王 濤 李冠越 劉文博

（1.西北民族大學(xué)，甘肅蘭州 730030；2.陜西宇航科技工業(yè)公司，陜西西安 710025）

0 引言

我國是文物大國，每年因?yàn)楸I掘古墓所流失的文物數(shù)量巨大，給我國文化財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失.然而由于古墓都位于野外，分布較廣，現(xiàn)有的安全防范手段，比如紅外、電視和超聲波監(jiān)控等方法對(duì)于地下挖掘和爆破偷盜不能起到很好的監(jiān)控作用.基于上述原因，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的古墓葬群防盜報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過采集地下的震動(dòng)信號(hào)，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，并通過控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和判斷，來判定是否存在盜掘活動(dòng)，起到對(duì)古墓葬群保護(hù)的作用。

1 設(shè)計(jì)思路

基于ZigBee的古墓葬群防盜報(bào)警系統(tǒng)，主要由4部分組成：（1）數(shù)據(jù)采集部分，即用來采集地下的震動(dòng)信號(hào)，由拾震器和調(diào)理電路組成；（2）ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分，該部分主要完成信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和傳遞；（3）控制部分，該部分功能主要是預(yù)先提取地下不正常的震動(dòng)信號(hào)，比如挖掘和爆破，和ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸來的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比和識(shí)別，達(dá)到報(bào)警條件時(shí)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置；（4）報(bào)警裝置，主要是聲光報(bào)警，為了達(dá)到更好的打擊盜墓犯罪的效果，報(bào)警裝置通過專線直接和公安110聯(lián)網(wǎng).系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

1.1 數(shù)據(jù)采集部分

1）拾震器選型

拾震器的選擇要考慮的因素很多，主要包括重量、頻率響應(yīng)和靈敏度.靈敏度越高的拾震器，系統(tǒng)信噪比就越大，抗干擾能力和分辨率也就越好，在保證頻率響應(yīng)和量程的情況下，應(yīng)盡可能的選擇靈敏度高的拾震器.經(jīng)過綜合考慮各項(xiàng)參數(shù)和實(shí)際試驗(yàn)分析，最終確定在本設(shè)計(jì)中采用HK20DX-10S微地震檢波器.

2）調(diào)理電路

圖2 放大和濾波電路

經(jīng)過拾震器檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后幅度很小，加上傳輸線上損耗的存在，基本上不能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，這就需要對(duì)這些模擬信號(hào)進(jìn)行放大處理.同時(shí)在監(jiān)控區(qū)域，存在很多人為的活動(dòng)，這就造成了許多干擾信號(hào)，所以必須在硬件電路部分添加濾波電路.在本設(shè)計(jì)中，采用了外接滑動(dòng)變阻器的前置放大器AD620，放大和濾波電路如圖2所示.

3）模數(shù)轉(zhuǎn)換

在本設(shè)計(jì)中，使用CC2430內(nèi)部14位的ADC作為數(shù)據(jù)采集模塊，內(nèi)部有一個(gè)可支持最多8個(gè)可配置通道的模擬多路選擇器，每次采樣的結(jié)果都會(huì)通過DMA寫入內(nèi)存，而且不需要內(nèi)核的干預(yù)，使用這種方式可以確保模數(shù)轉(zhuǎn)化器捕獲到連續(xù)的采樣流.

1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)

1）ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

選用TI公司的CC2430芯片.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芯片需要很少的外圍部件配合就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能.電路使用一個(gè)非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好.電路中的非平衡變壓器由電容和電感以及一個(gè)PCB微波傳輸線組成.內(nèi)部T/R 交換電路完成LNA和PA之間的交換.用1個(gè)32 MHz的石英諧振器和2個(gè)電容構(gòu)成一個(gè)32 MHz的晶振電路.用1個(gè)32.768 kHz的石英諧振器和2個(gè)電容構(gòu)成一個(gè)32.768 kHz的晶振電路.電壓調(diào)節(jié)器為所有要求1.8V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電.引出所有可用I/O，并提供RS232串行接口，用于系統(tǒng)的擴(kuò)充和通信等功能.ZigBee節(jié)點(diǎn)原理圖如圖3所示.

圖3 ZigBee節(jié)點(diǎn)原理圖

2）ZigBee組網(wǎng)

在該系統(tǒng)中，因?yàn)閆igBee網(wǎng)絡(luò)具有接力通信的優(yōu)點(diǎn)，所以可以選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為基站來接受每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸來的數(shù)據(jù)給控制部分.加入網(wǎng)絡(luò)成功后，ZigBee節(jié)點(diǎn)就可以向ZigBee基站發(fā)送數(shù)據(jù)了.此后程序開始循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù).ZigBee節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間采集一次數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)打包再發(fā)送到ZigBee基站，并開始接收應(yīng)答.如果發(fā)送成功，ZigBee節(jié)點(diǎn)回到空閑狀態(tài)；如果發(fā)送不成功，ZigBee節(jié)點(diǎn)馬上重新采集一次數(shù)據(jù)再發(fā)送給基站，直到發(fā)送成功.

1.3 控制部分

從帶有噪音等外部干擾信號(hào)中濾除噪音提高微震信號(hào)的信噪比是微震信號(hào)處理中非常重要的一項(xiàng)工作，而傳統(tǒng)的如卡爾曼濾波等自適應(yīng)濾波方式對(duì)微震信號(hào)進(jìn)行去噪音處理時(shí)，都要先知道噪音的特點(diǎn)再進(jìn)行分離，在不知道任何噪音特性的情況下，用這些傳統(tǒng)的濾波方式是很難達(dá)到滿意的效果.本系統(tǒng)采用小波分析的方法可以通過小波變換將信號(hào)在多個(gè)尺度上進(jìn)行小波分解，每個(gè)不同尺度上分解得到的小波變換系數(shù)代表的是原來信號(hào)在不同分辨率上的信息.由于有用信號(hào)和外界的噪音在分解的時(shí)候會(huì)存在一些不同的傳遞特性和特征表現(xiàn)，我們就可以利用這種不同的傳遞特性來進(jìn)行信號(hào)的去噪音處理.其實(shí)質(zhì)是減少噪音產(chǎn)生的小波系數(shù)，最大限度的保留有用信號(hào)的系數(shù).

在本設(shè)計(jì)中采用小波閥值去噪的方法，該方法是一種非線性的去噪方法，先對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波變換，再對(duì)其變換后的值進(jìn)行去噪處理，直接對(duì)小波變換系數(shù)取閥值，最后讓保留下來的較大的小波系數(shù)重構(gòu)原信號(hào)，也就是經(jīng)過濾波后的有用信號(hào).

在本設(shè)計(jì)中控制部分的主要作用是讓監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)傳來的信號(hào)和預(yù)先采集的信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，達(dá)到報(bào)警條件時(shí)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào).所以需要預(yù)先在設(shè)備安裝的地點(diǎn)采集震動(dòng)信息，因?yàn)楸I墓分子從地下盜掘，主要采用洛陽鏟和爆破的方式，這就要求必須進(jìn)行多次試驗(yàn)，采集相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行分析和處理，并將其存儲(chǔ)，以便在實(shí)際使用時(shí)和現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比.

1.4 報(bào)警裝置

當(dāng)滿足系統(tǒng)設(shè)定的報(bào)警條件時(shí)，系統(tǒng)立刻驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警裝置報(bào)警，并直接接通110專線.

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

將拾震器埋在地下3米處，在其半徑70米范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)對(duì)震動(dòng)信號(hào)的采集和傳輸.經(jīng)實(shí)際測(cè)試，當(dāng)采用洛陽鏟、鐵鍬等工具進(jìn)行挖掘，或使用炸藥進(jìn)行爆破，系統(tǒng)均可以識(shí)別其信號(hào)，并發(fā)出報(bào)警.但同時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)一定的誤報(bào).

3 總結(jié)和展望

本系統(tǒng)結(jié)合先進(jìn)的通信方式和技術(shù)，將其應(yīng)用在古墓葬群的保護(hù)中，數(shù)據(jù)的采集能力、信號(hào)處理能力、實(shí)時(shí)監(jiān)控能力均可以滿足對(duì)古墓葬群監(jiān)控和保護(hù)的要求.今后將在此領(lǐng)域進(jìn)行繼續(xù)研究，努力降低系統(tǒng)的誤報(bào)率，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)地下挖掘地點(diǎn)的定位.

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