摘 要： 針對(duì)我國(guó)廣闊的領(lǐng)土及漫長(zhǎng)的邊防無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍有效、靈活、低投入的值守警戒，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以滿足惡劣環(huán)境下大范圍、長(zhǎng)時(shí)間，信息準(zhǔn)確的無(wú)人值守需求。并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可靠性好，功耗低，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞： 目標(biāo)入侵監(jiān)測(cè)； 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)； STM32； ZigBee； AD7606

中圖分類號(hào)： TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(guó)地域遼闊，有著漫長(zhǎng)的邊防線，并與多國(guó)接壤。很多地帶，地形復(fù)雜，氣候多變，環(huán)境惡劣，人員難以值守。邊防直接關(guān)系著國(guó)家安全與領(lǐng)土完整，為此，我國(guó)每年投入大量的人力、物力和財(cái)力，但仍遠(yuǎn)不能滿足邊防警戒需求。為此設(shè)計(jì)一種無(wú)線多傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)可通過(guò)人工布設(shè)，火炮發(fā)射或飛機(jī)空投等方式散布在所需地帶，無(wú)需人為過(guò)多干預(yù)，便可自行監(jiān)測(cè)是否有人員及車(chē)輛等目標(biāo)入侵，并通過(guò)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)將信息及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)送到基站[1?2]，具有使用靈活、反應(yīng)靈敏、隱蔽性強(qiáng)、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在保護(hù)國(guó)家邊防安全方面具有重要的戰(zhàn)略意義。同時(shí)該系統(tǒng)也非常適合國(guó)內(nèi)某些需監(jiān)控的廣闊邊遠(yuǎn)區(qū)域，或者地形復(fù)雜人員難以到達(dá)或長(zhǎng)時(shí)間值守的區(qū)域。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

該系統(tǒng)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(dòng)傳感器、指南針模塊、震動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊等組成[3]，如圖1所示。

此系統(tǒng)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(cè)到的信號(hào)輸出為高低電平，可直接與ARM芯片通信。震動(dòng)傳感器檢測(cè)到人員或車(chē)輛對(duì)地面的震動(dòng)信號(hào)為微弱的模擬電壓信號(hào)，須經(jīng)濾波放大電路與A/D轉(zhuǎn)換電路處理后，才能輸入STM32芯片進(jìn)行處理。應(yīng)用此系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)監(jiān)測(cè)，當(dāng)有人員或車(chē)輛目標(biāo)侵入到系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，各傳感器根據(jù)自身特性分別同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后輸入主控芯片進(jìn)行分析處理，最后經(jīng)由ZigBee無(wú)線傳輸模塊將處理后的有用信號(hào)發(fā)往監(jiān)控主機(jī)，在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)識(shí)別、定位、報(bào)警等顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及分析

2.1 MCU主控單元

本設(shè)計(jì)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(diǎn)。STM32F103為其增強(qiáng)型，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。其優(yōu)異的性能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：超低的價(jià)格；超多的外設(shè)；優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能；杰出的功耗控制。非常符合此系統(tǒng)所需的傳輸數(shù)據(jù)量大，處理速度快，實(shí)時(shí)性好等要求。

2.2 四類監(jiān)測(cè)傳感器的選擇

聲音傳感器選擇為駐極體麥克風(fēng)，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(yīng)人員及車(chē)輛發(fā)出的聲響并將感應(yīng)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為0或5 V高低電平。其感應(yīng)距離可調(diào)，并根據(jù)聲音強(qiáng)度的不同感應(yīng)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(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性，靈敏度可調(diào)。此傳感器用于檢測(cè)入侵目標(biāo)發(fā)出的紅外光譜。檢測(cè)距離由幾米到幾十米變化，檢測(cè)角度為75°～90°。此設(shè)計(jì)選擇四紅外傳感器模塊分布在圓周上每90°位置，即可實(shí)現(xiàn)全方位360°的監(jiān)測(cè)。

磁電傳感器選用目前最先進(jìn)的TMR隧道磁電阻傳感器模塊，可感應(yīng)到含金屬目標(biāo)對(duì)磁場(chǎng)的擾動(dòng)，車(chē)輛的檢測(cè)距離為幾米。

震動(dòng)傳感器選用CD?10DZ6型動(dòng)圈磁電式傳感器，靈敏度可達(dá)120 V/m/s，經(jīng)由信號(hào)調(diào)理電路處理后，可很好地檢測(cè)到30 m內(nèi)的人員及車(chē)輛在地面行進(jìn)的震動(dòng)信號(hào)。

2.3 指南針模塊及其工作原理

當(dāng)目標(biāo)入侵到監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí)，紅外傳感器模塊配合指南針模塊即可迅速判斷出目標(biāo)所在方位，從而為后續(xù)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(guò)磁傳感器中兩個(gè)相互垂直軸同時(shí)感應(yīng)地球磁場(chǎng)的磁分量，從而得出方位角度。

2.4 震動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

由于人員及車(chē)輛行進(jìn)引起的地震動(dòng)信號(hào)很微弱，經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)會(huì)有很大的衰減，導(dǎo)致傳感器輸出的電壓量很小，通常只有零點(diǎn)幾到幾毫伏，且容易被噪聲淹沒(méi)[4]。因此需要將信號(hào)濾波放大后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)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(yōu)點(diǎn)[5]。設(shè)計(jì)的調(diào)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的選擇

此系統(tǒng)采用AD7606數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，其為16位同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），8個(gè)采集通道，片上集成模擬輸入箝位保護(hù)、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(nèi)核、數(shù)字濾波器、2.5 V基準(zhǔn)電壓源及緩沖、高速串行及并行接口。所有通道均能以高達(dá)200 KSPS的速率進(jìn)行采樣。符合系統(tǒng)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)、高速采樣特性。

2.6 數(shù)據(jù)傳輸模塊的選擇

根據(jù)本系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的無(wú)線自組網(wǎng)傳感監(jiān)測(cè)，考慮到在選擇無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮其功耗、成本、體積及自組網(wǎng)特性，并結(jié)合各終端傳感器的檢測(cè)性能。主要針對(duì)藍(lán)牙、超寬無(wú)線通信及ZigBee技術(shù)等分析了目前無(wú)線自組網(wǎng)的通信技術(shù)，由于ZigBee無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)支持低成本、易實(shí)現(xiàn)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸及低功耗等特點(diǎn)，比較適合在惡劣環(huán)境下的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此選用ZigBee無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組網(wǎng)，并采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳輸距離可達(dá)50 m。在 ZigBee 協(xié)議棧中共有3種設(shè)備分別是協(xié)調(diào)器（COORDINATOR）、路由器（ROUTER）和終端節(jié)點(diǎn)（ENDDEVICE）。如圖3所示。

圖3 無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

在協(xié)議棧工程中，各個(gè)設(shè)備通過(guò)編譯器選擇。對(duì)應(yīng)于上述的終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)又分為兩種：終端節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和路由節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。上述各節(jié)點(diǎn)只與它的臨近節(jié)點(diǎn)通信，終端節(jié)點(diǎn)只具有數(shù)據(jù)發(fā)送功能，路由節(jié)點(diǎn)兼具數(shù)據(jù)發(fā)送與轉(zhuǎn)發(fā)功能。當(dāng)其中一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生故障，節(jié)點(diǎn)會(huì)尋找附近的路由節(jié)點(diǎn)重新加入網(wǎng)絡(luò)，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)[6?7]。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)，并將所有數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給PC基站進(jìn)行顯示處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器工作流程圖與系統(tǒng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)主程序流程圖分別如圖4，圖5所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)人值守疆域，大范圍、長(zhǎng)期化電子監(jiān)測(cè)需求設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，此系統(tǒng)能有效識(shí)別出入侵的人員及車(chē)輛，并可進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的面域監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)具有可靠性好、隱蔽性強(qiáng)、功耗低、使用靈活、成本低等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)減少傳統(tǒng)人力、物力、財(cái)力所需具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

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

[3] 趙天池.傳感器和探測(cè)器的物理原理和應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[4] 鄭慧娜.基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的地震動(dòng)定位關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2011.

[5] 高晉占.微弱信號(hào)檢測(cè)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[6] 王小強(qiáng)，歐陽(yáng)駿，黃寧淋.ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[7] 宮鵬.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)環(huán)境應(yīng)用進(jìn)展[J].遙感學(xué)報(bào)，2010，14（2）：387?395.

[8] 張德豐.詳解Matlab數(shù)字信號(hào)處理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.