基于WSN的低功耗门磁防盗技术的实现

郑雅伟

(山西经济管理干部学院，山西 太原 030024)

1 技术背景

在智能家居生态系统中，智能安防是重要的组成部分。智能安防通常包括智能入侵检测，智能门磁，智能燃气检测，智能视频监控等。

智能门磁技术，通常是指安装在门、窗等入室通道位置，通过一定的传感技术，可以准确检测到门、窗等的开关状态。门窗的开关状态，会由门磁元件转换为电信号，经过一定的信号处理电路，开关状态被传送至MCU，MCU在获取到开关信号后，一方面可以触发本地报警器，另一方面，可以将信号传送至智能家居系统网络。门磁是生活中常用的安全保护和报警的装置，主要是用来检测门、窗、抽屉、柜子等是否非法打开或移动的情况。门磁广泛应用于城市安防、银行、电信、电力、小区、工厂、学校、公司、家庭、仓库等众多需门窗防护的地方。

智能家居系统网络是一种可以将一定范围内的各种传感器组实现互联的现代化局域通信网。现代智能家居系统网络经过多年的发展，通常具有无线接入、功耗极低、组网及组织灵活、动态拓扑结构、应用相关、规模大、高冗余、空间位置寻址等特点。本设计中的软硬件设计以低功耗、无线接入、组网灵活、动态拓扑为原则，采用了两种方案的门磁信号采集方式，低功耗硬件电路、无线传感器网络(WSN)[1]技术，构建了一套完整的数据采集、传输、处理的信号链。

2 门磁信号采集

门磁开关主要由能产生恒定磁场的磁铁和门磁开关两部分组成(如图1所示)。门磁开关的主要作用就是当这两部分分开到一定的距离后，门磁开关会触发一个电信号，并通过连接线将此信号发送报警系统中，然后由报警系统鸣响报警，并同时拨打系统预设的报警电话。由于门磁安装比较隐蔽，一般很难发现，所以通常能起到较好的防护措施，因此在实际应用中比较受欢迎。

图1 门磁开关应用场景

2.1 基于干簧管的门磁信号采集

门磁信号采集的核心元件是干簧管，如图2所示。在无磁场作用时，玻璃管中的两个簧片是分开的。当有磁性物质靠近玻璃管时，在磁场磁力线的作用下，管内的两个簧片被磁化而互相吸引接触，使两个引脚所接的电路连通。外磁力消失后，两个簧片由于本身的弹性而分开，线路也就断开了。所以，干簧管相当于一个磁力继电器，可以将磁铁和干簧管分别安装在门框和门体上，当门关闭时，干簧管接通，反之则断开，利用干簧管的这个特性，可以采集到门、窗的开关状态信号。

图2 干簧管内部原理图

2.2 基于霍尔开关的门磁信号采集

新型的门磁开关的内部有一个霍尔元件(如图3所示)，霍尔元件属于磁敏元件，其原理是霍尔效应，即霍尔传感器能感应磁场的变化并产生与磁场大小成比例的电势差，称为霍尔电压。在门窗处于关闭的状态时，由于此时磁场最强，因此霍尔电压最大。而当门窗被打开，磁铁的磁场方向不再正对霍尔传感器及距离的原因，导致霍尔电压减小甚至为零。通过对霍尔电压大小变化范围进行设定，就能起到对门窗状态检测作用，从而达到安防报警的目的。

图3 霍尔开关内部原理图

3 门磁开关信号的MCU处理

开关信号被门磁开关采集到以后，通常需要传递到远程计算机进行相关报警处理。采集数据所用的主控制器为德州仪器(TI)公司的SOC片上系统CC2530。

CC2530的内核为工业标准增强型8051，内部集成了可编程flash及8KB空间RAM，可以满足大部分传感器节点的数据采集及处理。CC2530最大的特色是其内部集成了2.4G射频RF收发器，符合IEEE 802.15.4标准,可以为无线传感器网络(WSN)ZigBee提供完美的物理层终端传输介质。在ZigBee软件协议栈的支持下，只需要简单的外围电路，就可以实现完整的ZigBee终端节点的设计。

终端节点的软件设计，就是基于CC2530的ZigBee协议栈的移植及应用开发。本设计中，采用了TI公司的Z-Stack协议栈，Z-Stack协议栈实现了ZigBee协议体系中的网络层(NWK)、应用程序支持子层(APS)、应用层(APL)，Z-Stack协议栈包含一个多任务调度机制，门磁开关检测的任务可以作为一个用户任务参与多任务的调度。物理层(PHY)、MAC层则由CC2530实现。软件的设计主要分为三部分：外设硬件初始化、Z-Stack协议栈初始化、任务调度启动。具体实现如图4所示。

图4 软件流程图

4 无线传感器网络的组建

4.1 网络拓扑结构的设计

本设计属于智能家居设计的组成部分，所以需要首先将门磁开关采集节点与其他传感器节点以及ZigBee网关(协调器)进行组网。如图5为ZigBee网络在智能家居中的拓扑结构，其中C为ZigBee协调器，是整个网络的父节点，主要功能是管理和维护整个网络的正常运行，以及网络与外界的通信对接。R为ZigBee路由器，主要功能是为其他各个节点提供中继服务。E为ZigBee终端节点，主要功能是搭载各种传感器或数据采集设备，是整个网络数据的来源。门磁开关终端节点作为ZigBee终端节点之一，通过组网，可以将开关信号经过WSN网络之后，传输到远程服务器进行数据处理。

ZigBee组网有一个很大的特点是分布与自组织。新的终端节点在加入网络的时候，只要能和距离自身最近的节点形成通信，即可完成自行组网，无需对协调器、网关或其他终端节点进行配置，网络中的节点列表即可自动更新。在某个节点离开网络时，亦无需对整个网络进行配置，整个网络具有很强的自愈性。

图5 ZigBee网络拓扑结构

4.2 智能网关设计

在ZigBee无线传感器网络中，智能网关即为ZigBee协调器。ZigBee协调器管理整个ZigBee网络的组建、ZigBee终端节点采集数据的汇总、ZigBee网络与外界的网络协议的转换，是整个网络的重要组成部分。

5 低功耗电源设计

智能家居产品的特点是拆装灵活，从根本上需要避免信号及电源的布线。所以在应用中多数采用可充电锂电池供电，保证用户充电灵活，移动方便；在电源电路设计中，需要采用低功耗线性稳压器LDO以及智能充电电路[2]。

TPS706是一款专为低功耗设计的线性LDO电源管理芯片，其静态电流IQ只有1μA，TPS706-33可以输出3.3V电压，最高输出电流为150mA，为CC2530及门磁开关提供电源。

本设计采用的锂电池充电方案采用了TP4056X芯片充电IC，TP4056X是一款完整的单节锂离子电池，采用恒定电流/恒定电压线性充电器，带电池正负极反接保护、输入电源正负极反接保护。其底部带有散热片的ESOP8/EMSOP8封装与较少的外部元件数目使得TP4056X成为便携式应用的理想选择。TP4056X可以适合USB电源和适配器电源工作。

由于采用了内部PMOSFET架构，加上防倒充电路，所以不需要外部隔离二极管。热反馈可对充电电流进行自动调节，以便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制。充电电压固定于4.2V，而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值1/10时，TP4056X将自动终止充电循环。

当输入电压(交流适配器或USB电源)被拿掉时，TP4056X自动进入一个低电流状态，将电池漏电流降至1μA以下。TP4056X在有电源时也可置于停机模式，将供电电流降至70μA。TP4056X的其他特点包括电源自适应、电池温度检测、欠压闭锁、自动再充电和两个用于指示充电、结束的LED状态引脚。

6 结语与前瞻

智能门磁系统的设计方案旨在解决门磁发射模块的功耗问题，采用了更加人性化的供电方式和系统设计，门磁系统可连续稳定可靠工作3～5年不掉电。本设计的特点是将电路设计的所有环节，包括信号链、MCU、电源，都对其进行了针对性的低功耗设计，在静态工作模式下，整个电路的工作电流控制到了5μA之内，实现了真正的超低功耗。使用本方案设计的门磁[3]模块，如果采用500 mA的锂电池供电，其待机时间可达10万天以上，3～5年内无须更换电池，与传统方式相比，此方案设计的门磁防盗系统更加稳定、可靠、人性化。在物联网接入方面，由于采用了ZigBee组网技术，保证了整个家居网络的功耗控制和数据稳定传输。

在物联网的整个系统结构中，本方案实现了感知层的门磁信号采集和无线传感器网络接入技术。在传输层的设计上，可以采用移动互联网、数据通信网或者当下流行的窄带物联网NB-Iot技术。应用层的设计可以考虑在手机终端实现，保证用户实时的获悉入侵情况，达到可靠感知、稳定传输、人性化应用的目的。