隨著科技的進(jìn)步，人們的防盜意識(shí)逐步提高，對(duì)貴重物品防盜報(bào)警的準(zhǔn)確性和及時(shí)性提出了更高的要求。目前常見的報(bào)警方式有現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警、語(yǔ)音報(bào)警、以太網(wǎng)報(bào)警、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)報(bào)警等。其中，前兩種方式都需要目擊者現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，缺少無(wú)人值守功能并存在人身威脅；以太網(wǎng)報(bào)警則存在布線復(fù)雜且易被切斷的隱患。針對(duì)以上不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)IoT(Internet of Things)技術(shù)的智能防盜報(bào)警器，該報(bào)警器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)物品的狀態(tài)信息，信息到達(dá)報(bào)警中心后進(jìn)行閾值比較，使用AT命令觸發(fā)TC35i進(jìn)行短信報(bào)警。報(bào)警器具有標(biāo)簽式特征，可以大量地進(jìn)行分布式放置,實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)貴重物品的無(wú)縫覆蓋。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能
    根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]定義的物聯(lián)網(wǎng)四層結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為感知識(shí)別層，GSM/GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層，用戶的手機(jī)終端作為管理和應(yīng)用層，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)室內(nèi)環(huán)境特點(diǎn)采用星狀網(wǎng)絡(luò)即可，它具有點(diǎn)到點(diǎn)通信的特點(diǎn)，各傳感器節(jié)點(diǎn)只能和網(wǎng)絡(luò)中唯一的協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，不受其他節(jié)點(diǎn)干擾。同時(shí)，星狀網(wǎng)絡(luò)無(wú)需復(fù)雜路由算法，可以有效減少功耗、降低成本。系統(tǒng)分別將傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)定義為監(jiān)控終端和報(bào)警中心。而采用一個(gè)報(bào)警中心是為了減小終端體積，保證其標(biāo)簽式特性，同時(shí)降低系統(tǒng)成本和功耗。監(jiān)控終端的功能主要是采集模擬加速度量、A/D轉(zhuǎn)換和無(wú)線發(fā)送，而監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)固定的報(bào)警中心則負(fù)責(zé)匯聚來(lái)自終端的狀態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)閾值比較，可判定物品是否受力而動(dòng)。對(duì)于超出安全閾值的數(shù)據(jù)，通過(guò)向GSM模塊發(fā)送AT指令進(jìn)行短信報(bào)警。用戶只需通過(guò)移動(dòng)終端就可以及時(shí)準(zhǔn)確地了解物品的安全狀況。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 MMA7260傳感器
    監(jiān)控終端采用Freescale公司的MMA7260加速度傳感器作為數(shù)據(jù)采集單元，分別檢測(cè)物品的移動(dòng)和振動(dòng)兩種狀態(tài)。MMA7260是一款高性價(jià)比的三軸模擬加速度傳感器，其測(cè)量原理的本質(zhì)是通過(guò)改變其內(nèi)部的2片平板電容的間距來(lái)改變其電容，進(jìn)而改變輸出電壓。圖2所示為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，G-Cell傳感單元采集空間中相互垂直的3個(gè)方向X、Y、Z軸上的加速度，經(jīng)過(guò)容壓變換、增益放大、濾波和溫度補(bǔ)償后以電壓信號(hào)輸出[2]。輸出的模擬信號(hào)與其敏感軸方向上所受的加速度大小成線性關(guān)系，故通過(guò)其加速度量的變化可以判斷物品的移動(dòng)或振動(dòng)。

2.2 MMA7260和CC2530接口電路設(shè)計(jì)
     CC2530是TI公司最新推出的一款真正用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SoC），它沿用了CC2430的芯片架構(gòu)，只需很少的外圍電路即可構(gòu)建ZigBee節(jié)點(diǎn)。其必備的外圍電路包括電源電路、晶振電路、復(fù)位電路以及射頻收發(fā)電路等，具體芯片電路可參見參考文獻(xiàn)[3]。CC2530內(nèi)部集成了低功耗的8051微控制器內(nèi)核和8路可配置分辨率的12 bit ADC，故將模擬信號(hào)送入CC2530的ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可輸出數(shù)字信號(hào)。接口電路如圖3所示。

    圖3中，g-Select1和g-Select2用于加速度傳感器的靈敏度選擇，可以分別實(shí)現(xiàn)1.5 g、2 g、4 g和6 g 量程，直接與CC2530的GPIO相連即可。這里，給g-Select1和g-Select2均加低電平，選用1.5 g量程，使傳感器靈敏度達(dá)到800 mV/g的最高值，就可以檢測(cè)物品的輕微動(dòng)作。CC2530的P0作為8路A/D輸入時(shí),需配置ADCCFG寄存器為0x07，即選擇P0_0、P0_1、P0_2分別作為XOUT、YOUT、ZOUT的A/D輸入引腳。此時(shí)，MMA7260輸出的模擬量就可以通過(guò)CC2530轉(zhuǎn)換為數(shù)字量了。
    報(bào)警器電源選用市面上常見的紐扣式鋰電池供電，MMA7260和CC2530的標(biāo)準(zhǔn)供電電壓均為3.3 V。其中，加速度傳感器可以通過(guò)SleepMode引腳選擇休眠和工作2種狀態(tài)，休眠時(shí)的電流為3 μA；CC2530則提供了4種供電模式，其在睡眠和中斷情況下的電流分別為1 μA、4 μA,在射頻收發(fā)狀態(tài)下也僅為24 mA、29 mA。故報(bào)警器可以滿足低功耗需求,采用鋰電池供電可以達(dá)到半年以上。
2.3 GSM通信接口設(shè)計(jì)
     系統(tǒng)的報(bào)警中心接有GSM短信報(bào)警單元，選用德國(guó)Siemens公司的TC35i模塊。這是一款支持中文短信的工業(yè)級(jí)GSM模塊，采用3.3～4.8 V電源供電，休眠狀態(tài)下的電流損耗為3.5 mA,發(fā)射狀態(tài)下的平均電流為300 mA，峰值可達(dá)2.5 A，故報(bào)警中心采用直流穩(wěn)壓電源供電，確保網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的持久供電，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。
    TC35i模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口6部分組成[4]。模塊共40引腳，通過(guò)零阻力插座（ZIF）連接器引出并與SIM卡、CC2530連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；其數(shù)據(jù)輸入輸出接口實(shí)際上是一個(gè)串行異步收發(fā)器，RTS0/CTS0用于硬件握手，RxD0/TxD0用于串口通信，引腳輸入輸出均為正邏輯電平TTL2.9 V,將其分別連接到CC2530的GPIO即可實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。
2.4 硬件電路板設(shè)計(jì)
    報(bào)警器硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于保證其標(biāo)簽式特性，即在準(zhǔn)確安全的前提下盡量縮小系統(tǒng)的體積；而射頻電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于避免和減少器件間的干擾。CC2530是相對(duì)比較敏感的芯片，其底部必須有效接地，如需通過(guò)過(guò)孔接地，應(yīng)盡可能接近芯片管腳。另外，電源部分的濾波電路設(shè)計(jì)也是重要環(huán)節(jié)。為了保證電源信號(hào)穩(wěn)定，濾除電源噪聲,在電源輸入端可放置10 μF和100 nF 2個(gè)退耦濾波電容;這些濾波電容應(yīng)盡量靠近電源管腳放置，且接地端也應(yīng)盡可能通過(guò)過(guò)孔可靠接地[5]。
　 天線設(shè)計(jì)采用倒F型的微帶天線，直接印刷在PCB板上，能夠保證電路板的緊湊性，并降低成本。根據(jù)官方手冊(cè)，選用PCB天線能夠滿足所有的TI射頻收發(fā)器件，其最大增益為+3.3 dB,所需最大尺寸僅為25.7 mm×7.5 mm。為了達(dá)到較好的射頻信號(hào)性能，在PCB電路布局過(guò)程中，應(yīng)該給天線留出足夠的空間，以便能夠有效收發(fā)信號(hào)，降低干擾。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 網(wǎng)絡(luò)建立和系統(tǒng)流程
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立關(guān)系到整個(gè)WSN系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和防盜報(bào)警的及時(shí)性及準(zhǔn)確性。系統(tǒng)的軟件是在IAR Embedded Workbench 7.51A集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)，完成系統(tǒng)軟件ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0協(xié)議棧的修改。ZigBee星狀網(wǎng)絡(luò)，主要實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)建立，終端入網(wǎng)的修改。協(xié)調(diào)器啟動(dòng)后，首先掃描信道，確定是否已經(jīng)有網(wǎng)絡(luò)存在，如已存在，則作為終端加入網(wǎng)絡(luò)；反之，自行建網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)的建立是通過(guò)協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層函數(shù)NLME_NetworkFormationRequest（）啟動(dòng)，并通過(guò)zb_AllowBind（）函數(shù)開放綁定。終端啟動(dòng)后，掃描信道，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)后，發(fā)出綁定請(qǐng)求zb_BindDevice（）。協(xié)調(diào)器隨即建立綁定表并響應(yīng)綁定請(qǐng)求。當(dāng)綁定成功后，節(jié)點(diǎn)間便開始點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。后續(xù)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)執(zhí)行相同的步驟,協(xié)調(diào)器不斷更新綁定表，并為終端分配網(wǎng)絡(luò)地址。整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行流程如圖4所示。

3.2 監(jiān)控終端程序設(shè)計(jì)
    監(jiān)控終端主要負(fù)責(zé)采集加速度信息，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)。主要包括初始化MMA7260、數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠?。在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，需要注意配置ADCCFG、ADCCON1、ADCCON3等寄存器。其程序如下：
    INT16 getADCdata( unsigned char ch)
    {
        //ch選定A/D轉(zhuǎn)換通道，指向X、Y、Z軸
　        ADCH &= 0X00;                     //清EOC標(biāo)志
        ADCCON3=0xb0;
　                  //參考電壓AVDD5，512分頻，12 bit轉(zhuǎn)換
　        ADCCON3 | = ch;                  //選擇轉(zhuǎn)換通道
　　        ADCCON1 | = 0X30;                     //停止A/D
　        ADCCON1 | = 0X40;                   //啟動(dòng)A/D
        while(!(ADCCON1&0x80));             //等待轉(zhuǎn)換完成
        ……                                                //數(shù)據(jù)處理
    }
    傳感器采集的加速度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后，可以通過(guò)串口工具SComAssistant直觀地顯示在PC端，便于觀察數(shù)據(jù)的變化并確定閾值范圍。圖5和圖6分別是監(jiān)控終端正置和倒置時(shí)的空間示意及相應(yīng)的采集數(shù)據(jù)。

    通過(guò)對(duì)2組數(shù)據(jù)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)終端正置時(shí)，X、Y、Z 軸方向上的數(shù)據(jù)均未超過(guò)520，而倒置時(shí)，X、Y、Z軸方向上的數(shù)據(jù)也均未超過(guò)740。2組數(shù)據(jù)可分別用于確定終端正置和倒置的置信區(qū)間,如超出此范圍，則可認(rèn)定物體發(fā)生移動(dòng)，存在風(fēng)險(xiǎn)。以此類推，還可以確定終端在空間中橫放、豎放等多種方式下的安全置信區(qū)間，達(dá)到對(duì)監(jiān)控物品的全方位監(jiān)控。
3.3 短信報(bào)警程序
    GSM模塊的初始化由協(xié)調(diào)器MCU向其發(fā)送AT命令完成，包括設(shè)置串口波特率（AT+IPR=9 600）、短信服務(wù)中心（AT+CSCA=“+8613800429500”）、 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)登錄模式、短消息模式等。在設(shè)置短消息模式時(shí)，AT+CMGF=0表示PDU模式，AT+CMGF=1表示TEXT模式。TEXT模式只能傳送數(shù)字和字母，而PDU模式可以進(jìn)行中文字符發(fā)送，故報(bào)警中心選擇PDU模式。PDU模式有3種編碼方式，分別是7-bit編碼、8-bit編碼和UCS2編碼，本文選擇UCS2編碼（即中文Unicode）。其編碼方式比較簡(jiǎn)單，只需將要發(fā)送的字符轉(zhuǎn)換成由數(shù)字和字母組成的4 bit字符串即可[4]。例如要報(bào)警的短信內(nèi)容為“物品移動(dòng)”，其對(duì)應(yīng)的Unicode碼為“7269 54C1 79FB 52A8”。然后使用短信發(fā)送命令A(yù)T+CMGS=“+8613*********”即可向指定手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。當(dāng)然，報(bào)警中心也可以設(shè)置多個(gè)短信接收中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)多人的同時(shí)報(bào)警。
    報(bào)警器經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，能夠達(dá)到對(duì)物品輕微移動(dòng)或振動(dòng)的準(zhǔn)確報(bào)警，為物聯(lián)網(wǎng)推廣環(huán)境下的防盜報(bào)警裝置提供了新的設(shè)計(jì)思路，為人們的財(cái)產(chǎn)安全提供了更高的保障。但是，如何提高制板工藝，進(jìn)一步減小報(bào)警器的體積和功耗，以及如何更好地抵抗可能存在的其他2.4 GHz頻段射頻信號(hào)的干擾是下一步研究的重點(diǎn)，也是進(jìn)一步改善系統(tǒng)的關(guān)鍵。
參考文獻(xiàn)
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[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] 朱國(guó)忠，雷聲，潘敏，等. 基于加速度傳感器的保險(xiǎn)箱報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用2011,37(1)：102-121.
[5] 寧炳武，劉軍民. 基于CC2430的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) [J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2008，34(3)：95-99.