無(wú)線(xiàn)防盜系統的開(kāi)發(fā)與設計

　　引言

　　現如今，隨身物品頻頻丟失，造成財產(chǎn)損失，對人們日常生活造成嚴重的影響。當物品超出相對安全的范圍時(shí)，若使用者及時(shí)得到提醒，就會(huì )避免不必要的損失。因此，對物品是否在安全范圍的監測，即防盜監測系統的研究具有較高的現實(shí)意義。

　　有線(xiàn)方式通訊可靠、抗干擾能力強、器件成本低，適用于新建且可以在墻壁內預留連接線(xiàn)的建筑物，但是其具有機動(dòng)性差、不便適應用戶(hù)及產(chǎn)品的多變要求，對預留連接線(xiàn)的維護及更換難度高、費用大的缺點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)方式可避免探頭與主機之間的連接線(xiàn)，降低了現場(chǎng)施工、維護成本。它具有靈活、施工簡(jiǎn)易、布線(xiàn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

　　以短程無(wú)線(xiàn)通信為基礎，通過(guò)實(shí)時(shí)監控各無(wú)線(xiàn)模塊來(lái)判斷物品是否處于相對安全范圍內，若物品超出范圍時(shí)，則接收終端發(fā)出震動(dòng)警報，提醒擁有者了解該物品目前處于“危險”狀態(tài)。

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，出現了紅外、藍牙、射頻識別、ZigBee等相關(guān)技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、高通信率等優(yōu)點(diǎn)[1]，使得 ZigBee技術(shù)成為當今無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

　　本文結合ZigBee網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、嵌入式技術(shù)、開(kāi)發(fā)了一套無(wú)線(xiàn)定位系統。本系統采用無(wú)線(xiàn)傳輸和IEEE802.15.4短程無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，整個(gè)系統采用模塊化，設計成本較低，可實(shí)現一對一或者一對多個(gè)節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)設備的通信與定位。無(wú)線(xiàn)定位系統對于提高物品的安全監測起到了重要的作用。

　　1 無(wú)線(xiàn)防盜系統設計

　　本文設計的無(wú)線(xiàn)防盜系統包括ZigBee終端節點(diǎn)、ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器(即報警主機)與PC三個(gè)部分組成，如圖1所示。終端節點(diǎn)由無(wú)線(xiàn)發(fā)射器CC2530模塊、3.7V鋰電源組成。報警主機由無(wú)線(xiàn)收發(fā)CC2530模塊、數據處理模塊組成。

　　如圖1所示，首先，總機向終端發(fā)送請求定位信息，然后，終端節點(diǎn)發(fā)射自身的RSSI值，最后，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器根據接收的RSSI值計算該節點(diǎn)的距離。網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器通過(guò)串口將終端節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )ID號，RSSI值和定位距離顯示在PC機上。

　　1.1 ZigBee定位系統結構

　　ZigBee是基于IEEE標準的802.15.4無(wú)線(xiàn)標準研制開(kāi)發(fā)的[2]。本系統采用ZigBee樹(shù)形結構，利用ZigBee的定位系統包括網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)、參考節點(diǎn)和定位節點(diǎn)[3]，如圖2所示。

　　網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)即無(wú)線(xiàn)定位系統的網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，由CC2530模塊和HFZ-SmartRF07EB組成，通過(guò)串行口RS232與PC相連。首先它接收監控軟件提供的各個(gè)參考節點(diǎn)和定位節點(diǎn)的配置數據，并發(fā)送給相應的節點(diǎn);其次，接收各個(gè)節點(diǎn)反饋的有效數據，并將其傳輸給監管軟件。

　　參考節點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)定位系統中已知坐標的靜態(tài)節點(diǎn)，是ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的路由器，由3.7V鋰電池與CC2530模塊組成。

　　定位節點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)定位系統中的移動(dòng)節點(diǎn)，由CC2530與電源模塊組成，它是ZigBee網(wǎng)絡(luò )的路由器。通過(guò)處理參考節點(diǎn)發(fā)送的信息包來(lái)計算自身的RSSI值。

　　1.1.1 RSSI測距原理

　　文獻[4]提出RSSI和無(wú)線(xiàn)信號傳輸距離之間有確定的關(guān)系。RSSI定位技術(shù)是根據信號強度在傳輸過(guò)程中的衰減程度來(lái)估算節點(diǎn)間的距離[5]。普遍采用的理論模型是Shadowing模型[6]，由式(1)給出：

　　(1)

　　式(1)中：d-接收端與發(fā)射端之間的距離(m);

　　d0-參考距離，一般取1m;

　　pr(d0)-參考距離d0點(diǎn)對應的接收信號功率(dBm);

　　n-路徑衰減指數，與環(huán)境有關(guān)的值，一般取2～4;

　　XdBm-平均值為0的高斯隨機變量，反應當距離一定時(shí)，接收信號功率的變化;

　　在本系統實(shí)際設計中，采用簡(jiǎn)化的Shadowing模型，由式(1)可得出RSSI測距公式(2)：

　　式(2)中A為信號傳輸1m遠時(shí)接收信號的功率(單位dBm)，d0=1m接收端與發(fā)送端之間的距離(單位m)。通過(guò)公式(2)算出發(fā)射節點(diǎn)與接收節點(diǎn)之間的距離d。

　　RSSI測距具有重復性和互換性，在應用環(huán)境下，RSSI的變化有規律可循。這在無(wú)線(xiàn)測距調試過(guò)程中起到了關(guān)鍵的作用。

　　1.1.2 統計均值模型

　　利用RSSI測距時(shí)，有三種處理RSSI數據的校正模型，分別為：統計均值模型、基于固定節點(diǎn)間距離的校正模型和高斯模型。

　　統計均值模型是指未知節點(diǎn)采集一組RSSI值，然后求出這些數據的均值，由式(3)給出：

　　可以通過(guò)調整m值來(lái)平衡精確性和實(shí)時(shí)性。m很大時(shí)，可有效地解決定位數據的隨機性，但提高了通信成本。

　　1.2 硬件設計

　　本系統選擇ZigBee作為無(wú)線(xiàn)通信平臺，利用TI公司的CC2530無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片完成固定節點(diǎn)與移動(dòng)節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信及RSSI的收集。CC2530芯片內部集成了2.4GHz的ZigBee射頻前端、模數轉換器、低功耗的8051內核MCU，集成IEEE 802.15.4標準MAC收發(fā)器[7]。

　　接收主機為固定節點(diǎn)。物品上事先安裝的為移動(dòng)節點(diǎn)，移動(dòng)節點(diǎn)的尺寸為5.8cm×5.8cm。固定節點(diǎn)從CC2530接收的MAC層讀出芯片寄存器RSSI—VAL的值。通過(guò)收集移動(dòng)節點(diǎn)RSSI值，設定輸入參數A(通常取-35dBm)與n(通常取3.5)，通過(guò)公式(1)(2)計算兩節點(diǎn)間的距離。定位估計算法需要3～8個(gè)參考節點(diǎn)，計算節點(diǎn)位置耗時(shí)少于40ms。在無(wú)障礙環(huán)境下，測距范圍為100m，定位偏差低于2.5m，從而完成定位測距功能。

　　1.3 軟件設計

　　固定節點(diǎn)(接收主機)的位置信息由程序先寫(xiě)入CC2530模塊，主機向移動(dòng)節點(diǎn)(丟失物品)發(fā)送請求定位信息，移動(dòng)節點(diǎn)收到定位請求后向主機回復一條消息，該消息中包含了計算距離所需的數據?；赯igBee的CC2530定位系統的流程。

　　為了提高定位精度，對接收的定位信息包的數量規定至少3個(gè)。RSSI值是通過(guò)讀取max_rx.c文件中的數組rxBuf的第1位，代碼如下：RSSI=rxBuf[0]。

　　此時(shí)的信號強度值是補碼形式，因此在讀取之前需要對其進(jìn)行補碼轉換，即temp=~(rspMsg[LOCATION_XY_RSSI_IDX]-1)，最后向串口送出定位結果。

　　2 實(shí)驗結果

　　本文設計了一種基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)防盜系統，通過(guò)串行口助手調試結果包括My name即被分配的網(wǎng)絡(luò )ID號(調試ID號每次都不一樣)、RSSI值與race距離。如圖4所示為本系統的定位測距結果75m。

　　上位機定位距離顯示界面如圖5所示，短地址為移動(dòng)節點(diǎn)請求加入ZigBee網(wǎng)絡(luò )后分配的ID號，通過(guò)接收的RSSI值計算得出定位距離。

　　實(shí)驗表明，該系統實(shí)現了預期的功能，具有低功耗、低成本、高速率等特點(diǎn)。

　　在后續的工作中，可以改進(jìn)RSSI的校正模型來(lái)提高定位精度和抗干擾能力。