ZigBee技術在槍支定位系統(tǒng)中的應用

      目前，武警部隊針對執(zhí)勤過程中可能發(fā)生的事故案件，采取了哨位監(jiān)視、槍彈分離等方法，加強了對彈藥的管理，有效減少了事故的發(fā)生。但在對槍支的管控上，還存在隱患。一旦遇到犯罪分子搶奪槍支、哨兵攜槍逃跑等情況，不能及時發(fā)現(xiàn)并定位，造成槍支的流失，對人們的生命財產(chǎn)安全和社會的穩(wěn)定都會帶來極大的威脅。因此，如何實現(xiàn)對槍支的定位、管理是亟待解決的問題。由于GPS技術在實現(xiàn)定位時存在功耗大，成本高，可擴展性差等局限性，針對這一情況，提出了一種基于ZigBee技術的槍支定位系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)在監(jiān)區(qū)、營區(qū)等小區(qū)域范圍內(nèi)掌握槍支當前所處位置，當有異常情況發(fā)生時，及時發(fā)出報警信號，以便執(zhí)勤人員能夠快速、及時、準確地做出反應。

　   1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡概述

　　1．1 無線傳感器網(wǎng)絡

　　無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor network，WSN)是由低成本、低功耗的微型傳感器節(jié)點，通過自組織通信形成的無線網(wǎng)絡，是一種全新的信息獲取平臺，可以在廣泛的應用領域內(nèi)實現(xiàn)復雜的大范圍監(jiān)測和跟蹤。無線傳感器網(wǎng)絡通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。傳感器節(jié)點通常是一個嵌入式系統(tǒng)，在對所監(jiān)測到的信息進行初步處理之后，以多跳中繼的方式將其傳送給匯聚節(jié)點，然后經(jīng)衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)、或是移動通信網(wǎng)絡等途徑到達最終用戶所在的管理節(jié)點。匯聚節(jié)點位置固定，終端用戶可通過管理節(jié)點對無線傳感器網(wǎng)絡進行管理和配置，發(fā)布監(jiān)測任務或是收集回傳數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)架構如圖1所示。

　　1．2 ZigBee技術簡介

　　ZigBee技術是一種面向自動化和無線控制的低速率、低功耗、低價格的無線網(wǎng)絡方案。它的通信速率要求低于藍牙，由電池供電設備提供無線通信功能。ZigBec支持mesh網(wǎng)絡拓撲結構，其無線設備工作在公共頻段上(全球2．4 GHz，美國915 MHz，歐洲868 MHz)。采用ZigBee技術的產(chǎn)品可以在2．4 GHz上提供250 Kb／s(16個信道)、在915 MHz提供40 Kb／s(10個信道)和在868 MHz上提供20 Kb／s(1個信道)的傳輸速率。傳輸范圍依賴于輸出功率和信道環(huán)境，介于10～100m之間，一般在30 m左右。

　　由于ZigBee使用的是開放頻段，已有多種無線通信技術使用。因此為避免被干擾，各個頻段均采用直接序列擴頻技術。同時，PHY的直接序列擴頻技術允許設備無需閉環(huán)同步。

　　ZigBee技術的主要優(yōu)點包括有：

　　功耗低

　　由于ZigBee的傳輸速率低，估算2節(jié)普通5號干電池可使用6個月到2年。成本低 模塊的初始成本估計在6美元左右，很快就能降到1．5～2．5美元之間，且ZigBee協(xié)議是免專利費的。

　　網(wǎng)絡容量大

　　一個ZigBee網(wǎng)絡最多可容納254個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡。

　　時延短

　　通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設備信道接入時延為15ms。

　　安全

　　ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，采用AES-128加密算法。

　　可靠

　　采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。

　　由于ZigBee技術發(fā)展日趨成熟，國內(nèi)外對無線傳感器技術的研究也越來越深入，且ZigBee技術支持地理定位功能，可以及時獲取目標節(jié)點位置，以實現(xiàn)對移動目標的動態(tài)監(jiān)測。本文積極借鑒當前關于ZigBee技術的理論研究成果，構建了槍支定位系統(tǒng)。

　   2 槍支定位系統(tǒng)設計

　   2．1 總體規(guī)劃

　　如圖2所示，在該系統(tǒng)中，將槍支放置的區(qū)域劃分為監(jiān)區(qū)、營區(qū)、警戒區(qū)。其中，監(jiān)區(qū)、營區(qū)、警戒區(qū)是預定的監(jiān)控區(qū)域(圖2虛線框所示范圍)，均為安全區(qū)域；虛線框以外的區(qū)域為非安全區(qū)域。若槍支在預定監(jiān)控區(qū)域內(nèi)活動，則認為是正常的，不發(fā)出報警信號；反之若脫離監(jiān)控區(qū)域，則認為異常，此時發(fā)出報警信號。在構建該系統(tǒng)時可以在不改變武警部隊已有監(jiān)控網(wǎng)絡的基礎上進行更新，繼續(xù)使用部隊現(xiàn)有的三級網(wǎng)。

　　在三級網(wǎng)的基礎上增設ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，在預定監(jiān)控區(qū)域內(nèi)每隔幾十米放置一個無線傳感器節(jié)點，即圖2中的增強型節(jié)點。每個槍支上安裝一個無線傳感器節(jié)點，該節(jié)點攜帶此槍支的基本信息，這些節(jié)點可以通過自組織形成一個無線傳感器網(wǎng)絡。在監(jiān)區(qū)、營區(qū)等區(qū)域的至高點上放置一個匯聚節(jié)點，該節(jié)點需要具有網(wǎng)關功能。匯聚節(jié)點連接無線傳感器網(wǎng)絡和武警部隊現(xiàn)有的三級網(wǎng)，實現(xiàn)以下功能：

　　(1)實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議棧與三級網(wǎng)的協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換；

　　(2)發(fā)布監(jiān)控中心的監(jiān)控任務，并將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到三級網(wǎng)上，最后傳至值班室的監(jiān)控中心。

　　該系統(tǒng)以部隊現(xiàn)有的三級網(wǎng)為主要信息傳輸載體，每個增強型節(jié)點負責采集槍支上安裝的無線傳感器節(jié)點的位置信息，利用射頻模塊按照一定的通信協(xié)議在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡中傳輸，并通過設置的匯聚節(jié)點實現(xiàn)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡與三級網(wǎng)之間的互聯(lián)。三級網(wǎng)將無線傳感器網(wǎng)絡采集到的位置信息發(fā)送到值班室的監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)無線傳感器收集到的位置信息對槍支實現(xiàn)實時監(jiān)控。當發(fā)現(xiàn)槍支將要脫離預定監(jiān)控區(qū)域時，由監(jiān)控中心立即發(fā)出報警信號，以便快速、及時、準確地對突發(fā)狀況做出反應。

　　2．2 普通節(jié)點的設計

 圖2中的普通節(jié)點即為傳感器節(jié)點。其功能為采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以多跳中繼的方式傳送給匯聚節(jié)點。傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊4部分組成，如圖3所示。其中，處理器模塊負責對整個節(jié)點進行控制和管理；傳感器模塊負責對預定監(jiān)控區(qū)域信息進行采集，并做一定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；無線通信模塊負責節(jié)點之間按一定的通信協(xié)議相互通信；能量供應模塊為節(jié)點供電，提供各部分運行需要的電量。在該系統(tǒng)中，每個槍支上都固定一個節(jié)點(即圖2是的普通節(jié)點)，該節(jié)點內(nèi)置槍支的信息。由于節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡的核心設計要求之一，所以在設計本系統(tǒng)時，要求傳感器節(jié)點的發(fā)射功率要很小，且為了增加電池使用壽命，同時保證發(fā)射出的信號能被順利接收，通過調(diào)度節(jié)點的休眠或喚醒狀態(tài)使相關性較強的節(jié)點交替工作而不是一直處在收發(fā)信號的狀態(tài)，每隔一段時間(40 s左右)連續(xù)發(fā)射1組(15次左右)槍支信息。

　　在該系統(tǒng)的傳感器節(jié)點中，無線通信模塊采用具有定位引擎的CC2431芯片，具有2．4 GHz直接序列擴頻(DSSS)射頻收發(fā)器核心和高效的8051控制器。其中，MCU包括存儲器及其外圍，其他模塊提供電源管理、時鐘分配和測試等重要功能。CC2431的設計結合了8 KB的RAM及強大的外圍模塊，并且有3種不同的版本。它們根據(jù)不同的閃存空間32 KB，64 KB和128 KB來優(yōu)化復雜度與成本。CC2431的尺寸只有7mm×7mm的48腳封裝，采用具有內(nèi)嵌閃存的0．18μm CMOS標準技術。針對協(xié)議棧、網(wǎng)絡和應用軟件執(zhí)行時對MCU處理能力的要求，CC2431包含一個增強型工業(yè)標準的8位8051微控制器內(nèi)核，運行時鐘為32MHz。CC2431還包含一個DMA控制器，可以減少8051微控制器內(nèi)核對數(shù)據(jù)的傳送操作，因此提高了芯片整體的性能。

　　2．3 匯聚節(jié)點的設計

　　匯聚節(jié)點實現(xiàn)兩個通信網(wǎng)絡之間數(shù)據(jù)的交換，實現(xiàn)2種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，它發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，并把收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡上。它既可以是一個增強功能的傳感器節(jié)點，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶無線通信接口的特殊網(wǎng)關設備。匯聚節(jié)點包括存儲器模塊、處理器模塊、網(wǎng)絡通信模塊、節(jié)點通信模塊以及能量供應模塊，其結構如圖4所示。該系統(tǒng)中，匯聚節(jié)點負責與監(jiān)控中心的通信，實現(xiàn)

　　與監(jiān)控中心的信息傳輸，同時兼容RS 232／RS 485接口，當節(jié)點與服務器終端出現(xiàn)意外通信故障時，直接將節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)通過RS 232／RS 485接口傳輸?shù)接嬎銠C上，并加以分析。

　   3 結語

　　在此，介紹了基于ZigBee技術的槍支定位系統(tǒng)，通過在監(jiān)區(qū)、營區(qū)等預定監(jiān)控區(qū)域內(nèi)建立一個無線傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的通信。傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)，并通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過RS 232接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。在監(jiān)區(qū)、營區(qū)等區(qū)域內(nèi)對節(jié)點的通信距離、傳輸時延、數(shù)據(jù)安全性等進行了測試。經(jīng)測試，該系統(tǒng)傳感器節(jié)點的通信距離大約為35m，數(shù)據(jù)安全性亦較高，且具有較高的靈活性和可擴展性。