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基于MMA7260的標簽式防盜報警器設計
來源:電子技術應用2012年第3期
許 馳, 李新春
遼寧工程技術大學 電子與信息工程學院, 遼寧 葫蘆島125105
摘要: 針對當前防盜報警裝置體積大、布線復雜、及時性和準確性差的問題,提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的標簽式防盜報警器。采用MMA7260三軸加速度傳感器采集物品的加速度信息,判斷其是否受力而動。利用CC2530對數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換和無線收發(fā),在2.4 GHz頻段信道通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡傳送。報警器具有可大量分布式布置的特點,能夠?qū)崟r、準確地監(jiān)控物品的狀態(tài)信息,保證被測物品的安全。
中圖分類號: TP277
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2012)03-0142-03
Design of tabbed anti-theft alarm based on MMA7260
Xu Chi, Li Xinchun
School of Electronic and Information Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105,China
Abstract: For the bulk mass, wiring complex, poor timeliness and accuracy problems of current anti-theft alarm, propose a tabbed anti-theft alarm based on Internet of Things Technology. Use three-axis acceleration sensor MMA7260 collect things’ acceleration information; determine whether it is forced moving. Use CC2530 to do A/D convert and wireless send or receive, then transmit it though ZigBee WSN at the 2.4 GHz channel. The alarm can be distributed arranged in large numbers, can monitor things’ status information in real time and accurately, ensure things’ security.
Key words : Internet of things;ZigBee;WSN;acceleration sensor;anti-theft alarm

    隨著科技的進步,人們的防盜意識逐步提高,對貴重物品防盜報警的準確性和及時性提出了更高的要求。目前常見的報警方式有現(xiàn)場報警、語音報警、以太網(wǎng)報警、無線網(wǎng)絡報警等。其中,前兩種方式都需要目擊者現(xiàn)場進行,缺少無人值守功能并存在人身威脅;以太網(wǎng)報警則存在布線復雜且易被切斷的隱患。針對以上不足,本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)IoT(Internet of Things)技術的智能防盜報警器,該報警器能夠?qū)崟r監(jiān)測物品的狀態(tài)信息,信息到達報警中心后進行閾值比較,使用AT命令觸發(fā)TC35i進行短信報警。報警器具有標簽式特征,可以大量地進行分布式放置,實現(xiàn)對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)貴重物品的無縫覆蓋。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能
    根據(jù)參考文獻[1]定義的物聯(lián)網(wǎng)四層結(jié)構(gòu),系統(tǒng)采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡作為感知識別層,GSM/GPRS移動通信網(wǎng)絡作為網(wǎng)絡構(gòu)建層,用戶的手機終端作為管理和應用層,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡可根據(jù)室內(nèi)環(huán)境特點采用星狀網(wǎng)絡即可,它具有點到點通信的特點,各傳感器節(jié)點只能和網(wǎng)絡中唯一的協(xié)調(diào)器進行通信,不受其他節(jié)點干擾。同時,星狀網(wǎng)絡無需復雜路由算法,可以有效減少功耗、降低成本。系統(tǒng)分別將傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點定義為監(jiān)控終端和報警中心。而采用一個報警中心是為了減小終端體積,保證其標簽式特性,同時降低系統(tǒng)成本和功耗。監(jiān)控終端的功能主要是采集模擬加速度量、A/D轉(zhuǎn)換和無線發(fā)送,而監(jiān)測區(qū)域內(nèi)固定的報警中心則負責匯聚來自終端的狀態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過閾值比較,可判定物品是否受力而動。對于超出安全閾值的數(shù)據(jù),通過向GSM模塊發(fā)送AT指令進行短信報警。用戶只需通過移動終端就可以及時準確地了解物品的安全狀況。
2 硬件設計
2.1 MMA7260傳感器

    監(jiān)控終端采用Freescale公司的MMA7260加速度傳感器作為數(shù)據(jù)采集單元,分別檢測物品的移動和振動兩種狀態(tài)。MMA7260是一款高性價比的三軸模擬加速度傳感器,其測量原理的本質(zhì)是通過改變其內(nèi)部的2片平板電容的間距來改變其電容,進而改變輸出電壓。圖2所示為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,G-Cell傳感單元采集空間中相互垂直的3個方向X、Y、Z軸上的加速度,經(jīng)過容壓變換、增益放大、濾波和溫度補償后以電壓信號輸出[2]。輸出的模擬信號與其敏感軸方向上所受的加速度大小成線性關系,故通過其加速度量的變化可以判斷物品的移動或振動。

 

 

2.2 MMA7260和CC2530接口電路設計
     CC2530是TI公司最新推出的一款真正用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的片上系統(tǒng)(SoC),它沿用了CC2430的芯片架構(gòu),只需很少的外圍電路即可構(gòu)建ZigBee節(jié)點。其必備的外圍電路包括電源電路、晶振電路、復位電路以及射頻收發(fā)電路等,具體芯片電路可參見參考文獻[3]。CC2530內(nèi)部集成了低功耗的8051微控制器內(nèi)核和8路可配置分辨率的12 bit ADC,故將模擬信號送入CC2530的ADC進行轉(zhuǎn)換即可輸出數(shù)字信號。接口電路如圖3所示。

    圖3中,g-Select1和g-Select2用于加速度傳感器的靈敏度選擇,可以分別實現(xiàn)1.5 g、2 g、4 g和6 g 量程,直接與CC2530的GPIO相連即可。這里,給g-Select1和g-Select2均加低電平,選用1.5 g量程,使傳感器靈敏度達到800 mV/g的最高值,就可以檢測物品的輕微動作。CC2530的P0作為8路A/D輸入時,需配置ADCCFG寄存器為0x07,即選擇P0_0、P0_1、P0_2分別作為XOUT、YOUT、ZOUT的A/D輸入引腳。此時,MMA7260輸出的模擬量就可以通過CC2530轉(zhuǎn)換為數(shù)字量了。
    報警器電源選用市面上常見的紐扣式鋰電池供電,MMA7260和CC2530的標準供電電壓均為3.3 V。其中,加速度傳感器可以通過SleepMode引腳選擇休眠和工作2種狀態(tài),休眠時的電流為3 μA;CC2530則提供了4種供電模式,其在睡眠和中斷情況下的電流分別為1 μA、4 μA,在射頻收發(fā)狀態(tài)下也僅為24 mA、29 mA。故報警器可以滿足低功耗需求,采用鋰電池供電可以達到半年以上。
2.3 GSM通信接口設計
     系統(tǒng)的報警中心接有GSM短信報警單元,選用德國Siemens公司的TC35i模塊。這是一款支持中文短信的工業(yè)級GSM模塊,采用3.3~4.8 V電源供電,休眠狀態(tài)下的電流損耗為3.5 mA,發(fā)射狀態(tài)下的平均電流為300 mA,峰值可達2.5 A,故報警中心采用直流穩(wěn)壓電源供電,確保網(wǎng)關節(jié)點的持久供電,維護網(wǎng)絡的穩(wěn)定。
    TC35i模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口6部分組成[4]。模塊共40引腳,通過零阻力插座(ZIF)連接器引出并與SIM卡、CC2530連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信;其數(shù)據(jù)輸入輸出接口實際上是一個串行異步收發(fā)器,RTS0/CTS0用于硬件握手,RxD0/TxD0用于串口通信,引腳輸入輸出均為正邏輯電平TTL2.9 V,將其分別連接到CC2530的GPIO即可實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。
2.4 硬件電路板設計
    報警器硬件設計的關鍵在于保證其標簽式特性,即在準確安全的前提下盡量縮小系統(tǒng)的體積;而射頻電路設計的關鍵在于避免和減少器件間的干擾。CC2530是相對比較敏感的芯片,其底部必須有效接地,如需通過過孔接地,應盡可能接近芯片管腳。另外,電源部分的濾波電路設計也是重要環(huán)節(jié)。為了保證電源信號穩(wěn)定,濾除電源噪聲,在電源輸入端可放置10 μF和100 nF 2個退耦濾波電容;這些濾波電容應盡量靠近電源管腳放置,且接地端也應盡可能通過過孔可靠接地[5]。
  天線設計采用倒F型的微帶天線,直接印刷在PCB板上,能夠保證電路板的緊湊性,并降低成本。根據(jù)官方手冊,選用PCB天線能夠滿足所有的TI射頻收發(fā)器件,其最大增益為+3.3 dB,所需最大尺寸僅為25.7 mm×7.5 mm。為了達到較好的射頻信號性能,在PCB電路布局過程中,應該給天線留出足夠的空間,以便能夠有效收發(fā)信號,降低干擾。
3 軟件設計
3.1 網(wǎng)絡建立和系統(tǒng)流程

    ZigBee網(wǎng)絡的建立關系到整個WSN系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和防盜報警的及時性及準確性。系統(tǒng)的軟件是在IAR Embedded Workbench 7.51A集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā),完成系統(tǒng)軟件ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0協(xié)議棧的修改。ZigBee星狀網(wǎng)絡,主要實現(xiàn)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡建立,終端入網(wǎng)的修改。協(xié)調(diào)器啟動后,首先掃描信道,確定是否已經(jīng)有網(wǎng)絡存在,如已存在,則作為終端加入網(wǎng)絡;反之,自行建網(wǎng)。網(wǎng)絡的建立是通過協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡層函數(shù)NLME_NetworkFormationRequest()啟動,并通過zb_AllowBind()函數(shù)開放綁定。終端啟動后,掃描信道,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡后,發(fā)出綁定請求zb_BindDevice()。協(xié)調(diào)器隨即建立綁定表并響應綁定請求。當綁定成功后,節(jié)點間便開始點到點的數(shù)據(jù)傳輸。后續(xù)節(jié)點的入網(wǎng)執(zhí)行相同的步驟,協(xié)調(diào)器不斷更新綁定表,并為終端分配網(wǎng)絡地址。整個系統(tǒng)的執(zhí)行流程如圖4所示。

3.2 監(jiān)控終端程序設計
    監(jiān)控終端主要負責采集加速度信息,并進行A/D轉(zhuǎn)換,輸出數(shù)字信號。主要包括初始化MMA7260、數(shù)據(jù)采集,A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠?。在A/D轉(zhuǎn)換過程中,需要注意配置ADCCFG、ADCCON1、ADCCON3等寄存器。其程序如下:
    INT16 getADCdata( unsigned char ch)
    {
        //ch選定A/D轉(zhuǎn)換通道,指向X、Y、Z軸
         ADCH &= 0X00;                     //清EOC標志
        ADCCON3=0xb0;
                   //參考電壓AVDD5,512分頻,12 bit轉(zhuǎn)換
         ADCCON3 | = ch;                  //選擇轉(zhuǎn)換通道
          ADCCON1 | = 0X30;                     //停止A/D
         ADCCON1 | = 0X40;                   //啟動A/D
        while(!(ADCCON1&0x80));             //等待轉(zhuǎn)換完成
        ……                                                //數(shù)據(jù)處理
    }
    傳感器采集的加速度數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和相應的數(shù)據(jù)處理后,可以通過串口工具SComAssistant直觀地顯示在PC端,便于觀察數(shù)據(jù)的變化并確定閾值范圍。圖5和圖6分別是監(jiān)控終端正置和倒置時的空間示意及相應的采集數(shù)據(jù)。

    通過對2組數(shù)據(jù)的對比可以發(fā)現(xiàn),當終端正置時,X、Y、Z 軸方向上的數(shù)據(jù)均未超過520,而倒置時,X、Y、Z軸方向上的數(shù)據(jù)也均未超過740。2組數(shù)據(jù)可分別用于確定終端正置和倒置的置信區(qū)間,如超出此范圍,則可認定物體發(fā)生移動,存在風險。以此類推,還可以確定終端在空間中橫放、豎放等多種方式下的安全置信區(qū)間,達到對監(jiān)控物品的全方位監(jiān)控。
3.3 短信報警程序
    GSM模塊的初始化由協(xié)調(diào)器MCU向其發(fā)送AT命令完成,包括設置串口波特率(AT+IPR=9 600)、短信服務中心(AT+CSCA=“+8613800429500”)、 無線網(wǎng)絡登錄模式、短消息模式等。在設置短消息模式時,AT+CMGF=0表示PDU模式,AT+CMGF=1表示TEXT模式。TEXT模式只能傳送數(shù)字和字母,而PDU模式可以進行中文字符發(fā)送,故報警中心選擇PDU模式。PDU模式有3種編碼方式,分別是7-bit編碼、8-bit編碼和UCS2編碼,本文選擇UCS2編碼(即中文Unicode)。其編碼方式比較簡單,只需將要發(fā)送的字符轉(zhuǎn)換成由數(shù)字和字母組成的4 bit字符串即可[4]。例如要報警的短信內(nèi)容為“物品移動”,其對應的Unicode碼為“7269 54C1 79FB 52A8”。然后使用短信發(fā)送命令AT+CMGS=“+8613*********”即可向指定手機發(fā)送報警信息。當然,報警中心也可以設置多個短信接收中心,實現(xiàn)對多人的同時報警。
    報警器經(jīng)過實驗測試,能夠達到對物品輕微移動或振動的準確報警,為物聯(lián)網(wǎng)推廣環(huán)境下的防盜報警裝置提供了新的設計思路,為人們的財產(chǎn)安全提供了更高的保障。但是,如何提高制板工藝,進一步減小報警器的體積和功耗,以及如何更好地抵抗可能存在的其他2.4 GHz頻段射頻信號的干擾是下一步研究的重點,也是進一步改善系統(tǒng)的關鍵。
參考文獻
[1] 劉云浩. 物聯(lián)網(wǎng)導論[M]. 北京:科學出版社,2011.
[2] Freescale Semiconductor. MMA7260Q DataSheet[EB/OL] (2005-04-01).http://www.freescale.com/.
[3] Texas Instruments. CC2530 Data Sheet[EB/OL](2010-10-05) http://www.ti.com/.
[4] 朱國忠,雷聲,潘敏,等. 基于加速度傳感器的保險箱報警系統(tǒng)設計[J]. 電子技術應用2011,37(1):102-121.
[5] 寧炳武,劉軍民. 基于CC2430的ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點設計 [J]. 電子技術應用,2008,34(3):95-99.

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