基于ZigBee的文物防盗追踪系统设计

时亮　李凌云　崔恒荣　周涛

摘要：现有基于GPS和GPRS的复合追踪系统在接近目标后，缺乏在近距离对目标定向查找的有效手段，并且由于GPS和GPRS较高的工作电流，系统不能低功耗地实时监控目标的状态。为更有效地保护文物，以JN5168无线微控制器为核心，设计了一种基于飞行时差测距和ZigBee网络的防盗追踪系统。实验结果表明，飞行时差测距在不同环境条件下相对误差低于9%。该系统可以实现动态监控、自动报警、精确定位和快速查找，体积小、功耗低、灵活性好，可在文物防盗、车辆追踪、危险品运输等领域推广使用。

关键词：ToF测距；ZigBee；GPS；GPRS；文物防盗

DIO：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.008

引言

文物作为历史文化的载体，是研究古代社会的宝贵财富，具备极高的艺术、考古价值。但是，馆藏文物的盗窃、文物运输中的失窃等造成了文物的流失。现有的文物防盗系统主要采用视频监控、红外监控与人工巡查相结合的方式，监控实时性差、系统成本高、施工复杂。

ZigBee技术面向自动化和无线测控领域，灵活性好、功耗低，普遍应用于实现复杂的大范围监测和跟踪。将ZigBee技术应用于文物防盗系统中，可以实现对文物位置信息的无线实时监控，克服现有系统实时性差、功耗高的缺点。基于飞行时差测距原理的TOF（Time of Flight）测距是一种精度较高的近距离测距方法，可用于采集文物与参考节点之间的距离信息，从而判断文物是否处于安全监控状态。同时，在追踪文物过程中，TOF测距作为接近目标后近距离定向查找的有效手段。本文将ZigBee技术和TOF测距相结合，设计并实现了一种基于无线传感网络的文物防盗追踪系统。

1 系统总体设计

系统主要由传感节点单元SNU（Sensor Node unit）、协调节点单元CNU（Coordinator Node Unit）和远程监控中心构成。文物防盗追踪系统的结构图如图1所示。

SNU作为无线传感网络中的传感节点，部署在待监控的文物上，负责采集距离数据，同时对数据进行分析处理。CNU作为网关节点，采用链状树形结构组网，一个CNU与多个SNU构成一个监控子网，经由ZigBee网络和SNU通信，接收各节点的采集数据，并通过GPRS业务将数据发送到远程监控中心。远程监控中心将数据存入数据库，通过对数据的处理分析，将数据实时显示在各个终端上，供管理员查看和判断监控区域是否有文物被盗。

2 系统硬件设计

2.1 SNU硬件设计

传感节点单元SNU负责控制TOF测距传感器工作，同時周期性地向CNU发送采集到的距离信息，并判断文物是否处于安全监控距离内。当文物失窃后，立即向远程监控中心发送报警信息，同时启动GPS获取被盗文物的位置坐标上报监控中心。SNU的硬件结构图如图2所示。

ZigBee无线通信模块采用NXP公司的JN5168芯片，针对小型化、低功耗优化设计，兼容ZigBee PRO、JenNet-IP等无线通信协议，支持可编程时钟速度和多种睡眠模式的低功耗操作。利用JN5168芯片内部集成的飞行时间引擎（Time ofFlight engine），实现两节点间双向TOF测距功能，满足系统距离信息采集的需求。

GPS定位模块采用u-blox公司的UBX-G7020-KT定位芯片。该芯片专为小型化、低功耗应用设计，芯片内嵌DC/DC变换器，采用智能电源管理技术，使其在低功耗或复杂信号条件下，仍能获得稳定的定位性能。首次定位时间热启动时仅为1s，冷启动时为25s。满足系统低功耗和快速定位的需求。

2.2 CNU硬件设计

协调节点单元CNU作为无线传感网的网关节点，一端接收SNU的采集信息，另一端通过GPRS网络与远程监控中心通信。在文物追踪过程中，可移动的CNU配合手持定向天线，根据实时回传的距离信息，作为接近目标后近距离快速查找的手段。CNU的硬件结构如图3所示。

GPRS模块采用SIMCom公司的SIM900模块，可支持4频GSM/GPRS，支持标准和增强AT指令，内嵌TCP/IP协议，通过UART口与JN5168实现串口通信。

3 系统软件设计

3.1 SNU软件设计

SNU作为采集节点，负责监控范围内各个目标距离信息的采集，并将数据发送给CNU，同时接收来自CNU的控制指令。传感节点单元SNU的软件流程图如图4所示。

SNU上电后，首先对系统和通信协议栈初始化，然后扫描活动信道，通过向信道发送信标请求，申请加入网络。经CNU接受请求后，成为该网络的子节点。为节省功耗，SNU采用休眠/唤醒机制，当唤醒信号有效时，节点正常工作，收发数据、报警定位；若唤醒信号无效，则节点一直保持在低功耗休眠模式。

3.2 CNU软件设计

协调节点单元CNU首先上电初始化，然后设置PAN ID和CNU的短地址，通过在各个通道进行能量扫描以获得各个通道的能量级别，并挑选一个能量最低的空闲信道建立网络。如果发现SNU请求加入网络，则给该节点分配一个16位的短地址，作为其在网络中的标识。如果有来自SNU的距离信息，则通过GPRs网络发送至远程监控中心。如果有来自监控中心的控制指令，则通过ZigBee网络发送至SNU，采取相应的操作。协调节点单元CNU的软件流程图如图5所示。

3.3 远程监控中心软件设计

远程监控中心软件采用美国Nl公司的图形化编程语言LabVIEW编写。LabVIEW软件集成了通用接口协议，具备数据采集卡通信的功能。内置兼容TCP/IP、Active X等软件标准的库函数，是一种标准的数据采集和仪器控制软件。监控中心软件采用TCP/IP协议实现上位机与协调节点单元CNU之间的通信。管理员可以通过软件实时监控各传感节点单元SNU的距离信息，判断是否存在文物失窃。同时还可根据节点失窃报警和节点位置信息迅速确定失窃文物的位置，并制定相应的追查策略。

4 测试结果与分析

为验证ToF测距在文物防盗追踪系统中的性能，将1个CNU和4个SNU组网，选取文物在监控和失窃情况下的典型场景，对TOF测距进行测试，结果如表1所示。其中测量值由JN5168获得，实际值由激光测距仪测得，每组测量值均经过10次双向TOF测距取平均以减小随机误差。

从测试结果可以看出，TOF测距是一种精度较高的近距离测距方法，不同测试环境对应不同的相对误差，这主要与射频信号的传播路径有关。在空旷无遮挡环境下，相对误差可以降至5%以下。然而在楼顶受小区基站信号的影响、在楼上楼下受天线波束俯仰角的限制以及在马路两边受来往车辆的随机遮挡效应，这些都会降低测距精度，但整体的相对误差仍然低于9%。ZigBee通信在100m之内网络丢包率较低，通信质量良好，系统工作稳定，实时监控数据准确，达到系统设计要求。

5 结论

本文设计并实现了一种基于Zig Bee的文物防盗追踪系统，提出了一种使用TOF测距对目标进行近距离定向查找的方法，弥补GPS在接近目标后，近距离查找手段的不足。经实验验证，本系统实现了文物实时监控、失窃自动报警、精确定位上报、快速定向查找的功能。体积小、功耗低、灵活性好，提高了文物防盗和追踪的效率，具备良好的经济效益。除了文物防盗外，该系统也可应用在车辆追踪、物流仓储、危险品或贵重物品运输等多个领域，应用前景广阔。