隨著科技的進(jìn)步,，人們的防盜意識(shí)逐步提高,，對(duì)貴重物品防盜報(bào)警的準(zhǔn)確性和及時(shí)性提出了更高的要求,。目前常見(jiàn)的報(bào)警方式有現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警,、語(yǔ)音報(bào)警、以太網(wǎng)報(bào)警,、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)報(bào)警等,。其中，前兩種方式都需要目擊者現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行,，缺少無(wú)人值守功能并存在人身威脅,；以太網(wǎng)報(bào)警則存在布線復(fù)雜且易被切斷的隱患。針對(duì)以上不足,，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)IoT(Internet of Things)技術(shù)的智能防盜報(bào)警器,，該報(bào)警器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)物品的狀態(tài)信息，信息到達(dá)報(bào)警中心后進(jìn)行閾值比較，使用AT命令觸發(fā)TC35i進(jìn)行短信報(bào)警,。報(bào)警器具有標(biāo)簽式特征,，可以大量地進(jìn)行分布式放置,實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)貴重物品的無(wú)縫覆蓋。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能
    根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]定義的物聯(lián)網(wǎng)四層結(jié)構(gòu),，系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為感知識(shí)別層,，GSM/GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層，用戶的手機(jī)終端作為管理和應(yīng)用層,，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

    ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)室內(nèi)環(huán)境特點(diǎn)采用星狀網(wǎng)絡(luò)即可，它具有點(diǎn)到點(diǎn)通信的特點(diǎn),，各傳感器節(jié)點(diǎn)只能和網(wǎng)絡(luò)中唯一的協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信,，不受其他節(jié)點(diǎn)干擾。同時(shí),，星狀網(wǎng)絡(luò)無(wú)需復(fù)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(diǎn),、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)定義為監(jiān)控終端和報(bào)警中心。而采用一個(gè)報(bào)警中心是為了減小終端體積,，保證其標(biāo)簽式特性,，同時(shí)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(wú)線發(fā)送,，而監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)固定的報(bào)警中心則負(fù)責(zé)匯聚來(lái)自終端的狀態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)閾值比較,，可判定物品是否受力而動(dòng),。對(duì)于超出安全閾值的數(shù)據(jù)，通過(guò)向GSM模塊發(fā)送AT指令進(jìn)行短信報(bào)警,。用戶只需通過(guò)移動(dòng)終端就可以及時(shí)準(zhǔn)確地了解物品的安全狀況,。
2 硬件設(shè)計(jì)
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(cè)物品的移動(dòng)和振動(dòng)兩種狀態(tài),。MMA7260是一款高性?xún)r(jià)比的三軸模擬加速度傳感器,，其測(cè)量原理的本質(zhì)是通過(guò)改變其內(nèi)部的2片平板電容的間距來(lái)改變其電容，進(jìn)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(gè)方向X、Y,、Z軸上的加速度,，經(jīng)過(guò)容壓變換、增益放大、濾波和溫度補(bǔ)償后以電壓信號(hào)輸出[2],。輸出的模擬信號(hào)與其敏感軸方向上所受的加速度大小成線性關(guān)系,，故通過(guò)其加速度量的變化可以判斷物品的移動(dòng)或振動(dòng)。

2.2 MMA7260和CC2530接口電路設(shè)計(jì)
     CC2530是TI公司最新推出的一款真正用于IEEE802.15.4,、ZigBee和RF4CE應(yīng)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(diǎn),。其必備的外圍電路包括電源電路,、晶振電路、復(fù)位電路以及射頻收發(fā)電路等,，具體芯片電路可參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[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(hào)送入CC2530的ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可輸出數(shù)字信號(hào),。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(shí)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(dá)到800 mV/g的最高值，就可以檢測(cè)物品的輕微動(dòng)作,。CC2530的P0作為8路A/D輸入時(shí),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(shí),，MMA7260輸出的模擬量就可以通過(guò)CC2530轉(zhuǎn)換為數(shù)字量了,。
    報(bào)警器電源選用市面上常見(jiàn)的紐扣式鋰電池供電,，MMA7260和CC2530的標(biāo)準(zhǔn)供電電壓均為3.3 V。其中,，加速度傳感器可以通過(guò)SleepMode引腳選擇休眠和工作2種狀態(tài),，休眠時(shí)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(bào)警器可以滿足低功耗需求,采用鋰電池供電可以達(dá)到半年以上,。
2.3 GSM通信接口設(shè)計(jì)
     系統(tǒng)的報(bào)警中心接有GSM短信報(bào)警單元,，選用德國(guó)Siemens公司的TC35i模塊。這是一款支持中文短信的工業(yè)級(jí)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(dá)2.5 A,，故報(bào)警中心采用直流穩(wěn)壓電源供電,，確保網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的持久供電，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)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(guò)零阻力插座（ZIF）連接器引出并與SIM卡、CC2530連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,；其數(shù)據(jù)輸入輸出接口實(shí)際上是一個(gè)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(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的收發(fā),。
2.4 硬件電路板設(shè)計(jì)
    報(bào)警器硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于保證其標(biāo)簽式特性，即在準(zhǔn)確安全的前提下盡量縮小系統(tǒng)的體積,；而射頻電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于避免和減少器件間的干擾,。CC2530是相對(duì)比較敏感的芯片，其底部必須有效接地,，如需通過(guò)過(guò)孔接地,，應(yīng)盡可能接近芯片管腳。另外,，電源部分的濾波電路設(shè)計(jì)也是重要環(huán)節(jié),。為了保證電源信號(hào)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(gè)退耦濾波電容;這些濾波電容應(yīng)盡量靠近電源管腳放置,，且接地端也應(yīng)盡可能通過(guò)過(guò)孔可靠接地[5],。
　 天線設(shè)計(jì)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(cè)，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(dá)到較好的射頻信號(hào)性能，在PCB電路布局過(guò)程中,，應(yīng)該給天線留出足夠的空間,，以便能夠有效收發(fā)信號(hào)，降低干擾,。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 網(wǎng)絡(luò)建立和系統(tǒng)流程
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立關(guān)系到整個(gè)WSN系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和防盜報(bào)警的及時(shí)性及準(zhǔn)確性,。系統(tǒng)的軟件是在IAR Embedded Workbench 7.51A集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下開(kāi)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(luò),，主要實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)建立，終端入網(wǎng)的修改,。協(xié)調(diào)器啟動(dòng)后,，首先掃描信道，確定是否已經(jīng)有網(wǎng)絡(luò)存在,，如已存在,，則作為終端加入網(wǎng)絡(luò)；反之,，自行建網(wǎng),。網(wǎng)絡(luò)的建立是通過(guò)協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層函數(shù)NLME_NetworkFormationRequest（）啟動(dòng)，并通過(guò)zb_AllowBind（）函數(shù)開(kāi)放綁定,。終端啟動(dòng)后,，掃描信道，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)后,，發(fā)出綁定請(qǐng)求zb_BindDevice（）,。協(xié)調(diào)器隨即建立綁定表并響應(yīng)綁定請(qǐng)求。當(dāng)綁定成功后,，節(jié)點(diǎn)間便開(kāi)始點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸,。后續(xù)節(jié)點(diǎn)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(luò)地址,。整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行流程如圖4所示,。

3.2 監(jiān)控終端程序設(shè)計(jì)
    監(jiān)控終端主要負(fù)責(zé)采集加速度信息，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,，輸出數(shù)字信號(hào),。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(guò)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(biāo)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(dòng)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(guò)A/D轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后，可以通過(guò)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(shí)的空間示意及相應(yīng)的采集數(shù)據(jù)。

    通過(guò)對(duì)2組數(shù)據(jù)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),，當(dāng)終端正置時(shí),，X、Y,、Z 軸方向上的數(shù)據(jù)均未超過(guò)520,，而倒置時(shí)，X,、Y,、Z軸方向上的數(shù)據(jù)也均未超過(guò)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(rèn)定物體發(fā)生移動(dòng),，存在風(fēng)險(xiǎn)。以此類(lèi)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(dá)到對(duì)監(jiān)控物品的全方位監(jiān)控,。
3.3 短信報(bào)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(shè)置串口波特率（AT+IPR=9 600）、短信服務(wù)中心（AT+CSCA=“+8613800429500”）,、 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)登錄模式,、短消息模式等。在設(shè)置短消息模式時(shí),，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(jìn)行中文字符發(fā)送,，故報(bào)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(jiǎn)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(bào)警的短信內(nèi)容為“物品移動(dòng)”，其對(duì)應(yīng)的Unicode碼為“7269 54C1 79FB 52A8”,。然后使用短信發(fā)送命令A(yù)T+CMGS=“+8613*********”即可向指定手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息,。當(dāng)然，報(bào)警中心也可以設(shè)置多個(gè)短信接收中心,，實(shí)現(xiàn)對(duì)多人的同時(shí)報(bào)警,。
    報(bào)警器經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，能夠達(dá)到對(duì)物品輕微移動(dòng)或振動(dòng)的準(zhǔn)確報(bào)警,，為物聯(lián)網(wǎng)推廣環(huán)境下的防盜報(bào)警裝置提供了新的設(shè)計(jì)思路,，為人們的財(cái)產(chǎn)安全提供了更高的保障。但是,，如何提高制板工藝,，進(jìn)一步減小報(bào)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(hào)的干擾是下一步研究的重點(diǎn),，也是進(jìn)一步改善系統(tǒng)的關(guān)鍵,。
參考文獻(xiàn)
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[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(guó)忠,，雷聲,，潘敏，等. 基于加速度傳感器的保險(xiǎn)箱報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用2011,37(1)：102-121.
[5] 寧炳武,，劉軍民. 基于CC2430的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) [J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2008,，34(3)：95-99.