基于WSN的小區(qū)自行車防盜系統(tǒng)的設計

近年來，隨著無線通信、微電子技術、傳感器技術以及嵌入式計算等技術的不斷進步，推動了低成本、低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡WSN(Wireless Sensor Network)的發(fā)展，促使WSN成為當今活躍的研究領域[1]。WSN由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者[2]。無線傳感器網(wǎng)絡在軍事和民用領域都有廣闊的應用前景。本文把WSN引入到小區(qū)的自行車防盜系統(tǒng)中，給出了一套基于WSN的小區(qū)自行車防盜系統(tǒng)的設計方案。為小區(qū)自行車的管理，尤其是防盜提供保障。

1 系統(tǒng)方案

居民小區(qū)通常規(guī)劃在兩幢居民樓中間或集中的一片區(qū)域停放自行車等兩輪車輛。如圖1所示，自行車通常被放置在指定車位中，為了加強對自行車的管理，本文引入WSN技術。防盜系統(tǒng)由信息采集和報警提示兩部分組成。

(1)信息采集

首先，為每一輛自行車配備一塊具有唯一ID的電子鎖作為小區(qū)內自行車的標識。該電子鎖具有WSN節(jié)點功能，可以檢測是否斷線、電池電量，同時具有無線通信能力，能夠將檢測到的信息以多跳方式向觀測點發(fā)送。為便于收集信息，同時為觀測者提供定位信息參考，在指定位置（如車棚、居民樓、路燈桿）部署匯節(jié)點，如圖1的Sink裝置所示。與傳統(tǒng)WSN不同的是，匯節(jié)點的位置不是隨機的，其部署要考慮到小區(qū)自行車停放區(qū)域的大小、小區(qū)的布局等因素。匯節(jié)點接收傳感節(jié)點的信息，并轉發(fā)給觀測者。

(2)報警提示

觀測站設置在值班室內，如圖1所示。由運行于PC機上的監(jiān)控軟件管理WSN收集到的信息，監(jiān)控軟件能夠顯示自行車在小區(qū)中的大致位置，顯示電子鎖的電池電量，提示更換電子鎖電池，提示電子鎖暴力開啟，提示自行車越界。

值班人員在得到監(jiān)控系統(tǒng)的提示后，可以快速采取相應行動，避免自行車失竊。

2 系統(tǒng)硬件設計

小區(qū)自行車防盜系統(tǒng)硬件設計的核心是WSN節(jié)點設計。按照在系統(tǒng)中承擔的任務劃分，可將WSN節(jié)點劃分成一般傳感節(jié)點和Sink節(jié)點。但這兩類節(jié)點只是在軟件功能上存在差異，而硬件設計并無本質不同。

本文將電子鎖和Sink節(jié)點劃分成六大硬件模塊，如圖2所示，以微控制器為核心，擴展了無線通信模塊、電源模塊、斷線檢測模塊、LED指示模塊、電壓采集模塊、按鍵模塊。

2.1 微控制器

本文選用ATmega128L作為主處理器。ATmega128L是基于AVR RISC結構的8 bit低功耗CMOS微處理器[3]，數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，可緩解系統(tǒng)在功耗和處理器之間的矛盾。芯片自帶128 KB的可編程Flash，在本應用中無需外擴存儲器。另外，ATmega128L有豐富的接口資源(如SPI、USART、TWI、ADC等)，為本應用提供了重要支持。

2.2 無線通信模塊

無線通信模塊采用CC1000，它是根據(jù)Chipcon公司的SmartRF技術，在0.35 μm CMOS工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發(fā)通信芯片[4]。其工作頻帶在315 MHz、868 MHz及915 MHz，但CC1000很容易通過編程使其工作在300 MHz～1 000 MHz范圍內。它具有低電壓(2.3 V～3.6 V)、極低的功耗、可編程輸出功率(-20 dBm～10 dBm)、高靈敏度（一般-109 dBm）、小尺寸（TSSOP-28封裝）、集成了位同步器等特點。其FSK數(shù)據(jù)率可達72.8 kb/s，具有250 Hz步長可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議；主要工作參數(shù)能通過串行總線接口編程改變，使用非常靈活。

ATmega128L通過PCLK、PDATA、PALE三線數(shù)字串行接口來操作CC1000芯片，控制它的工作狀態(tài)以及參數(shù)設置。DIO是CC1000與ATmega128L數(shù)據(jù)交換雙向管腳，數(shù)據(jù)交換時鐘始終由CC1000的DCLK提供，即CC1000總是處于主設備狀態(tài)[5]。

2.3 斷線報警模塊

斷線報警模塊是電子鎖的一個構成部分，其基本原理如圖3所示，在警戒狀態(tài)下，BG的基極偏置電壓經警戒線S對地短路，BG不工作。如遇盜情，S被斷開，BG立即得電工作，SCR導通，發(fā)光二極管點亮。微控制ATmega128L通過電壓檢測模塊檢測b、e兩點的電壓，判定電子鎖狀態(tài)。

2.4 其他模塊

電源模塊為ATmega128L、CC1000、斷線報警模塊供電。電壓檢測模塊有兩項功能：一是檢測電源電壓，以判定是否更換電池；二是檢測斷線報警模塊b、e兩點電壓，以判定電子鎖是否被暴力開啟。LED指示模塊用于指示W(wǎng)SN節(jié)點的運行狀態(tài)，服務于調試。按鍵模塊用于電子鎖的密碼設置、狀態(tài)設置。

為了達到節(jié)能的目標，硬件設計除了考慮處理器的幾種低功耗處理模式外，還設計了一個模擬開關，在電子鎖處于非保護模式且開啟時，該開關才能顯露出來，供用戶關閉電源，降低能耗。

3 系統(tǒng)軟件設計

小區(qū)自行車防盜系統(tǒng)軟件主要有兩大部分：一是運行于WSN節(jié)點上的軟件，二是運行于PC機上的監(jiān)控軟件。WSN節(jié)點軟件即信息感知和通信協(xié)議，下面從網(wǎng)絡拓撲、通信協(xié)議、監(jiān)控軟件三個方面論述。

3.1 網(wǎng)絡拓撲

因為小區(qū)停放自行車的區(qū)域相對規(guī)整，自行車的擺放也會相對整齊，所以本文使用圖4所示的簇形樹狀拓撲結構。將車棚區(qū)域劃分成幾個區(qū)，每個區(qū)形成一個簇，以Sink節(jié)點為簇首，電子鎖節(jié)點和簇首節(jié)點形成星形網(wǎng)絡，簇首采集到信息通過Sink節(jié)點依次轉發(fā)到觀測站的PC機，供監(jiān)控軟件分析處理。

電子鎖和Sink節(jié)點的ID用16 bit二進制數(shù)表示，這是節(jié)點的唯一標識。電子鎖和Sink節(jié)點的網(wǎng)絡地址也用16 bit二進制數(shù)表示，可以分為簇首序號和節(jié)點序號兩部分，各占8 bit，該網(wǎng)絡地址是在組網(wǎng)階段形成的。將網(wǎng)絡地址分成簇首序號和節(jié)點序號的目的是過濾報文。節(jié)點在接收到一條報文后，將簇首序號和節(jié)點序號分別與自身網(wǎng)絡地址匹配，如果不同可以直接刪除報文，降低報文轉發(fā)處理造成的能耗。

3.2 通信協(xié)議設計

小區(qū)自行車防盜系統(tǒng)中Sink節(jié)點的部署是固定的，而自行車何時擺放在車棚，擺放在哪個車棚，擺放在車棚的哪個位置是不確定的，即電子鎖節(jié)點的進入是隨機的。因此，通信協(xié)議[6]的運行分為兩個階段：主鏈網(wǎng)組網(wǎng)階段和信息感知階段。

(1)主鏈網(wǎng)組網(wǎng)階段協(xié)議

Sink節(jié)點部署在既定位置之后，如圖4所示，網(wǎng)絡包含一個與監(jiān)控主機相連的網(wǎng)關節(jié)點、若干個Sink節(jié)點和一些電子鎖傳感器節(jié)點。網(wǎng)關節(jié)點是路由的發(fā)起者和數(shù)據(jù)的收集者。上電初始化后，網(wǎng)關節(jié)點發(fā)送組網(wǎng)報文，如圖5所示，發(fā)布自己的網(wǎng)絡地址和同步時間列表。網(wǎng)關鄰居節(jié)點收到組網(wǎng)報文后，根據(jù)同步時間列表，發(fā)送確認報文，確認報文中包含自己的ID。網(wǎng)關節(jié)點收到確認報文后，向鄰居節(jié)點發(fā)送配置報文，配置報文包含網(wǎng)關節(jié)點為鄰居節(jié)點分配的網(wǎng)絡地址。這樣網(wǎng)關節(jié)點就和鄰居節(jié)點建立了父子層次關系。得到了網(wǎng)絡地址的子節(jié)點發(fā)布組網(wǎng)報文，如此重復，建立了主鏈網(wǎng)絡拓撲。

(2)信息感知階段協(xié)議

主鏈網(wǎng)絡拓撲建立后，電子鎖節(jié)點會隨機進入信息感知區(qū)域。網(wǎng)絡進入信息感知階段，該階段電子鎖節(jié)點與Sink節(jié)點的交互過程如圖6所示。Sink節(jié)點按照自己的時序列表，定時發(fā)送組網(wǎng)報文，進入Sink節(jié)點檢測區(qū)域的電子鎖在設置為保護狀態(tài)后，未獲得網(wǎng)絡地址之前，會持續(xù)監(jiān)聽組網(wǎng)報文。電子鎖節(jié)點收到Sink節(jié)點的組網(wǎng)報文后，依據(jù)報文中指示的同步時間列表，響應電子鎖加入報文，報文中包含電子鎖的ID號。Sink節(jié)點收到電子鎖加入報文后，向電子鎖節(jié)點發(fā)送配置報文，為電子鎖分配網(wǎng)絡地址。電子鎖擁有網(wǎng)絡地址后，會定時將采集到的信息發(fā)送給Sink節(jié)點，并逐層轉發(fā)到觀測站監(jiān)控計算機。如果用戶需要使用自行車正常外出，輸入正確的密碼正常開啟電子鎖后，電子鎖向Sink節(jié)點發(fā)送正常離開報文，然后進入休眠狀態(tài)。

3.3 監(jiān)控軟件設計

電子鎖向Sink節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)報文包含的信息主要有斷線報警狀態(tài)、正常外出狀態(tài)、電池電壓值和網(wǎng)絡地址，其中網(wǎng)絡地址中包含電子鎖的簇首序號。運行于PC機上的監(jiān)控軟件收集、分析處理這些信息，達到監(jiān)控小區(qū)自行車的目的。監(jiān)控軟件基于VC和SQL Server 平臺開發(fā)，實現(xiàn)越界報警、斷線報警、電子鎖電池更換提示等功能。

監(jiān)控程序在系統(tǒng)初始化后，啟動Socket數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理兩個線程，分別完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理功能。兩個線程以數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)交換的媒介，以信號量同步數(shù)據(jù)庫訪問。

Socket數(shù)據(jù)接收線程的流程如圖7所示，線程初始化后，首先啟動Socket監(jiān)聽，然后向網(wǎng)關發(fā)送組網(wǎng)命令，以建立主鏈網(wǎng)絡拓撲。該線程監(jiān)聽Socket端口，接收來自網(wǎng)關的數(shù)據(jù)報文，從數(shù)據(jù)報文中解析WSN感知到的數(shù)據(jù)信息，寫入數(shù)據(jù)庫表中。在訪問數(shù)據(jù)庫之前需要和數(shù)據(jù)處理線程以信號量保持同步。如果線程檢測到主進程發(fā)送的終止線程信號，線程將釋放占用的資源，結束自己。

數(shù)據(jù)處理線程的執(zhí)行流程如圖8所示，數(shù)據(jù)處理線程以數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，訪問數(shù)據(jù)庫前通過征用信號量與Socket線程同步，得到數(shù)據(jù)庫的訪問權后，數(shù)據(jù)處理線程依次做三項查詢，其中，斷線狀態(tài)優(yōu)先級最高，越界次之，更換電池提示最低。根據(jù)查詢結果做報警或提示處理，周而復始，直到檢測到進程設置的線程結束標志，才結束線程自身。

該系統(tǒng)是一個基于無線傳感器網(wǎng)絡的小區(qū)自行車管理系統(tǒng)。系統(tǒng)設計結合現(xiàn)階段小區(qū)自行車管理現(xiàn)狀及WSN技術的發(fā)展現(xiàn)狀，將ATmega128L微控制器和CC1000無線芯片技術結合到一起，除電子鎖的機械結構外，完成了電子鎖節(jié)點及Sink節(jié)點的實驗室模型設計。實驗表明，根據(jù)節(jié)點檢測到的信息，監(jiān)控程序能夠正確分析并顯示電子鎖節(jié)點的進入、越界、斷線、正常離開等狀態(tài)，越界或斷線時，監(jiān)控軟件發(fā)出警報，提醒安保人員注意，達到了模型系統(tǒng)的效果。為了驗證通信協(xié)議在多節(jié)點時的穩(wěn)定性，基于NS2平臺[7]做了仿真實驗，在節(jié)點數(shù)達到1 000時，協(xié)議仍能運行良好。

本文選用的硬件解決方案具有低成本、低能耗的特點，設計的通信協(xié)議雖然簡單，但是穩(wěn)定性良好，具有較好的實用價值。