張俊濤，姜瀾波，陳曉莉

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021)

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的野外古跡監(jiān)控系統(tǒng)*

張俊濤*，姜瀾波，陳曉莉

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021)

為了更有效地保護野外文物古跡，設(shè)計了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的野外古跡監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以ZigBee網(wǎng)絡(luò)為核心，傳感節(jié)點單元(SNU)采用地震檢波器HK20DX-10S監(jiān)測古跡區(qū)域振動數(shù)據(jù);中繼節(jié)點單元(RNU)采用CC2530芯片負責(zé)數(shù)據(jù)收發(fā)并通過GPRS傳輸給遠程監(jiān)控中心;監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)分析處理，實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)挖掘、爆破活動的實時監(jiān)控和報警。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有成本低、響應(yīng)快、可靠性高的特點，適用于野外遺址、博物館等場所。

無線傳感網(wǎng)絡(luò);古跡監(jiān)控;地震檢波;ZigBee

文物古跡是古代社會的文化遺存，然而，私自盜掘古墓、挖掘盜損等違法行為已經(jīng)造成了古遺址文物的流失。國內(nèi)現(xiàn)有的古跡防盜系統(tǒng)，諸如電視監(jiān)控、紅外監(jiān)控等方法對地下挖掘和夜間突襲爆破偷盜的活動不能起到很好的監(jiān)控作用［1］，并且大多采用鋪設(shè)地下線路的方式，施工難度大。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點組成，是一種分布式自組織網(wǎng)絡(luò)［2］。ZigBee技術(shù)是一種低速率、低功耗、低價格的無線網(wǎng)絡(luò)方案［3］，通過結(jié)合地震檢波傳感器，對地下信號采集、傳輸、處理和識別，實現(xiàn)對古跡區(qū)域的實時監(jiān)控，達到保護野外古跡文物的目的。本文應(yīng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的野外古跡防盜監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

古跡防盜系統(tǒng)由傳感節(jié)點單元 SNU(Sensor Node Unit)、中繼節(jié)點單元RNU(Relay Node Unit)和遠程監(jiān)控中心構(gòu)成。

SNU作為WSN中的傳感器節(jié)點，廣泛部署在古跡監(jiān)測區(qū)域。RNU為網(wǎng)關(guān)節(jié)點，節(jié)點之間采用樹形拓撲結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。每個監(jiān)控子域網(wǎng)由若干個SNU和一個RNU構(gòu)成，RNU通過分層路由協(xié)議LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)協(xié)議和SNU通信，接收各節(jié)點控制器的采集數(shù)據(jù)，同時，經(jīng)GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到有固定IP的遠程監(jiān)控中心［4］。遠程監(jiān)控中心通過對數(shù)據(jù)的處理分析，將監(jiān)測信息實時顯示于大屏幕顯示器，管理人員可以查看目標(biāo)區(qū)域是否有盜掘行動。野外古跡防盜監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 野外古跡防盜監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感節(jié)點單元設(shè)計

傳感節(jié)點單元SNU負責(zé)控制傳感器工作，同時向RNU發(fā)送采集到的振動信號。傳感節(jié)點單元SNU硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 傳感節(jié)點單元SNU硬件結(jié)構(gòu)圖

Zigbee無線通訊模塊選用德州儀器(TI)公司的具有內(nèi)置增強型8051微控制器的CC2530芯片。CC2530提供了101dB的鏈路質(zhì)量，擁有優(yōu)秀的接收靈敏度和抗干擾性。CC2530具有睡眠、喚醒、中斷3種電源管理模式［5-6］，不同的運行模式，使其尤其適應(yīng)于低功耗要求的系統(tǒng)。多個傳感器節(jié)點之間采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線通信，克服了野外鋪設(shè)地下線路盲區(qū)多，時間長，施工難度大的弊端，提高了系統(tǒng)的部署效率。

振動信號采集模塊采用HK20DX-10S系列工業(yè)級地震檢波器。檢波器通過埋設(shè)于監(jiān)測區(qū)域地面，感知周圍的震動，將地面震動信號轉(zhuǎn)換成電信號，傳送給微處理器CC2530。檢波器采用引線簧結(jié)構(gòu)，假頻可以達到400 Hz～500 Hz，具有很強的抗橫向干擾能力，提高了檢波器的可靠性和適應(yīng)性。此外，檢波器體積小、重量輕，地下埋設(shè)后僅有部分天線露于地表，通過對傳感器外殼色彩偽裝，提高了隱蔽性，可有效避免傳感器被盜。

由于地震檢波器輸出的電壓信號變化微弱，信號調(diào)理模塊用于將電壓信號進行濾波、放大，使信號匹配A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。調(diào)理模塊采用單片集成芯片AD620作為放大器。它是一款低成本、高精度的儀表放大器，可在1～10 000的增益范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。AD620具有設(shè)計體積小、功耗非常低(最大供電電流僅1.3 mA)的特點，擁有高精度、低失調(diào)電壓等特性，使之特別適用于低電壓、低功耗的傳感器電路設(shè)計。

2.2 中繼節(jié)點單元設(shè)計

中繼節(jié)點單元RNU是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點。RNU一端與SNU建立無線通信網(wǎng)絡(luò)，接收地震檢波器采集的信息，監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域的地下振動;另一端通過GPRS模塊與遠程監(jiān)控中心通信。中繼節(jié)點單元RNU硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 中繼節(jié)點單元RNU硬件結(jié)構(gòu)圖

中繼節(jié)點采用GPRS模塊ME3000。通用無線分組業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio Service)，是GSM移動電話用戶的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)［7-9］。中興ME3000無線模塊具有語音、短信和GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，可使用UART串口和CC2530通信。由于古跡古墓大都位于野外，分布面積廣，采用GPRS網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)中繼節(jié)點和監(jiān)控中心的遠程通信，保證了通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個古跡監(jiān)測區(qū)域。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 傳感節(jié)點SNU軟件設(shè)計

傳感節(jié)點單元SNU是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的主要執(zhí)行機構(gòu)，它的功能是接收RNU的采集控制信息，并對接入的檢波傳感器進行數(shù)據(jù)采集。傳感節(jié)點單元SNU程序流程圖如圖4所示。

圖4 傳感節(jié)點單元SNU程序流程圖

傳感節(jié)點首先啟動對系統(tǒng)初始化，然后進行信道掃描，在特定的頻率信道中發(fā)送信標(biāo)請求，申請加入網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)RNU允許后成為該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點。由于使用電池供電，系統(tǒng)采用休眠/喚醒機制減少節(jié)點的能量開銷，當(dāng)收到RNU節(jié)點控制命令時喚醒SNU節(jié)點，平時則處于低功耗休眠狀態(tài)。

節(jié)點間采用自組織(Ad Hoc)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點可隨時加入或離開，同時實現(xiàn)動態(tài)自組鏈路，個別節(jié)點失效時不會引起網(wǎng)絡(luò)分離，具有很強的穩(wěn)定性，避免了野外環(huán)境中自然或人為原因引起的節(jié)點丟失所導(dǎo)致的通信故障。

3.2 中繼節(jié)點RNU軟件設(shè)計

中繼節(jié)點建立網(wǎng)絡(luò)之前，首先對協(xié)議棧初始化，然后設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的PAN ID，通過偵聽其他網(wǎng)絡(luò)的ID，選擇一個與其他網(wǎng)絡(luò)互不沖突的ID。之后，RNU通過調(diào)用能量掃描檢測API進行能量掃描，找到一個空的信道建立網(wǎng)絡(luò)。成功建立網(wǎng)絡(luò)后，若有SNU節(jié)點申請加入，RNU將發(fā)送一個16 bit的短地址給SNU，作為傳感節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)識;若無節(jié)點加入，RNU判斷是否有監(jiān)控中心傳來數(shù)據(jù)，根據(jù)傳來的命令做出相應(yīng)的響應(yīng)。

由于RNU作為中繼節(jié)點，通信和計算任務(wù)比較繁忙，能量消耗較大，而系統(tǒng)處于野外環(huán)境，節(jié)點采用電池供電，電池更換時間周期長。為避免能量消耗過快，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各RNU輪流或者每次選擇剩余能量最多的成員作為工作單元，延長了電池的工作時間。中繼節(jié)點單元RNU程序流程圖如圖5所示。

圖5 中繼節(jié)點單元RNU程序流程圖

3.3 遠程監(jiān)控中心軟件設(shè)計

遠程監(jiān)控中心軟件采用圖形化語言LabVIEW編寫。LabVIEW是NI公司開發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件［10-12］。遠程監(jiān)控軟件包括數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、盜掘定位模塊和報警監(jiān)測5個模塊。軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 遠程監(jiān)控中心軟件結(jié)構(gòu)

監(jiān)控中心軟件和中繼節(jié)點采用TCP/IP協(xié)議通信，中繼節(jié)點根據(jù)固定IP和端口號主動連接監(jiān)控中心，實現(xiàn)上位機和傳感節(jié)點之間的通信。數(shù)據(jù)庫管理模塊使用LabSQL編程，利用ADO(ActiveX數(shù)據(jù)對象)技術(shù)實現(xiàn)對Access數(shù)據(jù)庫的訪問。管理人員通過軟件查看實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，了解目標(biāo)區(qū)域環(huán)境情況，同時軟件還能對異常信號報警，根據(jù)節(jié)點編號確定目標(biāo)區(qū)域并存儲數(shù)據(jù)，便于訪問歷史數(shù)據(jù)，為古跡監(jiān)管人員提供執(zhí)法依據(jù)。

4 系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)測試使用TI公司的SmartRF Studio，它是一款專用于CC系列射頻芯片的在線編程測試軟件，該軟件可自動分析數(shù)據(jù)丟包率和接收信號強度指示RSSI(Received Signal Strength Indicator)。

測試地點在漢陽陵野外環(huán)境，每個監(jiān)測子網(wǎng)由1個RNU和5個SNU組成，節(jié)點之間發(fā)送固定長度為25 byte的數(shù)據(jù)包，發(fā)射功率為15 dB，數(shù)據(jù)包數(shù)量為100，通信信道為0x0B。測試結(jié)果如表1所示。

表1 野外環(huán)境通信測試數(shù)據(jù)

從測試數(shù)據(jù)可以看出，通信距離在40 m之內(nèi)，無數(shù)據(jù)丟包，網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量良好;之后，丟包率隨著距離的增加而增加;在140 m時數(shù)據(jù)有一半丟失，通信質(zhì)量下降明顯。通過將古跡劃分為多個監(jiān)測區(qū)域，每個監(jiān)測區(qū)域部署多個監(jiān)控子網(wǎng)，監(jiān)控子網(wǎng)在40 m的距離內(nèi)通信，網(wǎng)絡(luò)可覆蓋整個古跡區(qū)域。經(jīng)測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，通信良好，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)正確，滿足了系統(tǒng)設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的野外古跡防盜監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了古跡區(qū)域的遠程監(jiān)控。與傳統(tǒng)有線監(jiān)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有組網(wǎng)成本低、無需鋪設(shè)線路、多網(wǎng)絡(luò)通信的特點，彌補了原有系統(tǒng)造價成本高、鋪設(shè)線路難、地下挖掘監(jiān)測薄弱的不足;解決了野外古跡管理人員有限、巡檢困難的問題;滿足了野外古跡防盜智能監(jiān)控的需求，對我國文物古跡保護有一定的現(xiàn)實意義。

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Field Monuments Monitoring System Based on W ireless Sensor Network*

ZHANG Juntao*，JIANG Lanbo，CHEN Xiaoli
(Institute of Electric and Information Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China )

In order to protect the field monuments effectively，a kind of field monumentsmonitoring system is desigened based on WSN.The system was constructed on ZigBee networks，the sensor node unit(SNU)uses the seismic seophones of HK20DX-10S，they were deployed in the objective area for real-time seismic data acquisition;relay node unit(RNU)use the MCU of CC2530，which collects and dispatch data to the remote monitoring center via GPRS.Robbingmonitoring and automatic alarm Underground digging and exploring can be realized by data processing of themanagement software.The result shows that the system is lower cost，stable and fast response，and it is fit to be used in field monument，museum and other places.

WSN;field monumentsmonitoring;seismic detect;ZigBee

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.019

TN925 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0077-04

項目來源:陜西省教育廳專項科研計劃項目(2011JK1001);陜西省科技廳攻關(guān)項目(2011K02-11)

2013-05-02修改日期:2013-05-30

EEACC:6210L;6210Q

張俊濤(1966-)，男，陜西西安人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為無線傳感網(wǎng)絡(luò)、信號與信息處理、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用;

姜瀾波(1989-)，男，山西晉中人，碩士研究生，研究方向為無線傳感網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用，dongfang.long123 @163.com。