們的生命財產安全和社會的穩(wěn)定都會帶來極大的威脅。因此，如何實現對槍支的定位、管理是亟待解決的問題。由于GPS技術在實現定位時存在功耗大，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。通過該系統在監(jiān)區(qū)、營區(qū)等小區(qū)域范圍內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無線傳感器網絡概述
1．1 無線傳感器網絡
無線傳感器網絡(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絡，是一種全新的信息獲取平臺，可以在廣泛的應用領域內實現復雜的大范圍監(jiān)測和跟蹤。無線傳感器網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，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，然后經衛(wèi)星、互聯網、或是移動通信網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)點對無線傳感器網絡進行管理和配置，發(fā)布監(jiān)測任務或是收集回傳數據。其系統架構如圖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協議是免專利費的。
網絡容量大 一個ZigBee網絡最多可容納254個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡。
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提供了數據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)送數據時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸機制，每個發(fā)送的數據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。
2 槍支定位系統設計
2．1 總體規(guī)劃
如圖2所示，在該系統中，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。在構建該系統時可以在不改變武警部隊已有監(jiān)控網絡的基礎上進行更新，繼續(xù)使用部隊現有的三級網。
在三級網的基礎上增設ZigBee無線傳感器網絡，在預定監(jiān)控區(qū)域內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)點需要具有網關功能。匯聚節(jié)點連接無線傳感器網絡和武警部隊現有的三級網，實現以下功能：
(1)實現無線傳感器網絡的協議棧與三級網的協議棧之間的通信協議轉換；
(2)發(fā)布監(jiān)控中心的監(jiān)控任務，并將收集到的數據轉發(fā)到三級網上，最后傳至值班室的監(jiān)控中心。
該系統以部隊現有的三級網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議在ZigBee無線傳感器網絡中傳輸，并通過設置的匯聚節(jié)點實現ZigBee無線傳感器網絡與三級網之間的互聯。三級網將無線傳感器網絡采集到的位置信息發(fā)送到值班室的監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據無線傳感器收集到的位置信息對槍支實現實時監(jiān)控。當發(fā)現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。其功能為采集數據，并將數據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，并做一定的數據轉換；無線通信模塊負責節(jié)點之間按一定的通信協議相互通信；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)點內置槍支的信息。由于節(jié)能是無線傳感器網絡的核心設計要求之一，所以在設計本系統時，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，采用具有內嵌閃存的0．18μm CMOS標準技術。針對協議棧、網絡和應用軟件執(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微控制器內核對數據的傳送操作，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)點實現兩個通信網絡之間數據的交換，實現2種協議棧之間的通信協議轉換，它發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，并把收集到的數據轉發(fā)到外部網絡上。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關設備。匯聚節(jié)點包括存儲器模塊、處理器模塊、網絡通信模塊、節(jié)點通信模塊以及能量供應模塊，其結構如圖4所示。該系統中，匯聚節(jié)點負責與監(jiān)控中心的通信，實現
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意外通信故障時，直接將節(jié)點收集到的數據通過RS 232／RS 485接口傳輸到計算機上，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，通過在監(jiān)區(qū)、營區(qū)等預定監(jiān)控區(qū)域內建立一個無線傳感器網絡，實現傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的通信。傳感器節(jié)點采集數據，并通過ZigBee無線傳感器網絡將數據發(fā)送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過RS 232接口將數據傳輸到監(jiān)控中心。在監(jiān)區(qū)、營區(qū)等區(qū)域內對節(jié)點的通信距離、傳輸時延、數據安全性等進行了測試。經測試，該系統傳感器節(jié)點的通信距離大約為35m，數據安全性亦較高，且具有較高的靈活性和可擴展性。
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