紀鑫來，張永

（大連東軟信息學院，遼寧大連，116000）

1 介紹

如今無線通信技術(shù)在智能系統(tǒng)中大多被定義為數(shù)據(jù)傳輸途徑，僅限于數(shù)據(jù)傳輸，進行深層次開發(fā)利用的設計并不多。數(shù)據(jù)在交互處理中會沿著無線通信技術(shù)中的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)進行信號傳播，所以信號傳播的強度值（RSSI）是衡量一個網(wǎng)絡情況的重要指標，是一個網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的反饋。對于信號的傳播方式，可以分為大致三種：廣播模式（Wi-Fi）、點對點（藍牙）和自組網(wǎng)，同時現(xiàn)今無線通信技術(shù)多種多樣，具體表1所示。

表1 幾種無線通信技術(shù)的比較

■1.1 Zigbee無線通信技術(shù)

針對室內(nèi)入侵檢測，本次設計選用了Zigbee無線通信技術(shù)進行技術(shù)開發(fā)，利用Zigbee自組網(wǎng)構(gòu)建檢測網(wǎng)絡，通過對RSSI的強度采集來判斷室內(nèi)情況。Zigbee無線通信技術(shù)是應用點對點的自組網(wǎng)來發(fā)送數(shù)據(jù)，在一個Zigbee網(wǎng)絡中存在三種設備狀態(tài)：Zigbee終端節(jié)點，Zigbee協(xié)調(diào)器以及路由設備。該設計包括6個硬件模塊，4個終端節(jié)點，1個路由節(jié)點以及1個網(wǎng)關Sink節(jié)點， 4個終端節(jié)點分布在不同的位置，向網(wǎng)絡中的同一協(xié)調(diào)器Sink進行數(shù)據(jù)發(fā)送，為了平行檢測，在場景中間了路由節(jié)點對下層所有的Zigbee終端節(jié)點情況進行匯總，然后單一向網(wǎng)關Sink上回傳。

■1.2 入侵檢測設計

室內(nèi)場景上電后，網(wǎng)關ZIgbee設備對公網(wǎng)中所有的AP節(jié)點進行網(wǎng)絡參數(shù)指令的下達進行掃描，再匹配成功后對場景形成網(wǎng)絡覆蓋，同時開始檢測各個終端節(jié)點的RSSI信號強度值，并數(shù)值直接向網(wǎng)關Sink回傳。所有的數(shù)據(jù)都在Zigbee路由模塊上進行處理整合，路由節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后對幀進行解析，設計中應用CC2530微處理器來控制所有數(shù)據(jù)流以及外圍硬件。路由節(jié)點的處理器在接收到不同AP節(jié)點的RSSI信號強度后，對數(shù)據(jù)與AP分類整合，然后推送到內(nèi)置的發(fā)送端，向Sink端進行回傳，路由節(jié)點在在這里沒有數(shù)據(jù)分析的功能，上層網(wǎng)關Sink節(jié)點在接收到整個數(shù)據(jù)包后，然后對照其恒定信號強度RSSI值，分析信號的波動情況。

信號的波動情況在本次設計中即是室內(nèi)入侵情況的反饋。我們通過多次實驗測試出，當空曠的場景中，成功組網(wǎng)后信號RSSI的接收強度波動范圍，而一旦場景中有干擾（入侵）時，信號強度會產(chǎn)生大幅度的波動，由此根據(jù)反復的Userstudy來判斷閾值外的信號噪聲即為場景網(wǎng)絡中，檢測到入侵情況。本次應用網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)搭配信息強度RSSI以及接入點AP的列表構(gòu)建了數(shù)據(jù)坐標系，通過信號數(shù)據(jù)可視化對室內(nèi)入侵情況進行分析，是一種對無線通信技術(shù)另一個角度的開發(fā)。系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設計方案

2 相關工作

■2.1 拓撲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

本次系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流通，我們選用的Zigbee低功耗拓撲結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)來完成，Zigbee通過自組網(wǎng)進行終端向協(xié)調(diào)器的發(fā)送，Zigbee的自組網(wǎng)有三種拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，星星以及樹型結(jié)構(gòu)。本文選用了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來搭建網(wǎng)絡，因為在電路設計中，四個終端節(jié)點搭載不同傳感器向唯一協(xié)調(diào)器進行發(fā)送，不需要復雜的多跳。同時系統(tǒng)的距離有一定的限制，對數(shù)據(jù)承載力要求不高，網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)便于平行檢測整個室內(nèi)情況，圖2顯示了Zigbee網(wǎng)絡情況。

圖2 Zigbee拓撲結(jié)構(gòu)

■2.2 中斷事件

Zigbee組網(wǎng)完成后，對于所有數(shù)據(jù)的處理是通過微處理CC2530完成的。Zigbee外圍電路中，必須設計出系統(tǒng)時序才能保證系統(tǒng)有效的工作，即為系統(tǒng)的時鐘或者晶體振蕩器。系統(tǒng)上電后，各個模塊按照時序進行有序的工作，或者進行循環(huán)檢測RSSI的強度值。本次數(shù)據(jù)的無線傳輸以及協(xié)調(diào)器觸發(fā)都需要一定的平衡，各個AP節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸率以及頻率的同步即是通過匹配時鐘晶體的震蕩速率來完成的。同時在保持所有功能模塊都有有效的工作時序的同時，晶體振蕩器還有一種作用是外出觸發(fā)電平的“變換開關”，一旦產(chǎn)生入侵檢測的觸發(fā)，則響應一次外部中斷事件。圖3顯示了入侵檢測情況。

圖3 入侵檢測流程圖

同時系統(tǒng)中我們需要監(jiān)測實時入侵RSSI值的波動，因此CC2530模塊需要不停的檢測是否有數(shù)據(jù)流入，但是如果一直處于工作模式，整個系統(tǒng)會產(chǎn)生很高的功耗，因為系統(tǒng)設計了中斷觸發(fā)的模式來檢測是否有高低電平的變化。本設計中，每次RSSI的大幅度的噪聲波動，代表了場景中有入侵情況，因此通過對RSSI閾值的判斷來設計中斷觸發(fā)事件。設計中比較了單純的標識位中斷觸發(fā)方式與定時觸發(fā)方式，最終選擇了定時器觸發(fā)的方式。這里設置了不同的Task模塊，配合時鐘周期進行了兩種方式編寫，一種是掃描Zigbee網(wǎng)絡中所有數(shù)據(jù)據(jù)按照分鐘的方式進行周期性發(fā)送，每1分鐘出發(fā)一次發(fā)送中斷進行一次回傳，對于入侵觸發(fā)事件，超出閾值直接觸發(fā)跳變延，通過改變一次高低電平來實時刷新一下RSSI值，回傳上層進行處理。

■2.3 RSSI數(shù)據(jù)幀

下層的數(shù)據(jù)流方面，系統(tǒng)分為兩個部分：AP接入點的列表流及RSSI強度數(shù)據(jù)流。RSSI的讀取通過對CC2530的引腳編程來操作外圍電路，從而實現(xiàn)對場景中入侵情況檢測，在模塊響應后，Zigbee網(wǎng)關Sink連續(xù)讀取路由節(jié)點回傳的數(shù)據(jù)，并將讀取的電信號進行A/D轉(zhuǎn)換，這里我們設計了一個數(shù)組，然后對所有RSSI數(shù)據(jù)全部讀取后，在進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)操作。本次系統(tǒng)設計，所有RSSI數(shù)據(jù)的讀取，是通過路由節(jié)點進行匯總后，然后在網(wǎng)關節(jié)點進行處理的，在系統(tǒng)上電后，主程序進行響應等待模式，這里我們通過設置協(xié)調(diào)器的定時器來完成數(shù)據(jù)的一次響應讀取，然后協(xié)調(diào)器進行等待模塊，等待RSSI是否有數(shù)據(jù)回傳（數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換在傳感器引腳A / D轉(zhuǎn)換時完成），當檢測到有數(shù)據(jù)回傳后，我們通過對數(shù)據(jù)幀的解析然后匹配AP來完成對整個網(wǎng)絡波動情況的讀取，這里面我們設置數(shù)據(jù)頭，標志位來完成對數(shù)據(jù)的分類（AP），當完成對一次數(shù)據(jù)的分析后，網(wǎng)關Sink繼續(xù)進入等待模塊，或者說中斷響應模式。

在進行自動連接ZIgbee模塊服務時，首先進行優(yōu)先級的設置，對于上下聯(lián)通的網(wǎng)關模塊，設置為高優(yōu)先級的選項，并應用UDP通信模式進行數(shù)據(jù)接收，同時在系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)同步，把當前下層網(wǎng)絡的所有RSSI數(shù)據(jù)進行刷新。通過大量的Zigbee的接入點AP的列表信息，可以視為構(gòu)建了一個室內(nèi)相對二維度的坐標系，同時RSSI強度是不同AP接入點與Zigbee終端設備一種連接相位的體現(xiàn)，通過不同的RSSI針對不同的接入點可以構(gòu)建出一個數(shù)據(jù)坐標信息，回傳給Sink進行分析。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

■3.1 硬件連接

本次系統(tǒng)Zigbee網(wǎng)絡執(zhí)行過程，初次配置后，四個終端向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，中轉(zhuǎn)傳輸?shù)铰酚晒?jié)點，進行向網(wǎng)關發(fā)送的準備。對于AP的掃描，系統(tǒng)啟動后，協(xié)調(diào)器向下層所有區(qū)域廣播網(wǎng)絡參數(shù)，查看是否網(wǎng)絡中回饋節(jié)點請求，網(wǎng)絡中的5個Zigbee的AP節(jié)點，再收到協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡指令后，根據(jù)自身PID等參數(shù)的配置，向協(xié)調(diào)器回傳請求響應，協(xié)調(diào)器接收到請求后，匹配節(jié)點的參數(shù)查看是否可以通過加入請求，同時回傳響應給終端AP，一旦匹配成功后，即可加入到該Zigbee自組網(wǎng)絡中，并會按照不同的節(jié)點功能來開啟工作，其中四個AP節(jié)點為終端節(jié)點，不停的發(fā)送RSSI信號強度值給路由節(jié)點進行數(shù)據(jù)匯總。具體軟件流程圖如圖4所示。

Zigbee網(wǎng)絡開發(fā)了專屬的IAR平臺來配置以及編寫Zigbee程序，該IDE是一款層層嵌套的平臺，通常情況下所有的數(shù)據(jù)幀的編寫以及具體應用的開發(fā)，都是在應用層進行配置的，對于組網(wǎng)，我們需要在網(wǎng)絡層協(xié)議棧進行編寫，通過組網(wǎng)來分配信道以及PID實現(xiàn)對RSSI的讀取。對于RSSI的強度的讀取，需要設置一定的參數(shù)才能進行有效的實驗。

圖4 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡流程流程圖

■3.2 實驗分析

對于實驗，分為了兩個部分：誤差校準實驗以及設計驗證。Zigbee網(wǎng)絡中RSSI信號強度存在大量的干擾因素，而不確定的干擾因素，會形成一定的誤差。因此在驗證整個系統(tǒng)可行性前，我們需要對系統(tǒng)的誤差進行一定的實驗分析。表2所示我們通過五組Userstudy的實驗結(jié)果。

表2

本次實驗我們對時間域進行采集，分為了五組實驗室，然后對RSSI信號強的上限以及下限進行采集，然后進行標準化分析。同時我們設計了第六組實驗，為入侵檢測實驗，通過對信道進行一定的阻隔來測試，并通過Matlab對測試的數(shù)據(jù)可視化的RSSI波動圖的輸出。圖5表明了實驗過程RSSI的波動情況。在500～600段可以看出，通過阻隔對照試驗，RSSI產(chǎn)生了明顯的噪聲變化，會有一段波形超出了標準波動的范圍，可以判斷為產(chǎn)生了室內(nèi)入侵。

圖5 實驗結(jié)果圖

4 設計總結(jié)

本次室內(nèi)入侵檢測系統(tǒng)，是通過Zigbee下層所有數(shù)據(jù)回傳后，對列表中所有AP接入點進行分析，自組網(wǎng)絡中取出RSSI然后根據(jù)強度信息構(gòu)建一個檢測范圍，相對范圍即代表了在室內(nèi)安全情況下RSSI的采集范圍，系統(tǒng)把RSSI記錄下來存放在數(shù)據(jù)矩陣中，同時通過大量的Zigbee的AP信息構(gòu)建出不同的區(qū)域的安全覆蓋網(wǎng)，一旦產(chǎn)生大量噪聲波動，系統(tǒng)比較初識的相對信息，判斷產(chǎn)生室內(nèi)入侵。這種判斷是一種相對的，而不是絕對的，由于ZIgbee用戶會在整個網(wǎng)絡中移動，同時場景環(huán)境的不確定因素，系統(tǒng)會存在一定的誤差。但是同一區(qū)域內(nèi)的相對安全情況可以清晰的顯示出來，并且保證了數(shù)據(jù)的實時性。因此系統(tǒng)的初步設計以及測試完成了，但誠然存在很多問題，例如精度、實驗的深入開發(fā)與對照組，以及系統(tǒng)缺點研究都是可以深入進行的工作。希望未來工作中，深層次開發(fā)整個系統(tǒng)。