基于ZigBee的古墓葬群防盗报警系统

王 涛 李冠越 刘文博

（1.西北民族大学，甘肃兰州 730030；2.陕西宇航科技工业公司，陕西西安 710025）

0 引言

我国是文物大国，每年因为盗掘古墓所流失的文物数量巨大，给我国文化财产造成了巨大的损失.然而由于古墓都位于野外，分布较广，现有的安全防范手段，比如红外、电视和超声波监控等方法对于地下挖掘和爆破偷盗不能起到很好的监控作用.基于上述原因，本文设计了一种基于ZigBee的古墓葬群防盗报警系统，该系统通过采集地下的震动信号，利用ZigBee网络进行传输，并通过控制系统进行分析和判断，来判定是否存在盗掘活动，起到对古墓葬群保护的作用。

1 设计思路

基于ZigBee的古墓葬群防盗报警系统，主要由4部分组成：（1）数据采集部分，即用来采集地下的震动信号，由拾震器和调理电路组成；（2）ZigBee网络部分，该部分主要完成信号的模数转换和传递；（3）控制部分，该部分功能主要是预先提取地下不正常的震动信号，比如挖掘和爆破，和ZigBee网络传输来的信号进行对比和识别，达到报警条件时，驱动报警装置；（4）报警装置，主要是声光报警，为了达到更好的打击盗墓犯罪的效果，报警装置通过专线直接和公安110联网.系统组成如图1所示。

图1 系统组成原理图

1.1 数据采集部分

1）拾震器选型

拾震器的选择要考虑的因素很多，主要包括重量、频率响应和灵敏度.灵敏度越高的拾震器，系统信噪比就越大，抗干扰能力和分辨率也就越好，在保证频率响应和量程的情况下，应尽可能的选择灵敏度高的拾震器.经过综合考虑各项参数和实际试验分析，最终确定在本设计中采用HK20DX-10S微地震检波器.

2）调理电路

图2 放大和滤波电路

经过拾震器检测到的信号转换为电信号后幅度很小，加上传输线上损耗的存在，基本上不能进行A/D转换，这就需要对这些模拟信号进行放大处理.同时在监控区域，存在很多人为的活动，这就造成了许多干扰信号，所以必须在硬件电路部分添加滤波电路.在本设计中，采用了外接滑动变阻器的前置放大器AD620，放大和滤波电路如图2所示.

3）模数转换

在本设计中，使用CC2430内部14位的ADC作为数据采集模块，内部有一个可支持最多8个可配置通道的模拟多路选择器，每次采样的结果都会通过DMA写入内存，而且不需要内核的干预，使用这种方式可以确保模数转化器捕获到连续的采样流.

1.2 ZigBee网络

1）ZigBee节点设计

选用TI公司的CC2430芯片.CC2430是一颗真正的系统芯片（SoC）CMOS解决方案.这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求.它结合一个高性能2.4GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器.

CC2430芯片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能.电路使用一个非平衡天线，连接非平衡变压器可使天线性能更好.电路中的非平衡变压器由电容和电感以及一个PCB微波传输线组成.内部T/R 交换电路完成LNA和PA之间的交换.用1个32 MHz的石英谐振器和2个电容构成一个32 MHz的晶振电路.用1个32.768 kHz的石英谐振器和2个电容构成一个32.768 kHz的晶振电路.电压调节器为所有要求1.8V电压的引脚和内部电源供电.引出所有可用I/O，并提供RS232串行接口，用于系统的扩充和通信等功能.ZigBee节点原理图如图3所示.

图3 ZigBee节点原理图

2）ZigBee组网

在该系统中，因为ZigBee网络具有接力通信的优点，所以可以选取一个节点作为基站来接受每个节点传输来的数据给控制部分.加入网络成功后，ZigBee节点就可以向ZigBee基站发送数据了.此后程序开始循环发送数据.ZigBee节点每隔一段时间采集一次数据，然后把数据打包再发送到ZigBee基站，并开始接收应答.如果发送成功，ZigBee节点回到空闲状态；如果发送不成功，ZigBee节点马上重新采集一次数据再发送给基站，直到发送成功.

1.3 控制部分

从带有噪音等外部干扰信号中滤除噪音提高微震信号的信噪比是微震信号处理中非常重要的一项工作，而传统的如卡尔曼滤波等自适应滤波方式对微震信号进行去噪音处理时，都要先知道噪音的特点再进行分离，在不知道任何噪音特性的情况下，用这些传统的滤波方式是很难达到满意的效果.本系统采用小波分析的方法可以通过小波变换将信号在多个尺度上进行小波分解，每个不同尺度上分解得到的小波变换系数代表的是原来信号在不同分辨率上的信息.由于有用信号和外界的噪音在分解的时候会存在一些不同的传递特性和特征表现，我们就可以利用这种不同的传递特性来进行信号的去噪音处理.其实质是减少噪音产生的小波系数，最大限度的保留有用信号的系数.

在本设计中采用小波阀值去噪的方法，该方法是一种非线性的去噪方法，先对信号进行小波变换，再对其变换后的值进行去噪处理，直接对小波变换系数取阀值，最后让保留下来的较大的小波系数重构原信号，也就是经过滤波后的有用信号.

在本设计中控制部分的主要作用是让监控现场传来的信号和预先采集的信号进行比对，达到报警条件时，驱动报警装置发出报警信号.所以需要预先在设备安装的地点采集震动信息，因为盗墓分子从地下盗掘，主要采用洛阳铲和爆破的方式，这就要求必须进行多次试验，采集相应的信号进行分析和处理，并将其存储，以便在实际使用时和现场采集的信号进行对比.

1.4 报警装置

当满足系统设定的报警条件时，系统立刻驱动声光报警装置报警，并直接接通110专线.

2 现场测试

将拾震器埋在地下3米处，在其半径70米范围内均可实现对震动信号的采集和传输.经实际测试，当采用洛阳铲、铁锹等工具进行挖掘，或使用炸药进行爆破，系统均可以识别其信号，并发出报警.但同时，系统也会出现一定的误报.

3 总结和展望

本系统结合先进的通信方式和技术，将其应用在古墓葬群的保护中，数据的采集能力、信号处理能力、实时监控能力均可以满足对古墓葬群监控和保护的要求.今后将在此领域进行继续研究，努力降低系统的误报率，并可实现对地下挖掘地点的定位.

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