基于zigbee的文物防盗追踪系统设计

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1、基于ZigBee的文物防盗追踪系统设计摘要：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。中国8/vie　　关键词：ToF测距；ZigBee；

2、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

3、的缺点。基于飞行时差测距原理的TOF（TimeofFlight）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（SensorNodeunit）、协调节点单元U（CoordinatorNodeUnit）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

4、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。U作为网关节点，采用链状树形结构组网，一个U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　　2.1SNU硬件设计　　传感节点单元SNU负责控制TOF测距传感器工作，同�r周期性地向U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

5、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ZigBeePRO、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（TimeofFlightengine），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

6、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。　　2.2U硬件设计　　协调节点单元U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U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。U的硬件结构如图3所示。　　GPRS模块采用SIM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J

7、N5168实现串口通信。　　3系统软件设计　　3.1SNU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U，同时接收来自U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U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。　　3.2U软件设计　　协调节点单元U首先上电初始化，然后设置PANID和

8、U的短地址，通过在各个通道进行能量扫描