基于無線傳感網絡的目標入侵監測系統設計

摘 要： 針對我國廣闊的領土及漫長的邊防無法實現大范圍有效、靈活、低投入的值守警戒，設計了一種基于無線傳感網絡的目標入侵監測系統。以滿足惡劣環境下大范圍、長時間，信息準確的無人值守需求。并進行了相應的實驗驗證，結果表明，該系統可靠性好，功耗低，可實現目標自動監測。

關鍵詞： 目標入侵監測； 無線傳感網絡； STM32； ZigBee； AD7606

中圖分類號： TN92?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）03?0023?03

Design of invasion target monitoring system based on wireless sensor network

TIAN Jun， DONG Xing， HAN Wei?jie， LI Jing?lu

（Key Laboratory of Road Construction Equipment of MOE， Chang’an University， Xi’an 710064， China）

Abstract： An invasion target monitoring system based on wireless sensor network was designed to meet a long?time unattended needs and obtain accurate information in a wide range of bad environment， since China cannot achieve the effective， flexible and low investment unattended alert in its vast territory and long border. A series experimental results shows that the system has properties of high reliability and low power consumption， and can achieve automatic monitoring.

Keywords： invasion target monitoring； wireless sensor network； STM32； ZigBee； AD7606

0 引 言

我國地域遼闊，有著漫長的邊防線，并與多國接壤。很多地帶，地形復雜，氣候多變，環境惡劣，人員難以值守。邊防直接關系著國家安全與領土完整，為此，我國每年投入大量的人力、物力和財力，但仍遠不能滿足邊防警戒需求。為此設計一種無線多傳感器網絡監測系統，此系統可通過人工布設，火炮發射或飛機空投等方式散布在所需地帶，無需人為過多干預，便可自行監測是否有人員及車輛等目標入侵，并通過無線傳輸網絡將信息及時準確地發送到基站[1?2]，具有使用靈活、反應靈敏、隱蔽性強、成本低、適應性強等優點。在保護國家邊防安全方面具有重要的戰略意義。同時該系統也非常適合國內某些需監控的廣闊邊遠區域，或者地形復雜人員難以到達或長時間值守的區域。

1 系統組成及工作原理

該系統主要由STM32主控板、聲音傳感器模塊、紅外傳感器模塊、磁電傳感器模塊、震動傳感器、指南針模塊、震動信號調理電路、數據轉換模塊、數據傳輸模塊等組成[3]，如圖1所示。

此系統四類傳感器中，聲音、紅外、磁電的傳感器電路都已模塊化，檢測到的信號輸出為高低電平，可直接與ARM芯片通信。震動傳感器檢測到人員或車輛對地面的震動信號為微弱的模擬電壓信號，須經濾波放大電路與A/D轉換電路處理后，才能輸入STM32芯片進行處理。應用此系統進行目標監測，當有人員或車輛目標侵入到系統監測范圍內時，各傳感器根據自身特性分別同時進行檢測，并將檢測到的信號經過處理后輸入主控芯片進行分析處理，最后經由ZigBee無線傳輸模塊將處理后的有用信號發往監控主機，在上位機上實現識別、定位、報警等顯示。

2 系統硬件設計及分析

2.1 MCU主控單元

本設計以STM32F103ZET6為主控芯片，STM32系列以ARM Cortex?M3為核心，具有高性能、低成本、低功耗特點。STM32F103為其增強型，是同類產品中性能最高的產品。其優異的性能主要體現在以下幾個方面：超低的價格；超多的外設；優異的實時性能；杰出的功耗控制。非常符合此系統所需的傳輸數據量大，處理速度快，實時性好等要求。

2.2 四類監測傳感器的選擇

聲音傳感器選擇為駐極體麥克風，并集濾波放大、電壓比較等電路為一體成為聲音傳感器模塊，用于感應人員及車輛發出的聲響并將感應到的信號轉換為0或5 V高低電平。其感應距離可調，并根據聲音強度的不同感應距離從幾米到幾千米變化。

紅外傳感器采用PIR熱釋電傳感器并加菲涅爾透鏡，可增加檢測的靈敏度和準確性，靈敏度可調。此傳感器用于檢測入侵目標發出的紅外光譜。檢測距離由幾米到幾十米變化，檢測角度為75°～90°。此設計選擇四紅外傳感器模塊分布在圓周上每90°位置，即可實現全方位360°的監測。

磁電傳感器選用目前最先進的TMR隧道磁電阻傳感器模塊，可感應到含金屬目標對磁場的擾動，車輛的檢測距離為幾米。

震動傳感器選用CD?10DZ6型動圈磁電式傳感器，靈敏度可達120 V/m/s，經由信號調理電路處理后，可很好地檢測到30 m內的人員及車輛在地面行進的震動信號。

2.3 指南針模塊及其工作原理

當目標入侵到監測區域時，紅外傳感器模塊配合指南針模塊即可迅速判斷出目標所在方位，從而為后續的定位提供極大的便捷。此指南針模塊選擇GY?26電子指南針，其輸入電壓低、功耗小、體積小，適于集成。工作原理是通過磁傳感器中兩個相互垂直軸同時感應地球磁場的磁分量，從而得出方位角度。

2.4 震動信號調理電路的設計

由于人員及車輛行進引起的地震動信號很微弱，經過遠距離傳輸信號會有很大的衰減，導致傳感器輸出的電壓量很小，通常只有零點幾到幾毫伏，且容易被噪聲淹沒[4]。因此需要將信號濾波放大后再進行A/D轉換。為此選用AD620儀用放大器，它具有高精度、低功耗及使用方便等優點[5]。設計的調理電路如圖2所示。

電路前端的抗射頻干擾電路有兩種不同的帶寬：差分帶寬和共模帶寬。

2.5 數據轉換模塊的選擇

此系統采用AD7606數據轉換模塊，其為16位同步采樣模數數據采集系統（DAS），8個采集通道，片上集成模擬輸入箝位保護、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、16位電荷再分配逐次逼近型ADC內核、數字濾波器、2.5 V基準電壓源及緩沖、高速串行及并行接口。所有通道均能以高達200 KSPS的速率進行采樣。符合系統監測大數據、高速采樣特性。

2.6 數據傳輸模塊的選擇

根據本系統所要實現的無線自組網傳感監測，考慮到在選擇無線通信標準時應優先考慮其功耗、成本、體積及自組網特性，并結合各終端傳感器的檢測性能。主要針對藍牙、超寬無線通信及ZigBee技術等分析了目前無線自組網的通信技術，由于ZigBee無線通信標準支持低成本、易實現、可靠的數據傳輸及低功耗等特點，比較適合在惡劣環境下的無線傳感器網絡，因此選用ZigBee無線通信標準進行組網，并采用網狀網絡拓撲結構，傳輸距離可達50 m。在 ZigBee 協議棧中共有3種設備分別是協調器（COORDINATOR）、路由器（ROUTER）和終端節點（ENDDEVICE）。如圖3所示。

圖3 無線網狀網絡拓撲

在協議棧工程中，各個設備通過編譯器選擇。對應于上述的終端節點和路由節點監測系統又分為兩種：終端節點監測系統和路由節點監測系統。上述各節點只與它的臨近節點通信，終端節點只具有數據發送功能，路由節點兼具數據發送與轉發功能。當其中一個路由節點產生故障，節點會尋找附近的路由節點重新加入網絡，繼續進行數據的轉發[6?7]。協調器負責網絡的管理和維護，并將所有數據通過串口發送給PC基站進行顯示處理。

3 系統軟件設計

無線傳感網絡協調器工作流程圖與系統目標監測主程序流程圖分別如圖4，圖5所示。

5 結 語

本文針對無人值守疆域，大范圍、長期化電子監測需求設計了一種基于無線傳感網絡的目標入侵監測系統，并進行了相應的實驗驗證。結果表明，此系統能有效識別出入侵的人員及車輛，并可進行組網，實現大范圍內的面域監測。該系統具有可靠性好、隱蔽性強、功耗低、使用靈活、成本低等優點。對減少傳統人力、物力、財力所需具有重大的現實意義。

參考文獻

[1] GONG P. Wireless sensor network as a new ground remote sensing technology for environmental Monitoring [J]. Journal of Remote Sensing， 2007， 11（4）： 545?551.

[2] 胡美艷，楊衛，徐薇，等.一種地面網域化微武器系統[J].火力與指揮控制，2011，36（5）：1?12.

[3] 趙天池.傳感器和探測器的物理原理和應用[M].北京：科學出版社，2008.

[4] 鄭慧娜.基于無線傳感網絡的地震動定位關鍵技術研究[D].南京：南京理工大學，2011.

[5] 高晉占.微弱信號檢測[M].北京：清華大學出版社，2005.

[6] 王小強，歐陽駿，黃寧淋.ZigBee無線傳感網絡設計與實現[M].北京：化學工業出版社，2012.

[7] 宮鵬.無線傳感器網絡技術環境應用進展[J].遙感學報，2010，14（2）：387?395.

[8] 張德豐.詳解Matlab數字信號處理[M].北京：電子工業出版社，2010.