基于无线传感器网络的智能小区监控系统设计

2011-02-19王永杰杨小平

制造业自动化 2011年2期

王永杰，杨小平

WANG Yong-jie，YANG Xiao-ping

（桂林理工大学信息科学与工程学院，桂林 541004）

0 引言

随着社会经济的发展，人们的生活越来越好。人们在追求舒适生活环境的同时，更为关注的还是小区的安全保卫情况。给人们生命和财产带来最大的威胁包括两大方面，一方面是由人引起的破坏（如盗窃、抢劫等），另一方面是自然灾害引起的破坏（如火灾、煤气泄漏等）[1]。目前小区安保的科技手段一般是监控系统、报警系统和门禁系统，它们都是有线通信，这就使得一些不便于布线的区域成为监控的盲区，特别是在这些盲区的火灾和煤气泄漏更不易被及早发现。随着无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）的出现，此有线通信的盲区问题有望得到解决，防患于未然，减少经济损失与人体伤亡。

本文把无线传感器网络引入小区安保系统，以提高小区安全防范系统的整体性能，主要用来监测自然灾害引起的破坏，如采用气体传感器能有效的监测是否有煤气泄漏，并产生报警信号；火灾的检测则采用烟雾传感器。

1 硬件设计

无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量微型传感器节点组成的，通过无线通信方式形成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。无线传感器网络技术在美国商业周刊和MIT技术评论的预测未来技术发展报告中，分别被列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。

传感器节点是无线传感器网络的基本组成单位。它由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四个部分组成。由于传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，并通过携带能量有限的电池供电。本文依据传感器节点的这些特点，设计了一种用于小区安保监测的以芯片CC2430为核心的无线传感器网络节点。

基于Zigbee标准的产品CC2430是一颗真正的系统芯片（SoC）CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM及强大的外围模块，并且有3种不同的版本，他们是根据不同的闪存空间32、64和128kByte来优化复杂度与成本的组合。

1.1 无线传感器网络节点的体系结构

无线传感器网络的节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。处理器模块和无线通信模块采用CC2430芯片，大大简化了射频电路的设计。传感器模块采用气体和烟雾传感器。

本系统有分布式传感器节点、接收和发送器互联网以及用户接口组成，系统框图如图1所示。传感器节点是网络的基本单元，随机分布的传感器节点测量检测区域中的信号，利用自带的处理器对感知数据进行初级处理，由于节点功率的限制，其传递距离有限，节点会寻找邻近的节点作为传输中继，将相关信息通过多跳中继发送到网关节点（Sink）。网关节点是一种特殊节点，拥有相对较强的处理器和较大的存储空间，具有更大的处理能力和发送范围。

图1 无线传感器节点体系结构

其传感器节点可以有针对性的预先布置，因而具有相对固定的网络拓扑结构。各种灾情表现出来的一些特征，利用不同类型的传感器可以敏感地感知，并产生相应的传感器输出信号。从信号处理角度分析，传感器输出信号可以近似地看作是一个非平稳随机过程，利用信号检测和处理方法并结合信号的特性可以有效地检测出灾情信号。

1.2 硬件电路的设计

CC2430是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统。CC2430只需要很少的外接元件就可以运行，其内部已集成了大量必要的电路，因此采用较少的外围电路即能实现信号的收发功能。图2为CC2430基本电路设计[3]。

图2 CC2430基本电路

图2中C1，C2为22pF的电容，连接32 MHz的晶振电路，此石英晶振用于正常工作使用。C3，C4为15 pF的电容，连接32.768 kHz的晶振电路，此石英晶振用于休眠时工作，从而降低功耗。C5=O.1μF，用于去除一些杂波干扰，防止单片机错误复位。C6～C8分别为100 nF，220n F，220 nF，用作滤波，去除杂波干扰使电压更稳定。C9=5.6 pF，电路中非平衡变压器由电容C9和电感L1，L2，L3以及一个PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻（50Ω）的要求，L1，L2，L3分别为8.2 nH，22 nH，1.8 nH。C10，C11，C12，C13，C14为去耦合电容，用于电源滤波，以提高芯片工作的稳定性。偏置电阻器R1，R2分别为43kΩ，56kΩ，R1用于为32 MHz晶体振荡器设置精密偏置电流。

2 软件设计

软件部分需要解决的问题包括：气体及烟雾信号采集，Zigbee协议栈、Zigbee通信等。气体及烟雾信号的采集可由CC2430内部的MCU完成。传感器节点程序流程图如图3所示[2]。

本小区自然灾害监控系统中,监测数据与控制命令在无线传感节点、无线路由节点、无线网关和监控中心之间传送。传感节点打开电源,初始化、建立链接后进入休眠状态。当无线网关接到中断请求时触发中断,经过路由节点激活传感节点,发送或接收信息包,处理完毕后继续进入休眠状态,等待有请求时再次激活。在同一个信道中只有两个节点可以通信,通过竞争机制来获取信道。每个节点周期性睡眠和监听信道,如果信道空闲则主动抢占信道,如果信道繁忙则根据退避算法退避一段时间后重新监听信道状态。在程序设计中主要采集中断的方法完成信息的接收和发送。