基于MMA7260的标签式防盗报警器设计

许 驰，李新春

（辽宁工程技术大学 电子与信息工程学院，辽宁 葫芦岛125105）

随着科技的进步，人们的防盗意识逐步提高，对贵重物品防盗报警的准确性和及时性提出了更高的要求。目前常见的报警方式有现场报警、语音报警、以太网报警、无线网络报警等。其中，前两种方式都需要目击者现场进行，缺少无人值守功能并存在人身威胁；以太网报警则存在布线复杂且易被切断的隐患。针对以上不足，本文设计了一种基于物联网IoT(Internet of Things)技术的智能防盗报警器，该报警器能够实时监测物品的状态信息，信息到达报警中心后进行阈值比较，使用AT命令触发TC35i进行短信报警。报警器具有标签式特征，可以大量地进行分布式放置,实现对监控区域内贵重物品的无缝覆盖。

1 系统总体结构和功能

根据参考文献[1]定义的物联网四层结构，系统采用ZigBee无线传感器网络作为感知识别层，GSM/GPRS移动通信网络作为网络构建层，用户的手机终端作为管理和应用层，系统总体结构如图1所示。

ZigBee无线传感器网络可根据室内环境特点采用星状网络即可，它具有点到点通信的特点，各传感器节点只能和网络中唯一的协调器进行通信，不受其他节点干扰。同时，星状网络无需复杂路由算法，可以有效减少功耗、降低成本。系统分别将传感器节点、协调器节点定义为监控终端和报警中心。而采用一个报警中心是为了减小终端体积，保证其标签式特性，同时降低系统成本和功耗。监控终端的功能主要是采集模拟加速度量、A/D转换和无线发送，而监测区域内固定的报警中心则负责汇聚来自终端的状态数据。数据经过阈值比较，可判定物品是否受力而动。对于超出安全阈值的数据，通过向GSM模块发送AT指令进行短信报警。用户只需通过移动终端就可以及时准确地了解物品的安全状况。

2 硬件设计

2.1 MMA7260传感器

监控终端采用Freescale公司的MMA7260加速度传感器作为数据采集单元，分别检测物品的移动和振动两种状态。MMA7260是一款高性价比的三轴模拟加速度传感器，其测量原理的本质是通过改变其内部的2片平板电容的间距来改变其电容，进而改变输出电压。图2所示为其内部结构图，G-Cell传感单元采集空间中相互垂直的3个方向X、Y、Z轴上的加速度，经过容压变换、增益放大、滤波和温度补偿后以电压信号输出[2]。输出的模拟信号与其敏感轴方向上所受的加速度大小成线性关系，故通过其加速度量的变化可以判断物品的移动或振动。

2.2 MMA7260和CC2530接口电路设计

CC2530是TI公司最新推出的一款真正用于IEEE802.15.4、ZigBee和 RF4CE应用的片上系统（SoC），它沿用了CC2430的芯片架构，只需很少的外围电路即可构建ZigBee节点。其必备的外围电路包括电源电路、晶振电路、复位电路以及射频收发电路等，具体芯片电路可参见参考文献[3]。CC2530内部集成了低功耗的8051微控制器内核和8路可配置分辨率的12 bit ADC，故将模拟信号送入CC2530的ADC进行转换即可输出数字信号。接口电路如图3所示。

图3中，g-Select1和g-Select2用于加速度传感器的灵敏度选择，可以分别实现1.5 g、2 g、4 g和 6 g量程，直接与CC2530的GPIO相连即可。这里，给g-Select1和g-Select2均加低电平，选用1.5 g量程，使传感器灵敏度达到800 mV/g的最高值，就可以检测物品的轻微动作。CC2530的P0作为8路A/D输入时,需配置ADCCFG寄存器为 0x07， 即选择 P0_0、P0_1、P0_2分别作为 XOUT、YOUT、ZOUT的A/D输入引脚。此时，MMA7260输出的模拟量就可以通过CC2530转换为数字量了。

报警器电源选用市面上常见的纽扣式锂电池供电，MMA7260和CC2530的标准供电电压均为3.3 V。其中，加速度传感器可以通过SleepMode引脚选择休眠和工作2种状态，休眠时的电流为3 μA；CC2530则提供了 4种供电模式，其在睡眠和中断情况下的电流分别为1 μA、4 μA,在射频收发状态下也仅为 24 mA、29 mA。故报警器可以满足低功耗需求,采用锂电池供电可以达到半年以上。

2.3 GSM通信接口设计

系统的报警中心接有GSM短信报警单元，选用德国Siemens公司的TC35i模块。这是一款支持中文短信的工业级GSM模块，采用3.3～4.8 V电源供电，休眠状态下的电流损耗为3.5 mA,发射状态下的平均电流为300 mA，峰值可达2.5 A，故报警中心采用直流稳压电源供电，确保网关节点的持久供电，维护网络的稳定。

TC35i模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块、闪存、ZIF连接器、天线接口 6部分组成[4]。模块共 40引脚，通过零阻力插座（ZIF）连接器引出并与SIM卡、CC2530连接实现数据通信；其数据输入输出接口实际上是一个串行异步收发器，RTS0/CTS0用于硬件握手，RxD0/TxD0用于串口通信，引脚输入输出均为正逻辑电平TTL2.9 V,将其分别连接到CC2530的GPIO即可实现串口数据的收发。

2.4 硬件电路板设计

报警器硬件设计的关键在于保证其标签式特性，即在准确安全的前提下尽量缩小系统的体积；而射频电路设计的关键在于避免和减少器件间的干扰。CC2530是相对比较敏感的芯片，其底部必须有效接地，如需通过过孔接地，应尽可能接近芯片管脚。另外，电源部分的滤波电路设计也是重要环节。为了保证电源信号稳定，滤除电源噪声,在电源输入端可放置 10 μF和100 nF 2个退耦滤波电容;这些滤波电容应尽量靠近电源管脚放置，且接地端也应尽可能通过过孔可靠接地[5]。

天线设计采用倒F型的微带天线，直接印刷在PCB板上，能够保证电路板的紧凑性，并降低成本。根据官方手册，选用PCB天线能够满足所有的TI射频收发器件，其最大增益为+3.3 dB,所需最大尺寸仅为25.7 mm×7.5 mm。为了达到较好的射频信号性能，在PCB电路布局过程中，应该给天线留出足够的空间，以便能够有效收发信号，降低干扰。

3 软件设计

3.1 网络建立和系统流程

ZigBee网络的建立关系到整个WSN系统的数据传输和防盗报警的及时性及准确性。系统的软件是在IAR Embedded Workbench 7.51A集成开发环境下开发，完成系统软件ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0协议栈的修改。ZigBee星状网络，主要实现协调器网络建立，终端入网的修改。协调器启动后，首先扫描信道，确定是否已经有网络存在，如已存在，则作为终端加入网络；反之，自行建网。网络的建立是通过协调器的网络层函数NLME_NetworkFormationRequest（）启动，并通过 zb_Allow-Bind（）函数开放绑定。终端启动后，扫描信道，发现网络后，发出绑定请求zb_BindDevice（）。协调器随即建立绑定表并响应绑定请求。当绑定成功后，节点间便开始点到点的数据传输。后续节点的入网执行相同的步骤,协调器不断更新绑定表，并为终端分配网络地址。整个系统的执行流程如图4所示。

3.2 监控终端程序设计

监控终端主要负责采集加速度信息，并进行A/D转换，输出数字信号。主要包括初始化MMA7260、数据采集，A/D转换及数据传输等部分。在A/D转换过程中，需要注意配置ADCCFG、ADCCON1、ADCCON3等寄存器。其程序如下：

传感器采集的加速度数据经过A/D转换和相应的数据处理后，可以通过串口工具SComAssistant直观地显示在PC端，便于观察数据的变化并确定阈值范围。图5和图6分别是监控终端正置和倒置时的空间示意及相应的采集数据。

通过对2组数据的对比可以发现，当终端正置时，X、Y、Z轴方向上的数据均未超过520，而倒置时，X、Y、Z轴方向上的数据也均未超过740。2组数据可分别用于确定终端正置和倒置的置信区间,如超出此范围，则可认定物体发生移动，存在风险。以此类推，还可以确定终端在空间中横放、竖放等多种方式下的安全置信区间，达到对监控物品的全方位监控。

3.3 短信报警程序

GSM模块的初始化由协调器MCU向其发送AT命令完成，包括设置串口波特率（AT+IPR=9 600）、短信服务中心（AT+CSCA=“+8613800429500”）、 无线网络登录模式、短消息模式等。在设置短消息模式时，AT+CMGF=0表示PDU模式，AT+CMGF=1表示TEXT模式。TEXT模式只能传送数字和字母，而PDU模式可以进行中文字符发送，故报警中心选择PDU模式。PDU模式有3种编码方式，分别是7-bit编码、8-bit编码和 UCS2编码，本文选择UCS2编码（即中文Unicode）。其编码方式比较简单，只需将要发送的字符转换成由数字和字母组成的4 bit字符串即可[4]。例如要报警的短信内容为“物品移动”，其对应的 Unicode码为“7269 54C1 79FB 52A8”。 然后使用短信发送命令 AT+CMGS=“+8613*********”即可向指定手机发送报警信息。当然，报警中心也可以设置多个短信接收中心，实现对多人的同时报警。

报警器经过实验测试，能够达到对物品轻微移动或振动的准确报警，为物联网推广环境下的防盗报警装置提供了新的设计思路，为人们的财产安全提供了更高的保障。但是，如何提高制板工艺，进一步减小报警器的体积和功耗，以及如何更好地抵抗可能存在的其他2.4 GHz频段射频信号的干扰是下一步研究的重点，也是进一步改善系统的关键。

[1]刘云浩.物联网导论[M].北京：科学出版社，2011.

[2]Freescale Semiconductor.MMA7260Q DataSheet[EB/OL](2005-04-01).http://www.freescale.com/.

[3]Texas Instruments.CC2530 Data Sheet[EB/OL](2010-10-05)http://www.ti.com/.

[4]朱国忠，雷声，潘敏，等.基于加速度传感器的保险箱报警系统设计[J].电子技术应用 2011,37(1)：102-121.

[5]宁炳武，刘军民.基于 CC2430的ZigBee网络节点设计[J]. 电子技术应用,2008，34(3)：95-99.