作者 时亮1,2 李凌云1 崔恒荣1 周涛1 1.中国科学院上海微体系与信息技能研讨所(上海 200050) 2.中国科学院大学研讨生院 (北京 100049)
摘要：现有依据GPS和GPRS的复合追寻体系在挨近方针后，缺少在近间隔对方针定向查找的有用手法，而且因为GPS和GPRS较高的作业电流，体系不能低功耗地实时监控方针的状况。为更有用地维护文物，以JN5168无线微操控器为中心，规划了一种依据飞翔时差测距和ZigBee网络的防盗追寻体系。试验成果表明，飞翔时差测距在不同环境条件下相对误差低于9%。该体系能够完成动态监控、主动报警、准确认位和快速查找，体积小、功耗低、灵活性好，可在文物防盗、车辆追寻、危险品运送等范畴推行运用。
导言
文物作为历史文化的载体，是研讨古代社会的宝贵财富，具有极高的艺术、考古价值。可是，收藏文物的偷盗、文物运送中的失窃等造成了文物的丢失。现有的文物防盗体系首要选用视频监控、红外监控与人工巡查相结合的办法，监控实时性差、体系本钱高、施工杂乱[1-3]。
ZigBee技能面向主动化和无线测控范畴，灵活性好、功耗低，遍及运用于完成杂乱的大范围监测和盯梢[4-5]。将ZigBee技能运用于文物防盗体系中，能够完成对文物方位信息的无线实时监控，战胜现有体系实时性差、功耗高的缺陷[6-7]。依据飞翔时差测距原理的TOF(Time of Flight)测距是一种精度较高的近间隔测距办法，可用于收集文物与参阅节点之间的间隔信息，然后判别文物是否处于安全监控状况。一起，在追寻文物过程中，TOF测距作为挨近方针后近间隔定向查找的有用手法。本文将ZigBee技能和TOF测距相结合，规划并完成了一种依据无线传感网络的文物防盗追寻体系。
1 体系总体规划
体系首要由传感节点单元SNU(Sensor Node Unit)、和谐节点单元CNU(Coordinator Node Unit)和长途监控中心构成。文物防盗追寻体系的结构图如图1所示。
SNU作为无线传感网络中的传感节点，布置在待监控的文物上，担任收集间隔数据，一起对数据进行剖析处理。CNU作为网关节点，选用链状树形结构组网，一个CNU与多个SNU构成一个监控子网，经由ZigBee网络和SNU通讯，接纳各节点的收集数据，并通过GPRS事务将数据发送到长途监控中心。长途监控中心将数据存入数据库，通过对数据的处理剖析，将数据实时显现在各个终端上，供办理员检查和判别监控区域是否有文物被盗。
2 体系硬件规划
2.1 SNU硬件规划
传感节点单元SNU担任操控TOF测距传感器作业，一起周期性地向CNU发送收集到的间隔信息，并判别文物是否处于安全监控间隔内。当文物失窃后，当即向长途监控中心发送报警信息，一起发动GPS获取被盗文物的方位坐标上报监控中心。SNU的硬件结构图如图2所示。
ZigBee无线通讯模块选用NXP公司的JN5168芯片，针对小型化、低功耗优化规划，兼容ZigBee PRO、JenNet-IP等无线通讯协议，支撑可编程时钟速度和多种睡觉形式的低功耗操作。运用JN5168芯片内部集成的飞翔时刻引擎(Time of Flight engine)，完成两节点间双向TOF测距功用，满意体系间隔信息收集的需求。
GPS定位模块选用u-blox公司的UBX-G7020-KT定位芯片。该芯片专为小型化、低功耗运用规划，芯片内嵌DC/DC变换器，选用智能电源办理技能，使其在低功耗或杂乱信号条件下，仍能取得安稳的定位功用。初次定位时刻热发动时仅为1s，冷发动时为25s。满意体系低功耗和快速定位的需求。
2.2 CNU硬件规划
和谐节点单元CNU作为无线传感网的网关节点，一端接纳SNU的收集信息，另一端通过GPRS网络与长途监控中心通讯。在文物追寻过程中，可移动的CNU合作手持定向天线，依据实时回传的间隔信息，作为挨近方针后近间隔快速查找的手法。CNU的硬件结构如图3所示。
GPRS模块选用SIMCom公司的SIM900模块，可支撑4频GSM/GPRS，支撑规范和增强AT指令，内嵌TCP/IP协议，通过UART口与JN5168完成串口通讯。
3 体系软件规划
3.1 SNU软件规划
SNU作为收集节点，担任监控范围内各个方针间隔信息的收集，并将数据发送给CNU，一起接纳来自CNU的操控指令。传感节点单元SNU的软件流程图如图4所示。
SNU上电后，首要对体系和通讯协议栈初始化，然后扫描活动信道，通过向信道发送信标恳求，申请参加网络。经CNU承受恳求后，成为该网络的子节点。为节约功耗，SNU选用休眠/唤醒机制，当唤醒信号有用时，节点正常作业，收发数据、报警定位;若唤醒信号无效，则节点一向保持在低功耗休眠形式。
3.2 CNU软件规划
和谐节点单元CNU首要上电初始化，然后设置PAN ID和CNU的短地址，通过在各个通道进行能量扫描以取得各个通道的能量等级，并选择一个能量最低的闲暇信道树立网络。假如发现SNU恳求参加网络，则给该节点分配一个16位的短地址，作为其在网络中的标识。假如有来自SNU的间隔信息，则通过GPRS网络发送至长途监控中心。假如有来自监控中心的操控指令，则通过ZigBee网络发送至SNU，采纳相应的操作。和谐节点单元CNU的软件流程图如图5所示。
3.3 长途监控中心软件规划
长途监控中心软件选用美国NI公司的图形化编程言语LabVIEW编写。LabVIEW软件集成了通用接口协议，具有数据收集卡通讯的功用。内置兼容TCP/IP、Active X等软件规范的库函数，是一种规范的数据收集和仪器操控软件。监控中心软件选用TCP/IP协议完成上位机与和谐节点单元CNU之间的通讯。办理员能够通过软件实时监控各传感节点单元SNU的间隔信息，判别是否存在文物失窃。一起还可依据节点失窃报警和节点方位信息敏捷确认失窃文物的方位，并拟定相应的清查战略。
4 测验成果与剖析
为验证TOF测距在文物防盗追寻体系中的功用，将1个CNU和4个SNU组网，选取文物在监控和失窃情况下的典型场景，对TOF测距进行测验，成果如表1所示。其间丈量值由JN5168取得，实践值由激光测距仪测得，每组丈量值均通过10次双向TOF测距取平均以减小随机误差。
从测验成果能够看出，TOF测距是一种精度较高的近间隔测距办法，不同测验环境对应不同的相对误差，这首要与射频信号的传达途径有关。在空阔无遮挡环境下，相对误差能够降至5%以下。然而在楼顶受小区基站信号的影响、在楼上楼下受天线波束俯仰角的约束以及在马路两头受交游车辆的随机遮挡效应，这些都会下降测距精度，但全体的相对误差依然低于9%。ZigBee通讯在100m之内网络丢包率较低，通讯质量杰出，体系作业安稳，实时监控数据准确，到达体系规划要求。
5 定论
本文规划并完成了一种依据ZigBee的文物防盗追寻体系，提出了一种运用TOF测距对方针进行近间隔定向查找的办法，补偿GPS在挨近方针后，近间隔查找手法的缺乏。经试验验证，本体系完成了文物实时监控、失窃主动报警、准确认位上报、快速定向查找的功用。体积小、功耗低、灵活性好，提高了文物防盗和追寻的功率，具有杰出的经济效益。除了文物防盗外，该体系也可运用在车辆追寻、物流仓储、危险品或贵重物品运送等多个范畴，运用远景宽广。
参阅文献：
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本文来源于《电子产品世界》2017年第2期第30页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
