作者 時亮1,2 李凌云1 崔恒榮1 周濤1 1.中國科學院上海微系統與信息技術研究所(上海 200050) 2.中國科學院大學研究生院 (北京 100049)

摘要：現有基于GPS和GPRS的復合追蹤系統在接近目標后，缺乏在近距離對目標定向查找的有效手段，并且由于GPS和GPRS較高的工作電流，系統不能低功耗地實時監控目標的狀態。為更有效地保護文物，以JN5168無線微控制器為核心，設計了一種基于飛行時差測距和ZigBee網絡的防盜追蹤系統。實驗結果表明，飛行時差測距在不同環境條件下相對誤差低于9%。該系統可以實現動態監控、自動報警、精確定位和快速查找，體積小、功耗低、靈活性好，可在文物防盜、車輛追蹤、危險品運輸等領域推廣使用。

引言

　　文物作為歷史文化的載體，是研究古代社會的寶貴財富，具備極高的藝術、考古價值。但是，館藏文物的盜竊、文物運輸中的失竊等造成了文物的流失。現有的文物防盜系統主要采用視頻監控、紅外監控與人工巡查相結合的方式，監控實時性差、系統成本高、施工復雜^[1-3]。

　　ZigBee技術面向自動化和無線測控領域，靈活性好、功耗低，普遍應用于實現復雜的大范圍監測和跟蹤^[4-5]。將ZigBee技術應用于文物防盜系統中，可以實現對文物位置信息的無線實時監控，克服現有系統實時性差、功耗高的缺點^[6-7]。基于飛行時差測距原理的TOF(Time of Flight)測距是一種精度較高的近距離測距方法，可用于采集文物與參考節點之間的距離信息，從而判斷文物是否處于安全監控狀態。同時，在追蹤文物過程中，TOF測距作為接近目標后近距離定向查找的有效手段。本文將ZigBee技術和TOF測距相結合，設計并實現了一種基于無線傳感網絡的文物防盜追蹤系統。

1 系統總體設計

　　系統主要由傳感節點單元SNU(Sensor Node Unit)、協調節點單元CNU(Coordinator Node Unit)和遠程監控中心構成。文物防盜追蹤系統的結構圖如圖1所示。

　　SNU作為無線傳感網絡中的傳感節點，部署在待監控的文物上，負責采集距離數據，同時對數據進行分析處理。CNU作為網關節點，采用鏈狀樹形結構組網，一個CNU與多個SNU構成一個監控子網，經由ZigBee網絡和SNU通信，接收各節點的采集數據，并通過GPRS業務將數據發送到遠程監控中心。遠程監控中心將數據存入數據庫，通過對數據的處理分析，將數據實時顯示在各個終端上，供管理員查看和判斷監控區域是否有文物被盜。

2 系統硬件設計

　　2.1 SNU硬件設計

　　傳感節點單元SNU負責控制TOF測距傳感器工作，同時周期性地向CNU發送采集到的距離信息，并判斷文物是否處于安全監控距離內。當文物失竊后，立即向遠程監控中心發送報警信息，同時啟動GPS獲取被盜文物的位置坐標上報監控中心。SNU的硬件結構圖如圖2所示。

　　ZigBee無線通信模塊采用NXP公司的JN5168芯片，針對小型化、低功耗優化設計，兼容ZigBee PRO、JenNet-IP等無線通信協議，支持可編程時鐘速度和多種睡眠模式的低功耗操作。利用JN5168芯片內部集成的飛行時間引擎(Time of Flight engine)，實現兩節點間雙向TOF測距功能，滿足系統距離信息采集的需求。

　　GPS定位模塊采用u-blox公司的UBX-G7020-KT定位芯片。該芯片專為小型化、低功耗應用設計，芯片內嵌DC/DC變換器，采用智能電源管理技術，使其在低功耗或復雜信號條件下，仍能獲得穩定的定位性能。首次定位時間熱啟動時僅為1s，冷啟動時為25s。滿足系統低功耗和快速定位的需求。

　　2.2 CNU硬件設計

　　協調節點單元CNU作為無線傳感網的網關節點，一端接收SNU的采集信息，另一端通過GPRS網絡與遠程監控中心通信。在文物追蹤過程中，可移動的CNU配合手持定向天線，根據實時回傳的距離信息，作為接近目標后近距離快速查找的手段。CNU的硬件結構如圖3所示。

　　GPRS模塊采用SIMCom公司的SIM900模塊，可支持4頻GSM/GPRS，支持標準和增強AT指令，內嵌TCP/IP協議，通過UART口與JN5168實現串口通信。

3 系統軟件設計

　　3.1 SNU軟件設計

　　SNU作為采集節點，負責監控范圍內各個目標距離信息的采集，并將數據發送給CNU，同時接收來自CNU的控制指令。傳感節點單元SNU的軟件流程圖如圖4所示。

　　SNU上電后，首先對系統和通信協議棧初始化，然后掃描活動信道，通過向信道發送信標請求，申請加入網絡。經CNU接受請求后，成為該網絡的子節點。為節省功耗，SNU采用休眠/喚醒機制，當喚醒信號有效時，節點正常工作，收發數據、報警定位;若喚醒信號無效，則節點一直保持在低功耗休眠模式。

　　3.2 CNU軟件設計

　　協調節點單元CNU首先上電初始化，然后設置PAN ID和CNU的短地址，通過在各個通道進行能量掃描以獲得各個通道的能量級別，并挑選一個能量最低的空閑信道建立網絡。如果發現SNU請求加入網絡，則給該節點分配一個16位的短地址，作為其在網絡中的標識。如果有來自SNU的距離信息，則通過GPRS網絡發送至遠程監控中心。如果有來自監控中心的控制指令，則通過ZigBee網絡發送至SNU，采取相應的操作。協調節點單元CNU的軟件流程圖如圖5所示。

　　3.3 遠程監控中心軟件設計

　　遠程監控中心軟件采用美國NI公司的圖形化編程語言LabVIEW編寫。LabVIEW軟件集成了通用接口協議，具備數據采集卡通信的功能。內置兼容TCP/IP、Active X等軟件標準的庫函數，是一種標準的數據采集和儀器控制軟件。監控中心軟件采用TCP/IP協議實現上位機與協調節點單元CNU之間的通信。管理員可以通過軟件實時監控各傳感節點單元SNU的距離信息，判斷是否存在文物失竊。同時還可根據節點失竊報警和節點位置信息迅速確定失竊文物的位置，并制定相應的追查策略。

4 測試結果與分析

　　為驗證TOF測距在文物防盜追蹤系統中的性能，將1個CNU和4個SNU組網，選取文物在監控和失竊情況下的典型場景，對TOF測距進行測試，結果如表1所示。其中測量值由JN5168獲得，實際值由激光測距儀測得，每組測量值均經過10次雙向TOF測距取平均以減小隨機誤差。

　　從測試結果可以看出，TOF測距是一種精度較高的近距離測距方法，不同測試環境對應不同的相對誤差，這主要與射頻信號的傳播路徑有關。在空曠無遮擋環境下，相對誤差可以降至5%以下。然而在樓頂受小區基站信號的影響、在樓上樓下受天線波束俯仰角的限制以及在馬路兩邊受來往車輛的隨機遮擋效應，這些都會降低測距精度，但整體的相對誤差仍然低于9%。ZigBee通信在100m之內網絡丟包率較低，通信質量良好，系統工作穩定，實時監控數據準確，達到系統設計要求。

5 結論

　　本文設計并實現了一種基于ZigBee的文物防盜追蹤系統，提出了一種使用TOF測距對目標進行近距離定向查找的方法，彌補GPS在接近目標后，近距離查找手段的不足。經實驗驗證，本系統實現了文物實時監控、失竊自動報警、精確定位上報、快速定向查找的功能。體積小、功耗低、靈活性好，提高了文物防盜和追蹤的效率，具備良好的經濟效益。除了文物防盜外，該系統也可應用在車輛追蹤、物流倉儲、危險品或貴重物品運輸等多個領域，應用前景廣闊。

參考文獻：

　　[1]張健,李應軍.高精度變形監測預警系統在明顯陵遺址保護中的應用研究[J].文物保護與考古科學,2015,27(1):21-28.

　　[2]萬云霞,龐鑠,付群健,等.智能防盜車鎖跟蹤系統設計[J].傳感器與微系統,2016,35(5):100-103.

　　[3]王麗,秦正兵.無線防盜系統的開發與設計[J].電子產品世界,2014,21(10):48-50.

　　[4]侯艷波,秦會斌,胡建人,等.基于嵌入式和ZigBee技術的節能系統的設計與實現[J].電子器件,2012,35(6): 670-673.

　　[5]劉柱,劉文軍,易浩勇.基于ZigBee無線傳感網的高壓電纜接頭溫度監測系統[J].儀表技術與傳感器,2011,(12):64-66.

　　[6]常華偉,王福豹,嚴國強,等.無線傳感器網絡的TOF測距方法研究[J].現代電子技術,2011,34(1):35-38.

　　[7]黃戰華,王吉虎.基于TOF的海潮高度在線測量系統設計[J].傳感技術學報,2011,(12):64-66.

本文來源于《電子產品世界》2017年第2期第30頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。