基于6LoWPAN的野外古墓葬外部環境監測系統

李 艷，劉俊杰（陜西科技大學電信學院，西安 710021）

由于我國野外古墓葬面積大，看護與管理成本較高，因此需要進行高效地監控管理。而現有的防盜系統大多采用鋪設地線方式，但造價高，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絡的野外古墓葬防盜系統［2］，并采用IEEE 802.15.4標準的6LowPAN通信協議，6LowPAN是基于IPv6的無線自組網協議標準［3］，其本身是TCP/IP的架構，從服務器上可以看到每一個節點的IP地址，IPv6地址空間的優勢可以為監控與防盜系統中部署大量的終端設備都分配全局地址，使終端之間、操作者和終端之間都可以進行直接的端到端通信［4］。

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

1 系統框圖

圖1為系統框圖，由8個節點，一個控制裝置，一個邊界路由，一臺PC機（上位機）和云服務器組成。

圖1 系統框圖

各個節點硬件相同，均由TI公司的C8051內核的無線射頻模塊CC2530和震動信號采集電路組成。

控制裝置位于區域中心，由CC2530和低功耗32位處理器TM4C123GXL進行數據收發與控制，使用兩個反向放置的激光頭作為探照燈，通過舵機帶動旋轉，可實現360°旋轉照明。

邊界路由由射頻模塊CC2530組成，通過串口與PC機（上位機）通訊，具有數據雙向收發功能，將節點數據傳遞到上位機，并從將上位機命令轉發到節點［6］。

上位機為整個系統的操作、報警與顯示界面。可通過云服務器更新各節點資源到Yeelink云服務器和自建的云服務器，通過Yeelink客戶端或微信公眾號Onet6訪問各節點獲取資源。

2 系統硬件設計

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

節點硬件包括主控制電路、電源電路、聲光指示電路、加速度傳感器震動信號采集電路。主控制電路采用圖2中的CC2530模塊，CC2530是用于IEEE 802.15.4應用的SoC解決方案，能夠以非常低的成本建立強大的網絡節點［7］。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8 kbyte RAM和許多其他強大的功能。

圖2 CC2530管腳定義

圖3 節點電路圖

圖3為節點電路圖，由電源電路，加速度傳感器MMA7260Q，蜂鳴器電路，CC2530模塊轉接電路，按鍵電路和LED指示電路組成。蜂鳴器和LED用于調試，實際使用時軟件上將其關閉，以降低節點功耗。電源電路由一節3.7 V、容量為650 mA的鋰電池和穩壓電路組成。穩壓芯片采用7533，其壓降只有0.2 V，適用于無線傳感網絡超低功耗的場合。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X、Y、Z三軸加速度的值來確定該位置的震動幅值，結合CC2530的內置ADC單元可實現震動信號的12 bit高精度數據采集，經在戶外測試，可實現數十米普通震動信號的采集［8］。

3 軟件設計與流程

3.1 軟件初始化流程

圖4為兩個部分的初始化流程。傳感器節點使用開源操作系統Contiki進行節點管理［9］，首先對操作系統進行相關的初始化工作，然后開啟節點的網絡功能并就近加入的RPL網絡當中實現自動組網，接著將節點當中的所有數據信息如節點名稱、位置、電量、溫度、濕度以及主要用來監測的震動信號封裝到不同的CoAP資源當中，最后開啟傳感器節點的CoAP服務器并讓系統進入正常運行狀態［10］。上位機軟件初始化流程是首先根據之前設定的系統參數對軟件進行初始化，并通過http訪問邊界路由的Web Server得到整個網絡當中所有傳感器節點的IP地址信息，就能使用計算機作為CoAP客戶端對各個傳感器節點進行資源列表的請求［11］，并能夠根據RPL的資源信息得到整個網絡的組網樹狀圖，接下來軟件就能夠正常運行，執行相關的節點通過數據通信進行古墓葬監測任務。

圖4 軟件初始化流程

3.2 軟件正常運行流程

圖5為軟件的正常運行流程。將傳感器節點當中的震動信號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器發送回來的資源數據而不必去總是單獨的訪問服務器去獲取資源數據。

傳感器節點初始化后等待上位機CoAP客戶端進行該資源的訂閱，定時發送數據到客戶端，客戶端也能對節點當中的其他資源如電量、溫度等信息進行訪問，傳感器節點中的CoAP服務器亦會發送訪問的目標資源數據至上位機中。

當訂閱的震動數據有異常時，上位機顯示并分析各個節點同一時刻的數據進行決策［12］，計算震動信號的方位并控制激光頭指向異常震動方位并打開警報。

圖5 軟件正常運行流程

4 云服務器與手機客戶端

4.1 Yeelink云服務器

可將各節點的震動信息通過邊界路由上傳至Yeelink服務器，在PC端查看各節點資源，亦可通過Yeelink的Android/IOS客戶端訪問各節點獲取震動信息，圖6為PC端Yeelink采集到的節點震動信息，圖7為Yeelink Android客戶端獲取的節點震動信息。

圖6 Yeelink服務器中的設備震動數據

圖7 Yeelink手機客戶端獲取的設備數據

4.2 自建云服務器與微信公眾號

通過自建的云服務器發出請求到Yeelink服務器，Yeelink返回請求的節點數據，通過微信公眾號向自建云服務器發請求，云服務器解析并發出解析數據，通過微信公眾號可獲取設備信息［13］。圖8為Yeelink、自建云服務器和微信公眾號發送請求命令與返回數據的流程。

圖8 Yeelink與微信公眾號數據通信流程

微信公眾號內”sust NUM”是向服務器發出獲取NUM號節點的震動信息的命令，圖9是節點周圍沒有人員走動時，在微信平臺上發送”sust 5”命令，收到的是設備5的狀態，獲取的震動值為96，而最大值接近4095，震動值覆蓋范圍寬，靈敏度較高，能滿足該系統需求。

圖9 微信公眾號中獲取的震動數據

5 上位機與系統測試

5.1 上位機調試工具

圖10是使用C#設計的CoAP調試工具，它可以直接在計算機端以CoAP協議與傳感器節點進行通信調試。左邊的樹狀結構為傳感器節點當中的資源信息，上邊為相關的方法如GET、POST、Observe等，中間為相關的數據信息［14］。傳感器節點將每個需要進行通信的數據封裝成一個資源并作為CoAP服務器，遠程計算機則作為CoAP客戶端對感興趣的資源進行訪問（GET或POST）即可得到所需要的數據［15］。圖中Sensors目錄下的shake資源是一個可訂閱的資源［16］，也是最重要的震動數據的資源。通過訂閱資源即可實現傳感器節點內該資源的定時發送與條件觸發發送功能，能夠減少網絡間的數據包數量，節省節點電能的消耗［17］。

圖11為的為每個節點資源的訪問界面，可以隨時訪問指定節點的各個資源信息，包括節點名稱、節點坐標、電池電量、環境溫度、RPL組網關系等內容。

圖12為系統運行主界面，左上方為實時狀態顯示的界面，可以指示出發生異常震動時的具體方位，右方為異常閾值設定參數，下方為各傳感器節點的CoAP地址與近兩個時間段內的震動值。當一個或多個節點的震動值超出閾值時，系統根據節點的編號與位置信息確定異常震動方位，并進行紅色警報，然后會在內部發送控制指令到中間的云臺進行警報燈的方向控制，使其指向異常震動位置。

圖10 傳感器節點資源信息

圖11 單個節點訪問界面

圖12 系統運行主界面

5.2 系統測試

將傳感器節點部署在戶外30 m×30 m的區域內，按順時針編號1號至8號.通過自組網建立傳感器節點網絡。系統開始初始化，圖13的全部節點和位于區域中心的控制裝置和上位機都準備就緒。

圖13 節點與控制裝置實物圖

當區域內有人員按順時針跑動，在上位機中可以看到1號節點區域由綠色變為紅色，并閃爍指示，控制中心開啟激光；緊接著，2號至8號節點依次閃爍，控制中心開啟的激光依次順時針旋轉45°。

當測試逆時針跑動時，現象與順時針類似，在上位機中也可以看到8號節點區域由綠色變為紅色，并閃爍指示，控制中心開啟激光；緊接著，7號至1號節點依次閃爍，控制中心開啟的激光依次逆時針旋轉45°。

當測試人員沿任意方向走動，在上位機中，震動區域由綠色變為紅色，并閃爍指示，激光也跟隨旋轉。

以上測試結果驗證了該系統能實現各節點與邊界路由的自動組網，能采集到各節點震動數據并準確判斷震源方位，從而實現遠程監控報警，能取代現有鋪設電纜的監控方式。

6 結束語

將無線傳感技術應用到了野外文物古墓葬保護中，將現有的鋪設電纜的方式改為6LoWPAN無線方式的監控，設計制作了一套完整的基于6LoW?PAN無線傳感網絡古墓葬監測與保護系統。系統的各項特點使其能直接投入市場使用成為了可能。經過反復測試，初步實現了對古墓葬外部環境的數據采集與傳輸。在后續研究過程中，大量擴展節點后可提高定位精度，可實現對野外古墓葬外部環境的更精準的實時監測。

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李 艷（1972-），女，漢族，四川省仁壽縣人，副教授，碩士生導師，主要研究方向為工業自動化，智能檢測與智能控制，liyan@sust.edu.cn；

劉俊杰（1991-），男，漢族，安徽省臨泉縣人，陜西科技大學電氣與信息工程學院碩士研究生，專業：控制理論與控制工程，主要研究方向為嵌入式系統與物聯網技術，643626515@qq.com。