基于无线传感网络的目标入侵监测系统设计

田军，董兴，韩卫洁，李晶璐

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安710064）

基于无线传感网络的目标入侵监测系统设计

田军，董兴，韩卫洁，李晶璐

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安710064）

针对我国广阔的领土及漫长的边防无法实现大范围有效、灵活、低投入的值守警戒，设计了一种基于无线传感网络的目标入侵监测系统。以满足恶劣环境下大范围、长时间，信息准确的无人值守需求。并进行了相应的实验验证，结果表明，该系统可靠性好，功耗低，可实现目标自动监测。

目标入侵监测；无线传感网络；STM32；ZigBee；AD7606

0 引言

我国地域辽阔，有着漫长的边防线，并与多国接壤。很多地带，地形复杂，气候多变，环境恶劣，人员难以值守。边防直接关系着国家安全与领土完整，为此，我国每年投入大量的人力、物力和财力，但仍远不能满足边防警戒需求。为此设计一种无线多传感器网络监测系统，此系统可通过人工布设，火炮发射或飞机空投等方式散布在所需地带，无需人为过多干预，便可自行监测是否有人员及车辆等目标入侵，并通过无线传输网络将信息及时准确地发送到基站[1⁃2]，具有使用灵活、反应灵敏、隐蔽性强、成本低、适应性强等优点。在保护国家边防安全方面具有重要的战略意义。同时该系统也非常适合国内某些需监控的广阔边远区域，或者地形复杂人员难以到达或长时间值守的区域。

1 系统组成及工作原理

该系统主要由STM32主控板、声音传感器模块、红外传感器模块、磁电传感器模块、震动传感器、指南针模块、震动信号调理电路、数据转换模块、数据传输模块等组成[3]，如图1所示。

图1 系统原理框图

此系统四类传感器中，声音、红外、磁电的传感器电路都已模块化，检测到的信号输出为高低电平，可直接与ARM芯片通信。震动传感器检测到人员或车辆对地面的震动信号为微弱的模拟电压信号，须经滤波放大电路与A/D转换电路处理后，才能输入STM32芯片进行处理。应用此系统进行目标监测，当有人员或车辆目标侵入到系统监测范围内时，各传感器根据自身特性分别同时进行检测，并将检测到的信号经过处理后输入主控芯片进行分析处理，最后经由ZigBee无线传输模块将处理后的有用信号发往监控主机，在上位机上实现识别、定

位、报警等显示。

2 系统硬件设计及分析

2.1 MCU主控单元

本设计以STM32F103ZET6为主控芯片，STM32系列以ARM Cortex⁃M3为核心，具有高性能、低成本、低功耗特点。STM32F103为其增强型，是同类产品中性能最高的产品。其优异的性能主要体现在以下几个方面：超低的价格；超多的外设；优异的实时性能；杰出的功耗控制。非常符合此系统所需的传输数据量大，处理速度快，实时性好等要求。

2.2 四类监测传感器的选择

声音传感器选择为驻极体麦克风，并集滤波放大、电压比较等电路为一体成为声音传感器模块，用于感应人员及车辆发出的声响并将感应到的信号转换为0或5 V高低电平。其感应距离可调，并根据声音强度的不同感应距离从几米到几千米变化。

红外传感器采用PIR热释电传感器并加菲涅尔透镜，可增加检测的灵敏度和准确性，灵敏度可调。此传感器用于检测入侵目标发出的红外光谱。检测距离由几米到几十米变化，检测角度为75°～90°。此设计选择四红外传感器模块分布在圆周上每90°位置，即可实现全方位360°的监测。

磁电传感器选用目前最先进的TMR隧道磁电阻传感器模块，可感应到含金属目标对磁场的扰动，车辆的检测距离为几米。

震动传感器选用CD⁃10DZ6型动圈磁电式传感器，灵敏度可达120 V/m/s，经由信号调理电路处理后，可很好地检测到30 m内的人员及车辆在地面行进的震动信号。

2.3 指南针模块及其工作原理

当目标入侵到监测区域时，红外传感器模块配合指南针模块即可迅速判断出目标所在方位，从而为后续的定位提供极大的便捷。此指南针模块选择GY⁃26电子指南针，其输入电压低、功耗小、体积小，适于集成。工作原理是通过磁传感器中两个相互垂直轴同时感应地球磁场的磁分量，从而得出方位角度。

2.4 震动信号调理电路的设计

由于人员及车辆行进引起的地震动信号很微弱，经过远距离传输信号会有很大的衰减，导致传感器输出的电压量很小，通常只有零点几到几毫伏，且容易被噪声淹没[4]。因此需要将信号滤波放大后再进行A/D转换。为此选用AD620仪用放大器，它具有高精度、低功耗及使用方便等优点[5]。设计的调理电路如图2所示。

电路前端的抗射频干扰电路有两种不同的带宽：差分带宽和共模带宽。

图2 震动信号调理电路

差分带宽定义为滤波器在电路两个输入端（即+IN和⁃IN）输入差分信号时的频率响应。该滤波器的-3 dB差分带宽为：

共模带宽定义为把共模射频信号加在两个相互连接的输入端与接地之间时的频率响应。-3 dB共模带宽为：

根据设计规则，取电阻R3=R4=2 kΩ，C3=C5=1 000 pF，C4=47 nF，计算得此滤波器差分带宽为838 Hz，而人员与车辆对地面产生的震动频率通常小于250 Hz，故满足要求。

在此基础上根据实验实际所需设计了双级AD620滤波放大电路。此滤波放大电路放大倍数及外接电阻值可由下式计算得出：

2.5 数据转换模块的选择

此系统采用AD7606数据转换模块，其为16位同步采样模数数据采集系统（DAS），8个采集通道，片上集成模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型ADC内核、数字滤波器、2.5 V基准电压源及缓冲、高速串行及并行接口。所有通道均能以高达200 KSPS的速率进行采样。符合系统监测大数据、高速采样特性。

2.6 数据传输模块的选择

根据本系统所要实现的无线自组网传感监测，考虑到在选择无线通信标准时应优先考虑其功耗、成本、体积及自组网特性，并结合各终端传感器的检测性能。主

要针对蓝牙、超宽无线通信及ZigBee技术等分析了目前无线自组网的通信技术，由于ZigBee无线通信标准支持低成本、易实现、可靠的数据传输及低功耗等特点，比较适合在恶劣环境下的无线传感器网络，因此选用ZigBee无线通信标准进行组网，并采用网状网络拓扑结构，传输距离可达50 m。在ZigBee协议栈中共有3种设备分别是协调器（COORDINATOR）、路由器（ROUTER）和终端节点（ENDDEVICE）。如图3所示。

图3 无线网状网络拓扑

在协议栈工程中，各个设备通过编译器选择。对应于上述的终端节点和路由节点监测系统又分为两种：终端节点监测系统和路由节点监测系统。上述各节点只与它的临近节点通信，终端节点只具有数据发送功能，路由节点兼具数据发送与转发功能。当其中一个路由节点产生故障，节点会寻找附近的路由节点重新加入网络，继续进行数据的转发[6⁃7]。协调器负责网络的管理和维护，并将所有数据通过串口发送给PC基站进行显示处理。

3 系统软件设计

无线传感网络协调器工作流程图与系统目标监测主程序流程图分别如图4，图5所示。

图4 无线传感网络协调器工作流程图

图5 无线传感网络监测系统节点主程序流程图

4 验证实验及结果分析

4.1 目标震动信号检测实验

本实验地点选在秦岭山上一处空旷地带，分别进行了一系列实验。系统对人员及车辆行进时产生的震动信号检测结果分别如图6，图7所示，从图中可看出，采样频率1 000 Hz，人和车对地面震动的信号差别非常明显，通过后续的算法即可准确识别出来[8]。

图6 人员脚步震动信号

图7 车辆行进震动信号

4.2 监测系统节点组网实验

在监测系统组网中，选择了4个节点分别相距10 m，以任意方位进行组网，结果表明系统能很好地组建起网络，并准确传输数据，节点组网如图8所示。

Design of invasion target monitoring system based on wireless sensor network

TIAN Jun，DONG Xing，HAN Wei⁃jie，LI Jing⁃lu
（Key Laboratory of Road Construction&Equipment of MOE，Chang’an University，Xi’an 710064，China）

An invasion target monitoring system based on wireless sensor network was designed to meet a long⁃time unat⁃tended needs and obtain accurate information in a wide range of bad environment，since China cannot achieve the effective，flexi⁃ble and low investment unattended alert in its vast territory and long border.A series experimental results shows that the system has properties of high reliability and low power consumption，and can achieve automatic monitoring.

invasion target monitoring；wireless sensor network；STM32；ZigBee；AD7606

TN92⁃34

A

1004⁃373X（2015）03⁃0023⁃03

2014⁃08⁃11