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无人值守区域智能监测系统的架构设计与实现

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No．7

V01．43

2016

第43卷第7期

2016年7月

计算机科学

Science

July

Computer

无人值守区域智能监测系统的架构设计与实现

李慧1张可1徐良2

成都611731)1 (电子科技大学通信与信息工程学院成都611731)2

(电子科技大学电子科学技术研究院

摘要针对无人值守区域、环境恶劣区域的目标检测问题，提出一种基于智能检测的检测系统。创新点体现为现有

方法的一个创新应用。对系统架构、系统设计(包括帧结构，软件硬件设计)进行了详细的阐述，并进行了测试。研究

结果表明，该系统能满足大部分网络场景的应用要求。

关键词ZigBee，无线传感网，无人值守区域，监测系统

BOI

2016．7．020

中图法分类号TP393．17

文献标识码A

10．11896／j．issn．1002—137X

Architecture

and

in Unattended

Operation Regions

Design

Implementation

Intelligent Monitoring System

LI Huil ZHANGKd XU

Lianga

of Electronic

(Research Institute of Electronic Science and

Science

Technology，University

and

611731，China)1

Technology

China，Chengdu

of Electronic Science and

611731，China)2

(School of Communication andInformation

Technology

China，Chengdu

Engineering，University

Abstract In this

new detection

based on

system

detection was

due to

proposed target monitoring

paper，a

intelligence

and abominable environment．It is an innovation

and

existing

in unattended

acquirements

methods．The

operation regions

application

design)were

application

described

architecture and

frame structure，software

results show that the

hardware

meets the

system

design(including

in detail andrelated tests were carried out

the network scenarios．

of most

Experimental

system

sensor network，Unattended

Keywords ZigBee，Wireless

operation regions，Monitoring system

该重要区域的目标(如敌人或恐怖分子等)，若发现目标则立

引言

ZigBee是近年来广泛应用于商业和科技的无线通信技

即汇报。目前监控系统多应用于农业、车联网‘81中，鲜有针对

无人值守的偏远地区，而作为无线个人网中的低数据传输率

协议，ZigBee以低功耗、高可靠性、低复杂度见长，更能满足传

感网中采集节点的需求。

术。它基于IEEEB02．15．4协议[1|。独有的特性[2]使得它比

蓝牙和Wi-Fi等其他无线通信更适用于低数据传输率和低能

耗的应用[引，如建筑和家庭的自动控制系统、可穿戴的医疗传

感监控系统、森林火灾监控系统、图书馆温度智能控制系

统‘4‘71等。

本文即是针对无人区域实时监控的需求设计了自带

GPS定位模块及多类型传感器的节点，同时通过ZigBee与

GPRS方式将指定监控区域出现的报警实时传输给监控人员

的系统。

ZigBee的特性可概括如下：低成本，较低的报文吞吐率；

支持大型网络节点的数量级(不多于65k个节点)；提供可选

择的安全等级(采用AES-128)；数据传输率为250kbps

(2．4GHz)和20／40kbps(868／915MHz)；在2．4GHz工业、科

本文第2节阐述系统架构；第3节详细介绍系统的软件

设计和硬件设计；第4节展示测试结果并对其作分析；最后总

结全文。

ISM频道

学、医学频带(ISM频带)为16个信道，在915MGz

2系统架构

为10个信道，在欧洲使用的868MHz频道为1个信道；采用

CSMA—CA(载波监听多信道介入／避免冲突)协议的信道共享

多点接入技术；提供无信标操作；支持点对点、星型、树型和网

状的网络拓扑。

2．1

Zig＆e通信协议

ZigBee无线通信协议配备IEEE802．15．4标准和射频发

射器以实现网络所需任务。IEEES02．15．4标准为无线通信提

供了物理层(Physical layer，PHY)和媒体接入控制层(Medium

区域监控指部署一定数目的传感节点到感兴趣的区域

(如战场、博物馆之类的重要公共设施等)，利用无线传感网络

Access Control

layer，MAC)协议。ZigBee工作在IEEE802．15．4

(Wireless Sensor

Network，WSN)强大的监控能力，监控穿越

标准之上，提供了网络层(Network layer，NWK)和应用层

本文受中央高校基本科研业务费项目(ZYGX2014J099)资助。

李慧(1989一)，女，硕士生，主要研究方向为无线传感网络。E-mail：．net；张可(1979一)，男，博士，副研究员，CCF高级会员，

到稿15I期：2015-06—03返修日期：2015—08—22

良(1989一)，男，博士生，主要研究方向为5G移动蜂窝

主要研究方向为传感器网络、物联网、大数据等，E-mail：．edu．cn；徐

网络，E-mail：．com。

115

万方数据

(Application layer，APL)业务‘ ，如图1所示。

点收到消息后进行蜂鸣报警，以便于附近的工作人员根据蜂

鸣声快速辨认位置从而找到节点。

ZigBee应用层

T-

夏‘!|}

翻

ZigB硼络层

圆圈圈

崔

IEEE 802．15．4～mC

IEEE 802．15．4

2．4GHz PHY

8681915砌z

PHY

L．一申请入

晕

jk一业．

图1

ZigBee协议

：I．———触发警报—一

上电后，被任命为协调器的设备主动进行能量扫描，选取

信号最强、质量最好的信道进行无线通信。其他加入网络的

设备则发送信标帧请求给协调器。在所提出的系统中，带有

红外热释电、震动传感器和GPS定位模块的节点为网络中的

端设备，即检测节点；带有GPS模块和GPRS通信模块的节

点被定义为协调器。

警订熊_

2．2应用架构设计

系统由数个中继器及大量检测器构成，由协调器收集其

通信范围内的端设备的检测结果信息并将其传人系统终端。

设备触发开关开始初始化后进入系统工作状态。通过自

组网方式，协调器与周边的检测器通过成簇算法组成星形网

络，协调器之间构成对等的网状网络。主机端开始工作后，可

以实时显示所在系统监测区域的地图信息，标示各个传感器

节点位置以及状态参数。

r一棚收—-}一蝴警—卜]

蜂噶直至电舞关闭

：

{

一一口“

3系统设计

3．1通信帧设计

协调器工作流程如图2所示。协调器上电后进行能量扫

描，选择无线信道并确定网络ID，接着进入无线监听模式。

如若收到信号，则判断信息类型：若为新节点申请入网的消

息，则通过请求并告知网络D，分配节点地址等；若收到的为

节点报警信息，则通过GPRS方式转发信息至移动终端；若收

到的信息来自移动终端，则根据信息内容为重定位或回收蜂

无人值守监测系统的运行过程涉及检测节点与协调器之

间的通信、协调器与移动终端之间的通信。

协调器上电后组建新网络，新加入的检测节点进行GPS

自定位，递交入网申请并获得同意后，为了节省电池电量，停

止GPS模块供电(直到收到协调器重定位命令才会重新打

开)，接着将定位坐标及当前周围监控状态编辑成帧并发送至

协调器，帧格式设计如图4所示。

鸣报警，广播相应命令至下级所有检测节点。

初始化

图4端设备发送帧格式

=二二[==

J■。。。。。。。’—’’————————一

协调器收到帧后将其转发至系统终端。终端以相同的协

议解析帧内容。不同的帧域代表不同的内容，具体的帧信息

解释见表1。

／_。

二

。。。。。二。oo。。o‘‘oo_、

匕

牙

无信号————_<>

表1帧域内容

分配网络ID和节

点地址等

帧域

Start

具体内容

_1t

帧头，以“％”代表帧开始，占1字节

分隔符，以“!”紧接帧头后，占1字节

节点申请入网

端设备D，人工设置，用于区分不同的检测节点，占3字节

重定位或回收

分隔符。以“#”紧接端设备D后，占1字节

GPS定位信患，占30字节

GPS

广播至检测节点】(短信通知移动终螬

分隔符，以“$”紧接GPS定位信息后，占1字节

报警类型，占1字节，N代表无警报(第一次组网及重定位时使

用)；I代表红外报警；V代表振动报警

一

””

图2协调器工作流程

帧中不同的分隔符用于终端读取信息时截断内容。不同

的检测节点以D作为区分，D后30字节为该节点GPS信

息。本文使用ATK-NEp6M模块，原GPS定位信息的基本

格式如下：$GP03A，(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，

(9)，(10)，M，(11)，(12)*hh(CR)(LF)。hh指校验和，CR

和LF代表回车及换行。其中(1)为U，rC时间，格式为

hhmlTiSS．SS；(2)为纬度，格式为ddmm．mmmmm(度分格式)；

系统的时序如图3所示。若有人员目标进入监测区域，

则检测节点所携带的传感器(如红外传感器会触发)，对目标

进行定位，判决是否有人员闯入监测区域，并将数据通过Zig—

Bee通信协议传输到中继器节点，中继器通过通信模块将数

据传输到主机进行分析与展示；若未被激发，则保持监测状

态。若使用一段时间后需要回收节点或更换电池，则主机发

布回收命令，协调器接收命令后广播给所有检测节点，检测节

】】6

万方数据

CC2530是一颗真正的片上系统(System-On-Chip，

(3)为纬度半球N或S(北纬或南纬)；(4)为经度，格式为

dddrnn[L

mmmmm(度分格式)；(5)为经度半球E或W(东经

SOC)[11]，用于WSN的ZigBee解决方案。它继承了CC2430

低成本、低功耗的特性，结合了一个高性能的增强型8051控

制器、128k闪存储存器、8kB ARM和许多其他强大的功能。

基于CC2530的外围电路设计原理图如图6所示。

或西经)；(6)为GPS状态，0表示未定位，1表示非差分定位，2

表示差分定位；(7)为正在使用的用于定位的卫星数量(oo～

12)；(8)为HDOP水平精确度因子(O．5～99．9)；(9)为海拔

高度(一9999．9m～9999．9m)；(10)为大地水准面高度

(--9999．9m～9999．9m)；(11)为差分时间；(12)为差分参考

基站标号(0000--1023，首位0也将传送，若为非差分定位，则

此项为空)。对于获取的基本格式定位信息，去掉不关心内

容，将所需定位信息按指定格式放入GPS定位信息字节。

当需要对检测节点进行回收，或因某些原因节点进行了

移动而需要重定位时，移动终端发出相应指令，协调器将其广

播至所有节点，发送的帧格式如图5所示。

—L—

GND

--24--

BI--

GND

6ND

GND

—i卜

--23--

C3 3_-—3一

rrxI

---4---

—22一

DVCC33

--21一

--20--

7RXl DS．--

CLK_--6--

CC2530

--19--

--18--

--17--

RST

CSN--8---

——卜

巾D—lO一

惯一ll一

--l卜

--15--

--14--

一13一

GND

撇m。，。～．pj：

匪五工[匪画

其中类似于图4中的帧域，图5中的帧域内容见表2。

上2。

图5协调器广播帧格式

图6 CC2530外围电路设计原理图

表2帧域内容

其中，系统使用Po一4，P1—2，P1—3口连接红外热释电传

帧域

具体内容

感器，Po一7口连接振动传感器，Po一5用于连接GPS定位模

Start

帧头，以“％”代表帧开始，占l字节

分隔符，以“!”紧接帧头后，占1字节

L代表节点重定位，C代表回收节点；占1字节

块。

Command

在红外探测器前方的菲涅尔透镜和放大电路相配合，设

计侦测13m范围内的人的行动。人体辐射的红外线中心波

长为9岫～10um，而探测元件的波长灵敏度在0．2um～20urn

范围内几乎稳定不变。红外热释电传感器主要用于检测指定

范围内人的行动。

检测节点收到命令后以相同方式解读帧内容，若解读内

容为L，则重新对GPS模块进行供电并再次定位，同时再次

发送图4信息；若解读内容为C，则进行蜂鸣报警以帮助周围

回收人员快速找到回收节点。

振动传感器主要完成入侵人员检测、探测等功能，可以用

于对目标的初次判决，也可作防移动检测节点之用。

GPS模块核心采用NED6M模组，具有50个通道，测量

输出频率最高可达5Hz，外型小巧(25．5mm*31mm)，模块通

过5个2．54mm间距的排针与外部连接。

3．2软件设计

本文采用ZigBee协议栈[10]Z-Stack完成软件开发。Z-

Stack符合ZigBee 2006规范，用户在使用过程中不用关心协

议的具体实现细节，只需要通过调用Z-Stack的接口即可完

成进一步的设计。

ATK-SIM900A模块板载工业级双频GsM／GPI峪模块

SIM900A，工作频段为双频：900／1800MHz，可以低功耗实现

语音、SMS(短信，不支持彩信)、数据和传真信息的传输，模块

支持RS232串口和LVn乙串口，支持5V～24V的超宽工作

范围。

ZigBee协议栈由一组子层构成，每层为其上一层提供一

组特定的服务：一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实

体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接人点

(SAP)为其上层提供服务接口，并且每个勖心提供了一系列

的基本服务指令来实现相应的功能。

设计并实现的测试硬件如图7所示。

ZigBee联盟提供了网络层和应用层，其中应用层框架包

括了应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(及)0)和由制造

商制定的应用对象。与常见的无线通信标准相比，ZigBee协

议所需体系紧凑而简单，在实际运用中对系统要求很低：硬件

部分至少需要8位处理器；软件需要32kB的RoM，最小软件

需要4kB的ROM；网络主节点需要更多的RAM以容纳网络

内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表和密钥存

储等。

幢硼*6亍帝

振动悖枣孽

3．3硬件设计

TI公司提供的单芯片方案主要是将RF和MCU集成在

一块芯片上，此种方案空间占用小、开发简单方便，主要有

CC2431，CC2430，CC2530等。

图7硬件实现

本文硬件设计采用以CC2530为核心的芯片作为MCU，

ATK—NEO-6M作为GPS模块，ATK-SIM900A作为GPRS

模块，附带红外热释电及振动传感器，并设计外围电路。

4测试方案与结果

WSN的测试分类主要包括一致性测试、功能性测试、性

· 117·

万方数据

能测试和系统测试等内容。结合本文的监测系统架构，将针

对用户的测试需求总结为以下内容。

选择存在较多信号干扰的实验室作为实验环境，对Zig—

Bee的11信道至26信道分别进行测试。测试环境如图9所

(1)标准的符合性测试：实现由不同的设备厂商提供的网

络传感器设备之间的互联互通而进行的相关符合性测试；

(2)远程测试：在环境条件比较恶劣、无人区域、军事监控

区域以及森林等条件下部署的传感器网络具有当前任务的不

确定性和可能面临各种情况威胁的特点，远程测试即是为了

确定传感器网络能否完成所需的应用而进行的测试；

(3)用户特殊需求测试：测试传感器网络在具体行业应用

中是否满足用户提出的特定功能需求。

示。

f7．嚣二

Wi／、-F够

^、@^、罴7扰◇

观察在大约1000个包情况下的PER(Packet

采用4个节点(1个协调器和3个端设备)，围绕ZigBee

通信功能进行测试；结合系统应用环境，重点设计并进行基本

功能测试、信道选择测试、室内外通信测试、室内障碍物测试。

(1)基本功能测试

Error

基本功能测试主要用来验证被测的网络设备是否能够正

常执行其预期的各项功能，主要包括数据采集、传输、存储、控

制管理及面向上层用户等功能。本文中的应用需要实现供电

后自组网、自定位以及实时检测指定区域警报状况并转发报

警等功能，支持重定位与节点回收。

Rate)，数据包大小为12字节。实验结果如表3所列。

表3 ZigBee信道的PER测试结果

实验选择在户外空旷场地上对ZigBee的11信道进行测

试。数据包大小为40字节，单节点触发频率不超过10次／

min，系统整体触发报警次数不超过20次／min。

实验结果表明，每个检测节点配备的红外热释电传感器

可测出13m范围内人的行动并报警，系统的报警延时来自

GPRS传输时延，平均时延低于10s(当协调器与移动终端配

备相同运营商的sim卡时延迟最tb)，系统能够很好地应用于

无人区监控场景。

由表中数据可见，实验室Wi-Fi(或者其他科研设备)多

半使用中心频率为2412MHz、带宽为22MHz的信道。由于

Wi-Fi发射功率更大，ZigBee设备通信质量易受影响[14|。由

表中ZigBee的11—15信道的数据也可知道，当ZigBee信道

与wi—Fi使用的信道接近时，PER急剧上升，通信质量下降。

同时传输数据包的大小也影响PER，为减小碰撞率，实际应

用中的通信包也应尽量使用简洁的数据表达，避免长冗余包。

若网络需要较好的通信效果，可转换至较为空闲、少干扰的信

道。

(2)信道选择测试

由于ZigBee和Wi-Fi等设备使用的都是ISM频道，选择

信道时可能有重合或覆盖[12 13]，且由于ZigBee为低能耗、低

功率设备，易受周边信号干扰，为了避免信道干扰，进行信道

选择测试。Wi-Fi与ZigBee的RF频谱如图8所示。

802

4 rhannels at 2 4Gl{z

为减小信道干扰，以下的室内外通信测试和障碍物测试

均选择ZigBee的11信道。

(3)室内外通信测试

由于ZigBee通信质量与周边环境有关，为了描述环境对

通信的影响，设置了室内外通信测试。测试场景如图10所

示。

Z，

M|Iz

络～3 、H

＼、

Channels at 2．4 GHz

802．1lg

一^一

2412 hmz

2437 hmz

坦md一．

／，F＼一25～Ⅱ{z—，4、＼

磐。L卜艿

，／，

，／¨ 、、

、卜．，，，

、、一一一／

图10室内外测试场景

每个端设备以400ms为间隔不断给协调器发送数据，数

据包大小为12kB。协调器和端设备间距最近lm，最远3m。

室内测试场景选择实验室，室外测试场景选择广场。室

内外通信分组错误率如图11所示。

Ch Il

一

舱

眩

一

J图

ZigBee和Wi—FI频谱图

实验结果显示，室外通信质量较室内通信质量更优良。

．

l 1一oo

万方数据

图11中上方带菱形连线代表室内通信PER，下方带方块连

线代表室外通信PER，可见在无大型障碍物阻挡且无信道干

扰的情况下，ZigBee的通信可靠性非常可观。其中室内平均

PER仅为0．38％，而室外PER更是低至0．07％。

和实际测试，为智能监控技术向实时性、高可靠性方向发展提

供了一定的参考。

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图11室内外PER分析

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(4)室内障碍物测试

home automa—

E4]KhusvinderG，Yang Shuang-hua．A ZigBee-based

考虑到本文设计的应用场景为偏远无人的地区，在森林

等地区有大树、岩石等阻挡物，设计室内障碍物测试。分别测

试ZigBee设备在室内相隔1堵墙和3堵墙(墙与墙之间相隔

5m)的通信情况，协调器与墙、墙与终端节点之间距离均在

lm以内。测试场景为实验室，实验布置图如图12所示。

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图13室内障碍物PER分析

network for—

[9]Cuomo F，Abbagnale A，Cipollone E．Cross-layer

marion for

IEEE

Wireless Sen—

由图13中数据可知，ZigBee网络通信的PER非常低，即

使在协调器和端设备相隔数道墙的情况下，平均PER依然低

于3％(其中相隔1道墙时平均PER约为0．67％，相隔3道

墙时PER上升为2．2％)，由此可得基于CC2530的ZigBee网

络具有良好的通信质量和可靠性。

energy-efficient

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Metro—

and

Standards

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Area

实验结果表明，所搭建的无人值守区域监测系统，在无大

型障碍物的情况下室外通信质量优良，在有障碍物阻挡的情

况下其通信可靠性也满足大多情景的通信需求(PER低于

3％)；室外的通信效果优于室内，且应根据周围其他使用ISM

频道的设备的使用情况来选择信道，提高通信质量；通过对测

试过程的研究和分析发现，测试环境的构建与选择较为复杂，

测试结果与周围无线环境使用状况和测试的时间等诸多因素

均有关。

andArchitecture

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Ec]}{International

ZigBee

Conference on Communication

gies．2013：257-261

and Network Technolo—

Systems

结束语本文通过对ZigBee协议的研究，提出了应用于

无人值守区域的新的体系架构，并进行了详细设计、硬件实现

119

万方数据

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