基于ZigBee技术的智慧校园设备防盗系统设计_张永波

第32卷第3期温州大学学报·自 然 科 学 版2011年6月V ol 32, No 3 Journal of Wenzhou University · Natural Sciences Jun, 2011基于ZigBee技术的智慧校园设备防盗系统设计张永波(浙江旅游职业学院信息中心，浙江杭州 311231)摘要：根据ZigBee技术特点，运用RSSI定位技术，设计了智慧校园设备防盗系统．该系统具有较好的通用性和可扩展性．关键词：ZigBee网关；节点设计；RSSI定位；联动控制中图分类号：TP393.03 文献标志码：A 文章编号：1674-3563(2011)03-0054-07DOI：10.3875/j.issn.1674-3563.2011.03.010 本文的PDF文件可以从获得如何有效地保护设备财产安全一直是学校安全保卫部门研究的问题．学校的公共或私人设备，如笔记本电脑、手机、投影仪等被盗的现象屡见不鲜，这不仅会给国家或个人造成直接经济损失，给工作和生活带来不便，还会影响社会安定，甚至造成无可挽回的损失，比如计算机信息的泄露和丢失等．不少单位虽然采取了加强巡查、安装摄像监控设备、门禁等安保措施，但设备被盗还是经常发生，事后的追查工作需要投入大量的人力物力，且结果很难预料，因此，非常有必要进一步改进现有的安保措施．信息技术的快速发展，为安保措施的改进提供了有效途径．本文运用物联网技术，基于ZigBee 无线传感网，构建了一个立体的“智慧感知、智慧处置”的智慧校园教学设备防盗监测系统，如果设备移动或被盗，系统会在第一时间报警并根据设备的移动追踪盗窃者的位置，同时管理中心及设备所有者能及时收到报警信息，从而实现设备盗窃事件的及时处置，最大程度地避免盗窃事件的发生．1 Zigbee无线传感网及其应用概述在传感网的组建中，重要的一环是将大量的传感器与骨干传输网络相连，由ZigBee技术组成的网络正好可以满足这个要求．ZigBee技术是一种新兴的远距离、低复杂度、低功耗、低成本、高容量、短时延、工作频段丰富的双向无线通信技术[1]，它依据802.15.4标准的新型无线网络协议，采用自组织网通信方式，具有很高的网络安全性、稳定性和抗干扰能力．根据节点的不同角色，ZigBee可分为全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）．ZigBee网络中有3种类型设备：协调器、路由器和终端设备．ZigBee协调器在IEEE 802.15.4中也称作PAN协调器，协调器和路由器必须是FFD，终端设备可以是FFD或RFD，一个ZigBee网络有且只能有一个协调器；路由收稿日期：2011-03-15基金项目：浙江省2010年度教育技术研究规划课题(JB069)作者简介：张永波(1970-)，男，浙江浦江人，工程师，学士，研究方向：计算机应用张永波：基于ZigBee 技术的智慧校园设备防盗系统设计55器对于ZigBee 网络来说是可选的，主要功能是参与网络发现、信息转发、网络扩展等；终端设备作为网络接入者，可以通过路由节点连接协调器或直接连接协调器，但不允许其它节点通过它加入网络．在实际应用中，也把这3种设备称为ZigBee 网关、参考节点和盲节点．ZigBee 网络拓扑结构主要有星型、树形和网状．ZigBee 技术在人员定位、智能家居、节能环保、智能安防、远程控制等方面有广泛应用．可以预见，作为传感器与骨干网的桥梁之一，在未来智慧地球、智慧城市、智慧校园等建设中，ZigBee 传感网必将起到一网多用的良好效果．本系统主要研究其在设备防盗监测上的应用．2 防盗监测系统的结构与设计2.1 系统规划与结构ZigBee 无线传感网络节点尺寸小，能耗低，再加上休眠机制，使其能够保证布网的隐蔽性，且能够长期运行．本文提出的校园设备防盗系统是在学校公共设备、实验室设备和宿舍个人贵重物品等上嵌入传感器节点（盲节点），这些ZigBee 网络节点能够以自组织的方式组成网络．配置时设定设备节点移动区域，当设备被移动时，传感器节点内置定位引擎通过与参考节点的比较，快速计算设备的位置，与设定值相比较，当移出预定的范围区间时，无线传感器第一时间告知管理中心，提醒管理员注意，并可以从管理中心查看设备所在位置．当设备移动到出入口时，匹配携带者身份信息（预先给设备所有者分发身份信息ZigBee 节点），如果身份符合，系统记录出入信息放行，若身份不符，则启动报警告知管理中心，出入口拍摄系统工作并关闭门禁系统阻止设备出入．系统结构如图1所示．2.2 定位系统的设计与应用无线定位技术主要分为基于距离和无需测距的定位，其区别主要在于是否需要测量节点之间的距离，另外测量精度也不一样，基于距离的定位算法精度较高，如TDOA 、RSSI 、AOA 等，无需测距的定位算法精度较低，如APIT 、DVHOP 等．根据防盗系统的设计，ZigBee 节点要求功耗低、成本低、时延短、网络易组建、容量大．节点芯片要根据这些要求进行合理选择．TI 公司的CC2431芯片自带硬件定位跟踪引擎系统，能满足低功耗ZigBee IEEE 802.15.4无线传感网的应用需要，由2.4 Hz 直接序列扩频（DSSS ）射频收盲节点门禁/摄像机参考节点 管理中心网关图1 智慧校园设备防盗系统结构示意图温州大学学报·自然科学版(2011)第32卷第3期56发器核心和增强型工业标准的8位8051微控制器组成，是带有128 KB 闪存的8051内核ZigBee 无线单片机，各项性能指标符合系统需求．设计系统组成如图2所示． 2.2.1 RSSI 定位技术RSSI （接收信号强度指示）是指节点接收到的无线信号强度大小[2]．在基于接收信号强度指示RSSI 的定位中，已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据接收到信号的强度计算出信号的传播损耗，利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离，再利用已有的算法计算出节点的位置．RSSI 理论值[3]可以由式（1）计算：RSSI = – (10nlg d + A) （1）其中n 代表信号传播常量，也叫传播指数，d 代表距发射器间的距离，A 代表距离1 m 时的接收信号强度． 2.2.2 定位引擎操作使用RSSI 定位引擎较为简便，设置好参考节点坐标，在盲节点（监测对象节点）移动时获得测量参数，定位引擎计算完毕就可以直接得到计算结果．定位引擎操作流程如图3所示．图2 智慧校园设备防盗系统组成图N图3 定位引擎操作流程图张永波：基于ZigBee技术的智慧校园设备防盗系统设计 57RSSI硬件定位速度快、精度高，定位范围64 m，对校园来说区域太小，实践中定位范围可通过简单的软件预处理算法得到，比如每个节点用2个字节的X、Y代表，因为精度是0.25 m，从而最大范围为214 = 16 384 m．另外，要得到一个高精度的定位坐标，需要3 – 8个信号良好的参考节点，实际应用中需要3个以上参考节点测得的数据才可靠．系统设定的参考坐标存放于RF寄存器REFCOORD中（CC2431的无线定位引擎及其应用改进）．在写入REFCOORD之前，寄存器LO2CENG的第1位LOCENG. REFLD必须写入1，用于指示一组参考坐标将要被写入．一旦坐标写入过程开始（LOCENG. REFLD = 1），8对坐标必须一次性写入．定位引擎测量参数写入及计算操作函数如下：LOC_REFERENCE_LOAD(FALSE);//激活LOC_PARAMETER_LOAD，准备写入测量参数LOC_PARAMETER_LOAD(TRUE);MEASPARM=a_val;MEASPARM=n_index;for(i=0;i<LOC_ENGINE_NODE_CAPACITY;i++) {MEASPARM=refNodes[i].rssi;}//测量参数写入完成LOC_PARAMETER_LOAD(FALSE);//启动定位估计计算LOC_RUN();//等待完成后读出坐标值while(！LOC_DONE());*locX=LOCX;*locY=LOCY;//关闭定位引擎LOC_DISABLE();}当定位引擎使用少于8个参考坐标时，要将未用的参考坐标写入0.0．2.3 节点设计2.3.1 参考节点设计参考节点是一个已知位置的静态节点，在ZigBee网络中相当于路由器，安装在固定位置，其坐标位置（X，Y）值事先指定，并为盲节点（设备节点）提供其水平坐标参数X、竖直坐标参数Y以及RSSI平均值，由于其不参与定位计算，硬件主芯片采用CC2430．得到可靠定位信息需要3个以上的参考节点，实际布防时，在走廊中，走廊两边每隔20 m 交错安装一个参考节点，即左边在起点位置放置，右边从10 m起放置，如此交错每隔20 m放置一个，一个走廊参考节点安装数不少于3个．在大楼的出入口和楼层出入口区域，安装不少于5个参考节点，以保证设备被盗时，发出准确的报警信息．因为加强了出入口的布防，房间内部可根据设备重要情况选择安装或不安装，重点实验室或贵重物品放置的房间可以按照等角三角形安装参考节点，以保证定位精度．在室外可根据区域地形复杂程度和参考节点的有效通信距离，合理分布参考节点．2.3.2 盲节点设计盲节点是与设备绑定的节点，即为设备节点，节点内置设备信息，根据需求其前端可以接入倾斜角传感器、重力加速度传感器、温度传感器等协同管理设备，所以又可称为传感器节点．盲58温州大学学报·自然科学版(2011)第32卷第3期 节点采用CC2431硬件主芯片，其内部自带定位引擎功能，具有2.4 GHz直接序列扩频（DSSS）射频收发器核心和高效的8051控制器，其中，MCU包括存储器及外围，其它模块提供电源管理、时钟分配和测试等，功能强大，集成度高，芯片仅7 mm厚度，非常有利于节点小型化设计．盲节点在收到参考节点提供的固定坐标和相应的RSSI值后，通过定位算法计算自身精确位置坐标，并把该坐标协同定位节点坐标号发送给网关，由网关转给管理软件处理，根据设定值判断设备节点是否离开设定位置，如果离开，系统启动报警．为了节能和提高网络效率，盲节点通过调度节点的休眠和唤醒状态交替工作，本系统设定每隔1分钟发送一次设备节点信息．2.4 ZigBee网关设计ZigBee网关是无线定位系统的网络协调器，在整个系统中起着至关重要的作用，它主导网络的建立，实现网络初始化、数据交换、协议转换、设备控制等功能，是ZigBee网络与以太网通讯的桥梁．ZigBee网关的组成包括两个部分：ZigBee网络协调器和接口转换．ZigBee网络协调器的功能是：通过这个协调器可以管理其下的一个ZigBee网络．接口转换的功能是：通过配置特定的接口类型，把ZigBee网络的信息转换到外界的通用接口，如RS232/485、Ethernet、USB等，以方便计算机通过这些通用接口对ZigBee网络进行管理．考虑系统集成度、控制能力及应用可靠性等因素，网关硬件采用双MCU结构[4]，协调器端MCU采用高性能和低功耗的8051控制器，微控制系统由芯片CC2430实现，负责ZigBee无线网端的信息采集并通过串口与接口转换MCU建立对话．接口转换MCU采用AT89C55单片机，实现接口转换功能．2.4.1 协调器的实现根据设备防盗系统的需求，网关协调器平台运行Z-Stack协议栈，网络拓扑采用可自组建的星型和网状结构，协调器通过aplFormNetwork()函数建立网络[5]，建立网络的关键代码如下：aplFormNetwork(); //建立网络while(apsBusy)()) {apsFSM(); } //等待建立完成while(1) {apsFSM(); } //循环执行协议栈}在协调器网络建立完成后，允许路由节点和终端节点的动态加入：do {aplJoinNetwork(); //盲节点或参考节点加入网络while(apsBusy ()) { apsFSM(); } //等待加入完成}while (aplGetStatus ()! =LRWPAN_SUCCESS);整体的网络组建完成后，考虑数据的传递，网关协调器可以接到全网络节点的数据，为了区分不同节点的数据，在协调器转发数据前必须加入有协调器自动为该节点分配的网络号作为报头，对应节点的网络号可以通过数据访问函数aplGetRxSrcSADDR()获得．2.4.2 接口转换的实现协调器模块与接口转换模块采用串口通讯，由于ZigBee网络与以太网的协议不同，两个网络间要建立通讯和数据传输需要作协议转换，协议转换的工作原理如图4所示．张永波：基于ZigBee 技术的智慧校园设备防盗系统设计59LwIP 是瑞典计算机科学院的一个开源的TCP/IP 协议栈实现，支持多网络接口下的IP 转发和ICMP 协议．系统ZigBee 与Ethrnet 的对话过程见图4，ZigBee 网络节点的数据发往以太网，简单判断后上发给LwIP 对应的UDP 或TCP 处理函数进行相应处理，确定分发给以太网并通过以太网端的ARP 解析对应的IP 地址，接口协议转换完成，反之类同．3 联动控制当设备离开设定区域时，除了告知管理中心，作为逻辑严谨的防盗系统还需要有及时的联动控制措施．本系统的设计是在设备接近出入口时，启动摄录像设备拍摄离开过程，如果携带者的身份信息与设备登记信息通过认证，则记录离开信息和拍摄离开照片，反之，如果没有通过匹配认证，则同步联动关闭门禁系统，阻止离开并通过MCU 驱动摄像头对出入口进行图像采集，将图片信息同步传送到管理控制中心存储．以上过程如图5、图6所示．4 结 语随着物联网技术的发展，智慧校园建设将成为未来高校信息化的主要发展方向．本文设计的防盗系统具有安全保密性好、可扩展性好、节点兼容性好等特点，在本系统的网络节点上可以方便地扩展消防报警、照明系统控制、远程控制等．本研究对打造“天下无贼”社会环境及推动物联网技术发展都有积极意义．图6 门禁系统联动控制流程图5 图像采集联动控制LwIP(Light Weight IP)协议 ARP (Ethernet) 数据链路层 (MAC)物理层(PHY)EthernetARP(IEEE802.15.4)物理层(PHY)数据链路层 (MAC) ZigBee图4 网关协议转换原理60温州大学学报·自然科学版(2011)第32卷第3期 参考文献[1] 张雪坤, 陈金鹰, 季翔宇. ZigBee技术在传感网中的应用研究[J]. 通信与信息技术, 2010, (2): 48-50.[2] 宋保业. CC243的无线定位引擎及其应用改进[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2008, (2): 22-24.[3] 王立波, 陈慈发. CC243的室内定位系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2008, (9): 58-60.[4] 杜律, 陈裕隆, 许学添, 等. 远程监护系统中ZigBee网关的设计[J]. 微计算机信息, 2010, 26(1-2): 87-88.[5] 乔大雷, 夏士雄, 杨松, 等. 基于ARM9的嵌入式Zigbee网关设计与实现[J]. 微计算机信息, 2007, 23(12-2):157-158.ZigBee Technology-based Design of Wisdom EquipmentAnti-theft System in CampusZHANG Yongbo(Information Center, Zhejiang Tourism College, Hangzhou, China 311231)Abstract: Based on characteristics of the ZigBee technology, the wisdom equipment anti-theft system in campus was designed by using RSSI positioning technology. The system has good versatility and scalability.Key words: ZigBee Gateway; Node Design; RSSI Positioning; Linkage Control(编辑：王一芳)。