校内自行车防盗跟踪系统的设计

1 引言
近年来,随着无线通讯,传感器技术以及嵌入式计算等技术的不断进步,推动了低成本、低功耗的物联网技术的发展,促使物联网技术成为当今活跃的研究领域[1]。物联网由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通讯方式形成的一个网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者。无线传感器网络在军事和民用领域都有广阔的应用前景[2]。物联网(Internet of Things)指的是将无处不在的末端设备和设施,包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等和“外在使能”的,如贴上RFID的各种资产、携带无线终端的个人与车辆等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”[3]。通过各种无线长距离或短距离通讯网络实现互联互通、应用大集成、以及基于云计算的SaaS营运等模式,提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面等管理和服务功能,实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化[4]。物联网的关键技术,体系结构,系统模式以及网络体系和服务体系都成为当前的研究热点[5]。本文把物联网技术引入到校园自行车防盗系统中,给出了一套基于物联网的校内自行车防盗系统的设计方案,为校园内自行车的管理提供保障。
物联信息处理中心,结构框图如图1:

传感网络:传感网络是本系统的基本组成部分,采用ZigBee网络,被保护的物体上都含有一个由ZigBee节点和一个加速度传感器组成的设备节点,传感网络负责对进入本网络的设备节点进行位置定位,设备节点会记录位置信息,当有人移动自行车时,加速度传感器作出反应,触发设备节点再次测算位置信息,当位置发生一定程度的位移时,即发送报警信息给ZigBee网络协调器,同时本地作出报警反应。在自行车被偷窃后,设备节点也会实时测算自己在传感网络中的最新位置信息,并上传给信息处理中心。
感知平台:感知平台由ZigBee网络的协调器以及一个协议转换平台构成,协议转换平台是由专门的MCU构成。感知平台作为信息汇聚节点,负责把每个ZigBee网络的数据汇聚起来,再利用TCP/IP协议,将数据通过有线或是无线的方式发送给物联信息处理中心。
物联信息处理中心:对感知平台传送来的数据进行分析处理,对报警信息作出反应,通过移动网络将报警信息传递给物主本人,同时将报警信息和物体的最新位置信息传递给学校保卫处,启动相应位置的监控设备,并派出安保人员进行处理。此外,物联信息处理中心还可以进一步扩充,作为全校物联信息的数据处理中心,对全校范围内的传感网络进行管理,真正实现感知校园、智慧校园。

3 硬件设计
校园自行车防盗系统硬件设计的核心是无线网络节点设计,按照系统中承担的任务划分,可划分为一般的传感节点和感知平台。但这两类只是略有不同,硬件上并无本质不同,都是这几大部分(如图2)。

(1) 微型处理器
本设计选用CC2430作为主处理器,CC243是一颗真正的系统芯片COMS解决方案,它结合一个高性能2.4GHz DSSS射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM以及强大的外围模块,在本设计中无需外扩存储器,它的低成本,低功耗的特点也是采用本处理器的重要原因。
(2) 信息采集模块
此处选择的是美新加速度传感器,它是按照CMOS工艺集成的双轴测量加速度的装置。装置的工作原理基于热对流,工作像其他加速计一样,不同在于它是一个气泡在MEMSIC装置中。一个单一的热源悬浮在单晶硅中的密闭的空间,成组热电偶等间距的分布在热源的四周。在没有加速度时,热源四周的温度阶梯一样,所以所有电偶处的温度相同,热电偶输出电压也就一样。由于热对流的任意性,加速计的每个方向都可能打破温度的平衡而呈现出非线性,由于温度变化,所以四个热电偶输出地电压就不同。不同的加速与输出地不同电压成直接比例关系。加速计上有两个完全相同的加速度信号线分别用来测量X,Y轴的加速度。
它通过混合信号处理和集成IIC总线组成一个完整的传感系统(工作时序图如图3),可以直接和微处理器连接而不再需要A/D转换。MXC6202xG/H/M/N芯片测量加速范围±2g,工作在3.0V25℃环境下精度可达到g/512—g/128,动态静态加速都可测量。利用自行车被盗时有加速度的特点,用AT89S51单片机采集传感器的信息,通过一段时间来判断自行车的被盗与否,然后将信息发送给无线装置。

(3) 透传模块
透传模块的好处在于用户不需要考虑模块中程序如何运行的,用户只需要将自己的数据通过串口发送到模块里,然后模块会自动把数据用无线发送出去,并按照预先配置好的网络结构,和网络中的目的地址节点进行收发通讯了,接收模块会进行数据校验,如数据无误即通过串口送出。实际运行起来,非常的简单方便。
(4) 其它模块
电源模块服务于整个节点系统,为自己的系统供电;而按键模块主要是用来设置系统状态,各模块在正常运行,正常配合的状态下才使得整个系统运行。
实验实物如图4: