基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王永杰，楊小平

WANG Yong-jie，YANG Xiao-ping

（桂林理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，桂林 541004）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活越來越好。人們?cè)谧非笫孢m生活環(huán)境的同時(shí)，更為關(guān)注的還是小區(qū)的安全保衛(wèi)情況。給人們生命和財(cái)產(chǎn)帶來最大的威脅包括兩大方面，一方面是由人引起的破壞（如盜竊、搶劫等），另一方面是自然災(zāi)害引起的破壞（如火災(zāi)、煤氣泄漏等）[1]。目前小區(qū)安保的科技手段一般是監(jiān)控系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)，它們都是有線通信，這就使得一些不便于布線的區(qū)域成為監(jiān)控的盲區(qū)，特別是在這些盲區(qū)的火災(zāi)和煤氣泄漏更不易被及早發(fā)現(xiàn)。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network,WSN）的出現(xiàn)，此有線通信的盲區(qū)問題有望得到解決，防患于未然，減少經(jīng)濟(jì)損失與人體傷亡。

本文把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入小區(qū)安保系統(tǒng)，以提高小區(qū)安全防范系統(tǒng)的整體性能，主要用來監(jiān)測(cè)自然災(zāi)害引起的破壞，如采用氣體傳感器能有效的監(jiān)測(cè)是否有煤氣泄漏，并產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)；火災(zāi)的檢測(cè)則采用煙霧傳感器。

1 硬件設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在美國(guó)商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評(píng)論的預(yù)測(cè)未來技術(shù)發(fā)展報(bào)告中，分別被列為21世紀(jì)最有影響的21項(xiàng)技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一。

傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成單位。它由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四個(gè)部分組成。由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較弱，并通過攜帶能量有限的電池供電。本文依據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的這些特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種用于小區(qū)安保監(jiān)測(cè)的以芯片CC2430為核心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

基于Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用，及對(duì)低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHz DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。CC2430的設(shè)計(jì)結(jié)合了8Kbyte的RAM及強(qiáng)大的外圍模塊，并且有3種不同的版本，他們是根據(jù)不同的閃存空間32、64和128kByte來優(yōu)化復(fù)雜度與成本的組合。

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構(gòu)成。處理器模塊和無線通信模塊采用CC2430芯片，大大簡(jiǎn)化了射頻電路的設(shè)計(jì)。傳感器模塊采用氣體和煙霧傳感器。

本系統(tǒng)有分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、接收和發(fā)送器互聯(lián)網(wǎng)以及用戶接口組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的基本單元，隨機(jī)分布的傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量檢測(cè)區(qū)域中的信號(hào)，利用自帶的處理器對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行初級(jí)處理，由于節(jié)點(diǎn)功率的限制，其傳遞距離有限，節(jié)點(diǎn)會(huì)尋找鄰近的節(jié)點(diǎn)作為傳輸中繼，將相關(guān)信息通過多跳中繼發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（Sink）。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是一種特殊節(jié)點(diǎn)，擁有相對(duì)較強(qiáng)的處理器和較大的存儲(chǔ)空間，具有更大的處理能力和發(fā)送范圍。

圖1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)

其傳感器節(jié)點(diǎn)可以有針對(duì)性的預(yù)先布置，因而具有相對(duì)固定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。各種災(zāi)情表現(xiàn)出來的一些特征，利用不同類型的傳感器可以敏感地感知，并產(chǎn)生相應(yīng)的傳感器輸出信號(hào)。從信號(hào)處理角度分析，傳感器輸出信號(hào)可以近似地看作是一個(gè)非平穩(wěn)隨機(jī)過程，利用信號(hào)檢測(cè)和處理方法并結(jié)合信號(hào)的特性可以有效地檢測(cè)出災(zāi)情信號(hào)。

1.2 硬件電路的設(shè)計(jì)

CC2430是Chipcon公司推出的用來實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。CC2430只需要很少的外接元件就可以運(yùn)行，其內(nèi)部已集成了大量必要的電路，因此采用較少的外圍電路即能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能。圖2為CC2430基本電路設(shè)計(jì)[3]。

圖2 CC2430基本電路

圖2中C1，C2為22pF的 電 容，連 接32 MHz的晶振電路，此石英晶振用于正常工作使用。C3，C4為15 pF的電容，連接32.768 kHz的晶振電路，此石英晶振用于休眠時(shí)工作，從而降低功耗。C5=O.1μF，用于去除一些雜波干擾，防止單片機(jī)錯(cuò)誤復(fù)位。C6～C8分別為100 nF，220n F，220 nF，用作濾波，去除雜波干擾使電壓更穩(wěn)定。C9=5.6 pF，電路中非平衡變壓器由電容C9和電感L1，L2，L3以及一個(gè)PCB微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻（50Ω）的要求，L1，L2，L3分別為8.2 nH，22 nH，1.8 nH。C10，C11，C12，C13，C14為去耦合電容，用于電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。偏置電阻器R1，R2分別為43kΩ，56kΩ，R1用于為32 MHz晶體振蕩器設(shè)置精密偏置電流。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分需要解決的問題包括：氣體及煙霧信號(hào)采集，Zigbee協(xié)議棧、Zigbee通信等。氣體及煙霧信號(hào)的采集可由CC2430內(nèi)部的MCU完成。傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖3所示[2]。

本小區(qū)自然災(zāi)害監(jiān)控系統(tǒng)中,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與控制命令在無線傳感節(jié)點(diǎn)、無線路由節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控中心之間傳送。傳感節(jié)點(diǎn)打開電源,初始化、建立鏈接后進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)無線網(wǎng)關(guān)接到中斷請(qǐng)求時(shí)觸發(fā)中斷,經(jīng)過路由節(jié)點(diǎn)激活傳感節(jié)點(diǎn),發(fā)送或接收信息包,處理完畢后繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài),等待有請(qǐng)求時(shí)再次激活。在同一個(gè)信道中只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可以通信,通過競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制來獲取信道。每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性睡眠和監(jiān)聽信道,如果信道空閑則主動(dòng)搶占信道,如果信道繁忙則根據(jù)退避算法退避一段時(shí)間后重新監(jiān)聽信道狀態(tài)。在程序設(shè)計(jì)中主要采集中斷的方法完成信息的接收和發(fā)送。

圖3 主程序流程

3 結(jié)論

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗電量小，布線方便，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的煤氣泄流和火災(zāi)災(zāi)害。提高了小區(qū)安保控制系統(tǒng)的靈活性及安全性。

[1]鄧瑩，張麗，劉有源.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能建筑安防系統(tǒng)研究[J].中國(guó)水運(yùn)，2007,（5）.133-134.

[2]柴淑娟，趙建平，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].曲阜師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（36）75-77.

[3]基于CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界，2010，11.