基于WSN的小区自行车防盗系统的设计

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近年来,随着无线通信、微电子技术、传感器技术以及嵌入式计算等技术的不断进步,推动了低成本、低功耗的无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)的发展,促使WSN成为当今活跃的研究领域[1]。WSN由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者[2]。无线传感器网络在军事和民用领域都有广阔的应用前景。本文把WSN引入到小区的自行车防盗系统中,给出了一套基于WSN的小区自行车防盗系统的设计方案。为小区自行车的管理,尤其是防盗提供保障。

1 系统方案

居民小区通常规划在两幢居民楼中间或集中的一片区域停放自行车等两轮车辆。如图1所示,自行车通常被放置在指定车位中,为了加强对自行车的管理,本文引入WSN技术。防盗系统由信息采集和报警提示两部分组成。

(1)信息采集

首先,为每一辆自行车配备一块具有唯一ID的电子锁作为小区内自行车的标识。该电子锁具有WSN节点功能,可以检测是否断线、电池电量,同时具有无线通信能力,能够将检测到的信息以多跳方式向观测点发送。为便于收集信息,同时为观测者提供定位信息参考,在指定位置(如车棚、居民楼、路灯杆)部署汇节点,如图1的Sink装置所示。与传统WSN不同的是,汇节点的位置不是随机的,其部署要考虑到小区自行车停放区域的大小、小区的布局等因素。汇节点接收传感节点的信息,并转发给观测者。

(2)报警提示

观测站设置在值班室内,如图1所示。由运行于PC机上的监控软件管理WSN收集到的信息,监控软件能够显示自行车在小区中的大致位置,显示电子锁的电池电量,提示更换电子锁电池,提示电子锁暴力开启,提示自行车越界。

值班人员在得到监控系统的提示后,可以快速采取相应行动,避免自行车失窃。

2 系统硬件设计

小区自行车防盗系统硬件设计的核心是WSN节点设计。按照在系统中承担的任务划分,可将WSN节点划分成一般传感节点和Sink节点。但这两类节点只是在软件功能上存在差异,而硬件设计并无本质不同。

本文将电子锁和Sink节点划分成六大硬件模块,如图2所示,以微控制器为核心,扩展了无线通信模块、电源模块、断线检测模块、LED指示模块、电压采集模块、按键模块。


2.1 微控制器

本文选用ATmega128L作为主处理器。ATmega128L是基于AVR RISC结构的8 bit低功耗CMOS微处理器[3],数据吞吐率高达1 MIPS/MHz,可缓解系统在功耗和处理器之间的矛盾。芯片自带128 KB的可编程Flash,在本应用中无需外扩存储器。另外,ATmega128L有丰富的接口资源(如SPI、USART、TWI、ADC等),为本应用提供了重要支持。

2.2 无线通信模块

无线通信模块采用CC1000,它是根据Chipcon公司的SmartRF技术,在0.35 μm CMOS工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片[4]。其工作频带在315 MHz、868 MHz及915 MHz,但CC1000很容易通过编程使其工作在300 MHz~1 000 MHz范围内。它具有低电压(2.3 V~3.6 V)、极低的功耗、可编程输出功率(-20 dBm~10 dBm)、高灵敏度(一般-109 dBm)、小尺寸(TSSOP-28封装)、集成了位同步器等特点。其FSK数据率可达72.8 kb/s,具有250 Hz步长可编程频率能力,适用于跳频协议;主要工作参数能通过串行总线接口编程改变,使用非常灵活。

ATmega128L通过PCLK、PDATA、PALE三线数字串行接口来操作CC1000芯片,控制它的工作状态以及参数设置。DIO是CC1000与ATmega128L数据交换双向管脚,数据交换时钟始终由CC1000的DCLK提供,即CC1000总是处于主设备状态[5]。

2.3 断线报警模块

断线报警模块是电子锁的一个构成部分,其基本原理如图3所示,在警戒状态下,BG的基极偏置电压经警戒线S对地短路,BG不工作。如遇盗情,S被断开,BG立即得电工作,SCR导通,发光二极管点亮。微控制ATmega128L通过电压检测模块检测b、e两点的电压,判定电子锁状态。


2.4 其他模块

电源模块为ATmega128L、CC1000、断线报警模块供电。电压检测模块有两项功能:一是检测电源电压,以判定是否更换电池;二是检测断线报警模块b、e两点电压,以判定电子锁是否被暴力开启。LED指示模块用于指示WSN节点的运行状态,服务于调试。按键模块用于电子锁的密码设置、状态设置。

为了达到节能的目标,硬件设计除了考虑处理器的几种低功耗处理模式外,还设计了一个模拟开关,在电子锁处于非保护模式且开启时,该开关才能显露出来,供用户关闭电源,降低能耗。

3 系统软件设计


小区自行车防盗系统软件主要有两大部分:一是运行于WSN节点上的软件,二是运行于PC机上的监控软件。WSN节点软件即信息感知和通信协议,下面从网络拓扑、通信协议、监控软件三个方面论述。

3.1 网络拓扑

因为小区停放自行车的区域相对规整,自行车的摆放也会相对整齐,所以本文使用图4所示的簇形树状拓扑结构。将车棚区域划分成几个区,每个区形成一个簇,以Sink节点为簇首,电子锁节点和簇首节点形成星形网络,簇首采集到信息通过Sink节点依次转发到观测站的PC机,供监控软件分析处理。

电子锁和Sink节点的ID用16 bit二进制数表示,这是节点的唯一标识。电子锁和Sink节点的网络地址也用16 bit二进制数表示,可以分为簇首序号和节点序号两部分,各占8 bit,该网络地址是在组网阶段形成的。将网络地址分成簇首序号和节点序号的目的是过滤报文。节点在接收到一条报文后,将簇首序号和节点序号分别与自身网络地址匹配,如果不同可以直接删除报文,降低报文转发处理造成的能耗。

3.2 通信协议设计

小区自行车防盗系统中Sink节点的部署是固定的,而自行车何时摆放在车棚,摆放在哪个车棚,摆放在车棚的哪个位置是不确定的,即电子锁节点的进入是随机的。因此,通信协议[6]的运行分为两个阶段:主链网组网阶段和信息感知阶段。

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