigBee technology as a core and can be used in a complex enviroment. The guns are located by building the wireless sensor networks in prisons， camps of troops and other special areas. The experimental results show that the location system can accurately locate the guns when they are in scheduled monitoring areas， which can send warning signal timely when the guns are about to leave the scheduled monitoring areas， and has low power consumption， small size， low cost and good practical effect.

Keywords:ZigBee technology; wireless sensor network; location system; CC2431

目前，武警部隊(duì)針對(duì)執(zhí)勤過程中可能發(fā)生的事故案件，采取了哨位監(jiān)視、槍彈分離等方法，加強(qiáng)了對(duì)彈藥的管理，有效減少了事故的發(fā)生。但在對(duì)槍支的管控上，還存在隱患。一旦遇到犯罪分子搶奪槍支、哨兵攜槍逃跑等情況，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并定位，造成槍支的流失，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)的穩(wěn)定都會(huì)帶來極大的威脅。因此，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)槍支的定位、管理是亟待解決的問題。由于GPS技術(shù)在實(shí)現(xiàn)定位時(shí)存在功耗大，成本高，可擴(kuò)展性差等局限性，針對(duì)這一情況，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的槍支定位系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)在監(jiān)區(qū)、營(yíng)區(qū)等小區(qū)域范圍內(nèi)掌握槍支當(dāng)前所處位置，當(dāng)有異常情況發(fā)生時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以便執(zhí)勤人員能夠快速、及時(shí)、準(zhǔn)確地做出反應(yīng)。

1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)[1-3]是由低成本、低功耗的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過自組織通信形成的無線網(wǎng)絡(luò)，是一種全新的信息獲取平臺(tái)，可以在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的大范圍監(jiān)測(cè)和跟蹤。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，在對(duì)所監(jiān)測(cè)到的信息進(jìn)行初步處理之后，以多跳中繼的方式將其傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，然后經(jīng)衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)、或是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等途徑到達(dá)最終用戶所在的管理節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)位置固定，終端用戶可通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和配置，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)或是收集回傳數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)[4-5]是一種面向自動(dòng)化和無線控制的低速率、低功耗、低價(jià)格的無線網(wǎng)絡(luò)方案。它的通信速率要求低于藍(lán)牙，由電池供電設(shè)備提供無線通信功能。ZigBee支持mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其無線設(shè)備工作在公共頻段上(全球2.4 GHz，美國(guó)915 MHz，歐洲868 MHz)。采用ZigBee技術(shù)的產(chǎn)品可以在2.4 GHz上提供250 Kb/s(16個(gè)信道)、在915 MHz提供40 Kb/s(10個(gè)信道)和在868 MHz上提供20 Kb/s(1個(gè)信道)的傳輸速率。傳輸范圍依賴于輸出功率和信道環(huán)境，介于10~100 m之間，一般在30 m左右。由于ZigBee使用的是開放頻段，已有多種無線通信技術(shù)使用。因此為避免被干擾，各個(gè)頻段均采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。同時(shí)，PHY的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)允許設(shè)備無需閉環(huán)同步。

ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)包括有:

功耗低由于ZigBee的傳輸速率低，估算2節(jié)普通5號(hào)干電池可使用6個(gè)月到2年。

成本低模塊的初始成本估計(jì)在6美元左右，很快就能降到1.5~2.5美元之間，且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。

網(wǎng)絡(luò)容量大一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

時(shí)延短通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延典型值為30 ms，休眠激活時(shí)延典型值是15 ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15 ms。

安全ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法。

可靠采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。

由于ZigBee技術(shù)發(fā)展日趨成熟，國(guó)內(nèi)外對(duì)無線傳感器技術(shù)的研究也越來越深入，且ZigBee技術(shù)支持地理定位功能，可以及時(shí)獲取目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。本文積極借鑒當(dāng)前關(guān)于ZigBee技術(shù)的理論研究成果，構(gòu)建了槍支定位系統(tǒng)。

2 槍支定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體規(guī)劃

如圖2所示，在該系統(tǒng)中，將槍支放置的區(qū)域劃分為監(jiān)區(qū)、營(yíng)區(qū)、警戒區(qū)。其中，監(jiān)區(qū)、營(yíng)區(qū)、警戒區(qū)是預(yù)定的監(jiān)控區(qū)域(圖2虛線框所示范圍)，均為安全區(qū)域;虛線框以外的區(qū)域?yàn)榉前踩珔^(qū)域。若槍支在預(yù)定監(jiān)控區(qū)域內(nèi)活動(dòng)，則認(rèn)為是正常的，不發(fā)出報(bào)警信號(hào);反之若脫離監(jiān)控區(qū)域，則認(rèn)為異常，此時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

在構(gòu)建該系統(tǒng)時(shí)可以在不改變武警部隊(duì)已有監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行更新，繼續(xù)使用部隊(duì)現(xiàn)有的三級(jí)網(wǎng)。在三級(jí)網(wǎng)的基礎(chǔ)上增設(shè)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在預(yù)定監(jiān)控區(qū)域內(nèi)每隔幾十米放置一個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，即圖2中的增強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)。每個(gè)槍支上安裝一個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)攜帶此槍支的基本信息，這些節(jié)點(diǎn)可以通過自組織形成一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在監(jiān)區(qū)、營(yíng)區(qū)等區(qū)域的至高點(diǎn)上放置一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)需要具有網(wǎng)關(guān)功能。匯聚節(jié)點(diǎn)連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和武警部隊(duì)現(xiàn)有的三級(jí)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1) 實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧與三級(jí)網(wǎng)的協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換;

(2) 發(fā)布監(jiān)控中心的監(jiān)控任務(wù)，并將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到三級(jí)網(wǎng)上，最后傳至值班室的監(jiān)控中心。

該系統(tǒng)以部隊(duì)現(xiàn)有的三級(jí)網(wǎng)為主要信息傳輸載體，每個(gè)增強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集槍支上安裝的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息，利用射頻模塊按照一定的通信協(xié)議在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸，并通過設(shè)置的匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與三級(jí)網(wǎng)之間的互聯(lián)。三級(jí)網(wǎng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的位置信息發(fā)送到值班室的監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)無線傳感器收集到的位置信息對(duì)槍支實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)發(fā)現(xiàn)槍支將要脫離預(yù)定監(jiān)控區(qū)域時(shí)，由監(jiān)控中心立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以便快速、及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)突發(fā)狀況做出反應(yīng)。

圖2 總體規(guī)劃

2.2 普通節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

圖2中的普通節(jié)點(diǎn)即為傳感器節(jié)點(diǎn)。其功能為采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以多跳中繼的方式傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)[6-7]由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成，如圖3所示。

其中，處理器模塊負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制和管理;傳感器模塊負(fù)責(zé)對(duì)預(yù)定監(jiān)控區(qū)域信息進(jìn)行采集，并做一定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;無線通信模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)之間按一定的通信協(xié)議相互通信;能量供應(yīng)模塊為節(jié)點(diǎn)供電，提供各部分運(yùn)行需要的電量。在該系統(tǒng)中，每個(gè)槍支上都固定一個(gè)節(jié)點(diǎn)(即圖2是的普通節(jié)點(diǎn))，該節(jié)點(diǎn)內(nèi)置槍支的信息。由于節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)計(jì)要求之一，所以在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí)，要求傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率要很小，且為了增加電池使用壽命，同時(shí)保證發(fā)射出的信號(hào)能被順利接收，通過調(diào)度節(jié)點(diǎn)的休眠或喚醒狀態(tài)使相關(guān)性較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)交替工作而不是一直處在收發(fā)信號(hào)的狀態(tài)，每隔一段時(shí)間(40 s左右)連續(xù)發(fā)射1組(15次左右)槍支信息。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

在該系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)中，無線通信模塊采用具有定位引擎的CC2431[8-10]芯片，具有2.4 GHz 直接序列擴(kuò)頻(DSSS)射頻收發(fā)器核心和高效的8051 控制器。其中，MCU 包括存儲(chǔ)器及其外圍，其他模塊提供電源管理、時(shí)鐘分配和測(cè)試等重要功能。CC2431的設(shè)計(jì)結(jié)合了8 KB 的RAM及強(qiáng)大的外圍模塊，并且有3種不同的版本。它們根據(jù)不同的閃存空間32 KB，64 KB 和128 KB 來優(yōu)化復(fù)雜度與成本。CC2431的尺寸只有7 mm ×7 mm的48腳封裝，采用具有內(nèi)嵌閃存的0.18 μm CMOS 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。針對(duì)協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件執(zhí)行時(shí)對(duì)MCU處理能力的要求，CC2431包含一個(gè)增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核，運(yùn)行時(shí)鐘為32 MHz。CC2431還包含一個(gè)DMA控制器，可以減少8051微控制器內(nèi)核對(duì)數(shù)據(jù)的傳送操作，因此提高了芯片整體的性能。

2.3 匯聚節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)[11-12]實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的交換，實(shí)現(xiàn)2種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，它發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并把收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。它既可以是一個(gè)增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以是沒有監(jiān)測(cè)功能僅帶無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。匯聚節(jié)點(diǎn)包括存儲(chǔ)器模塊、處理器模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、節(jié)點(diǎn)通信模塊以及能量供應(yīng)模塊，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 匯聚節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)中，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與監(jiān)控中心的通信，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心的信息傳輸，同時(shí)兼容RS 232/RS 485接口，當(dāng)節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器終端出現(xiàn)意外通信故障時(shí)，直接將節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)通過RS 232/RS 485接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，并加以分析。

3 結(jié) 語

在此，介紹了基于ZigBee技術(shù)的槍支定位系統(tǒng)，通過在監(jiān)區(qū)、營(yíng)區(qū)等預(yù)定監(jiān)控區(qū)域內(nèi)建立一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的通信。傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，并通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過RS 232接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。在監(jiān)區(qū)、營(yíng)區(qū)等區(qū)域內(nèi)對(duì)節(jié)點(diǎn)的通信距離、傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)安全性等進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離大約為35 m，數(shù)據(jù)安全性亦較高，且具有較高的靈活性和可擴(kuò)展性。

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