基于无线传感网络的野外古迹监控系统*

张俊涛，姜澜波，陈晓莉

(陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021)

基于无线传感网络的野外古迹监控系统*

张俊涛*，姜澜波，陈晓莉

(陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021)

为了更有效地保护野外文物古迹，设计了一种基于无线传感网络的野外古迹监控系统。系统以ZigBee网络为核心，传感节点单元(SNU)采用地震检波器HK20DX-10S监测古迹区域振动数据;中继节点单元(RNU)采用CC2530芯片负责数据收发并通过GPRS传输给远程监控中心;监控中心对数据分析处理，实现对监测区域内挖掘、爆破活动的实时监控和报警。测试结果表明，该系统具有成本低、响应快、可靠性高的特点，适用于野外遗址、博物馆等场所。

无线传感网络;古迹监控;地震检波;ZigBee

文物古迹是古代社会的文化遗存，然而，私自盗掘古墓、挖掘盗损等违法行为已经造成了古遗址文物的流失。国内现有的古迹防盗系统，诸如电视监控、红外监控等方法对地下挖掘和夜间突袭爆破偷盗的活动不能起到很好的监控作用［1］，并且大多采用铺设地下线路的方式，施工难度大。

无线传感网络WSN(Wireless Sensor Network)由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，是一种分布式自组织网络［2］。ZigBee技术是一种低速率、低功耗、低价格的无线网络方案［3］，通过结合地震检波传感器，对地下信号采集、传输、处理和识别，实现对古迹区域的实时监控，达到保护野外古迹文物的目的。本文应用无线传感网络技术，设计了一种基于无线传感网络的野外古迹防盗监控系统。

1 系统总体设计

古迹防盗系统由传感节点单元 SNU(Sensor Node Unit)、中继节点单元RNU(Relay Node Unit)和远程监控中心构成。

SNU作为WSN中的传感器节点，广泛部署在古迹监测区域。RNU为网关节点，节点之间采用树形拓扑结构组网。每个监控子域网由若干个SNU和一个RNU构成，RNU通过分层路由协议LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)协议和SNU通信，接收各节点控制器的采集数据，同时，经GPRS将数据发送到有固定IP的远程监控中心［4］。远程监控中心通过对数据的处理分析，将监测信息实时显示于大屏幕显示器，管理人员可以查看目标区域是否有盗掘行动。野外古迹防盗监控系统总体结构图如图1所示。

图1 野外古迹防盗监控系统总体结构图

2 系统硬件设计

2.1 传感节点单元设计

传感节点单元SNU负责控制传感器工作，同时向RNU发送采集到的振动信号。传感节点单元SNU硬件结构图如图2所示。

图2 传感节点单元SNU硬件结构图

Zigbee无线通讯模块选用德州仪器(TI)公司的具有内置增强型8051微控制器的CC2530芯片。CC2530提供了101dB的链路质量，拥有优秀的接收灵敏度和抗干扰性。CC2530具有睡眠、唤醒、中断3种电源管理模式［5-6］，不同的运行模式，使其尤其适应于低功耗要求的系统。多个传感器节点之间采用ZigBee网络无线通信，克服了野外铺设地下线路盲区多，时间长，施工难度大的弊端，提高了系统的部署效率。

振动信号采集模块采用HK20DX-10S系列工业级地震检波器。检波器通过埋设于监测区域地面，感知周围的震动，将地面震动信号转换成电信号，传送给微处理器CC2530。检波器采用引线簧结构，假频可以达到400 Hz～500 Hz，具有很强的抗横向干扰能力，提高了检波器的可靠性和适应性。此外，检波器体积小、重量轻，地下埋设后仅有部分天线露于地表，通过对传感器外壳色彩伪装，提高了隐蔽性，可有效避免传感器被盗。

由于地震检波器输出的电压信号变化微弱，信号调理模块用于将电压信号进行滤波、放大，使信号匹配A/D转换器的输入。调理模块采用单片集成芯片AD620作为放大器。它是一款低成本、高精度的仪表放大器，可在1～10 000的增益范围内调节。AD620具有设计体积小、功耗非常低(最大供电电流仅1.3 mA)的特点，拥有高精度、低失调电压等特性，使之特别适用于低电压、低功耗的传感器电路设计。

2.2 中继节点单元设计

中继节点单元RNU是无线传感网络的网关节点。RNU一端与SNU建立无线通信网络，接收地震检波器采集的信息，监测目标区域的地下振动;另一端通过GPRS模块与远程监控中心通信。中继节点单元RNU硬件结构图如图3所示。

图3 中继节点单元RNU硬件结构图

中继节点采用GPRS模块ME3000。通用无线分组业务GPRS(General Packet Radio Service)，是GSM移动电话用户的一种移动数据业务［7-9］。中兴ME3000无线模块具有语音、短信和GPRS数据业务等功能，内嵌TCP/IP协议，可使用UART串口和CC2530通信。由于古迹古墓大都位于野外，分布面积广，采用GPRS网络可以实现中继节点和监控中心的远程通信，保证了通信网络覆盖整个古迹监测区域。

3 系统软件设计

3.1 传感节点SNU软件设计

传感节点单元SNU是整个系统数据采集的主要执行机构，它的功能是接收RNU的采集控制信息，并对接入的检波传感器进行数据采集。传感节点单元SNU程序流程图如图4所示。

图4 传感节点单元SNU程序流程图

传感节点首先启动对系统初始化，然后进行信道扫描，在特定的频率信道中发送信标请求，申请加入网络，经RNU允许后成为该网络的子节点。由于使用电池供电，系统采用休眠/唤醒机制减少节点的能量开销，当收到RNU节点控制命令时唤醒SNU节点，平时则处于低功耗休眠状态。

节点间采用自组织(Ad Hoc)网络，网络中各节点可随时加入或离开，同时实现动态自组链路，个别节点失效时不会引起网络分离，具有很强的稳定性，避免了野外环境中自然或人为原因引起的节点丢失所导致的通信故障。

3.2 中继节点RNU软件设计

中继节点建立网络之前，首先对协议栈初始化，然后设置网络的PAN ID，通过侦听其他网络的ID，选择一个与其他网络互不冲突的ID。之后，RNU通过调用能量扫描检测API进行能量扫描，找到一个空的信道建立网络。成功建立网络后，若有SNU节点申请加入，RNU将发送一个16 bit的短地址给SNU，作为传感节点在网络中的标识;若无节点加入，RNU判断是否有监控中心传来数据，根据传来的命令做出相应的响应。

由于RNU作为中继节点，通信和计算任务比较繁忙，能量消耗较大，而系统处于野外环境，节点采用电池供电，电池更换时间周期长。为避免能量消耗过快，ZigBee网络中各RNU轮流或者每次选择剩余能量最多的成员作为工作单元，延长了电池的工作时间。中继节点单元RNU程序流程图如图5所示。

图5 中继节点单元RNU程序流程图

3.3 远程监控中心软件设计

远程监控中心软件采用图形化语言LabVIEW编写。LabVIEW是NI公司开发的一种标准的数据采集和仪器控制软件［10-12］。远程监控软件包括数据接收模块、数据库管理模块、数据显示模块、盗掘定位模块和报警监测5个模块。软件结构如图6所示。

图6 远程监控中心软件结构

监控中心软件和中继节点采用TCP/IP协议通信，中继节点根据固定IP和端口号主动连接监控中心，实现上位机和传感节点之间的通信。数据库管理模块使用LabSQL编程，利用ADO(ActiveX数据对象)技术实现对Access数据库的访问。管理人员通过软件查看实时监测数据，了解目标区域环境情况，同时软件还能对异常信号报警，根据节点编号确定目标区域并存储数据，便于访问历史数据，为古迹监管人员提供执法依据。

4 系统测试与数据分析

系统测试使用TI公司的SmartRF Studio，它是一款专用于CC系列射频芯片的在线编程测试软件，该软件可自动分析数据丢包率和接收信号强度指示RSSI(Received Signal Strength Indicator)。

测试地点在汉阳陵野外环境，每个监测子网由1个RNU和5个SNU组成，节点之间发送固定长度为25 byte的数据包，发射功率为15 dB，数据包数量为100，通信信道为0x0B。测试结果如表1所示。

表1 野外环境通信测试数据

从测试数据可以看出，通信距离在40 m之内，无数据丢包，网络通信质量良好;之后，丢包率随着距离的增加而增加;在140 m时数据有一半丢失，通信质量下降明显。通过将古迹划分为多个监测区域，每个监测区域部署多个监控子网，监控子网在40 m的距离内通信，网络可覆盖整个古迹区域。经测试，系统工作稳定，通信良好，实时监测数据正确，满足了系统设计要求。

5 结束语

本文设计了基于无线传感网络的野外古迹防盗监控系统，结合ZigBee和GPRS网络，实现了古迹区域的远程监控。与传统有线监控系统相比，该系统具有组网成本低、无需铺设线路、多网络通信的特点，弥补了原有系统造价成本高、铺设线路难、地下挖掘监测薄弱的不足;解决了野外古迹管理人员有限、巡检困难的问题;满足了野外古迹防盗智能监控的需求，对我国文物古迹保护有一定的现实意义。

［1］陈旭庚，王恩福，李晓东，等.基于微震监测技术的田野文物防盗方法研究［J］.地球物理学进展，2008，23(6):1975-1982.

［2］孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［3］彭力.无线传感器网络技术［M］.北京:冶金工业出版社，2011.

［4］施慧，王军，陈安卫.基于GPRS通信技术的台区变压器远程抄表系统［J］.中国电力，2007，40(7):82-86.

［5］蒋鹏.基于无线传感器网络的湿地水环境数据视频监测系统［J］.传感技术学报，2009，22(2):244-248.

［6］陈栋，秦明芝，王伟敏.基于CC2430的ZigBee无线传感网络设计与实现［J］.物联网技术，2011(1):41-43.

［7］王翥，郝晓强，魏德宝.基于WSN和GPRS网络的远程水质监测系统［J］.仪表技术与传感器，2010(1):48-49.

［8］杜向党，巩静静，赵喜峰，等.基于GPRS和LabVIEW的山区水厂远程监控系统设计［J］.测控技术，2012，31(2):64-67.

［9］岳洪伟，金迎迎.基于GPRS的蔬菜大棚虚拟监控系统设计［J］.安徽农业科学，2009，37(5):2037-2038.

［10］汤家华，王道德.LabVIEW在USB实时数据采集处理系统中的应用［J］.电子器件，2006，29(2):557-560.

［11］张绪伟，段培永，窦甜华，等.基于LabVIEW和ZigBee网络的数据采集系统［J］.微计算机信息，2010，26(6):98-100.

Field Monuments Monitoring System Based on W ireless Sensor Network*

ZHANG Juntao*，JIANG Lanbo，CHEN Xiaoli
(Institute of Electric and Information Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China )

In order to protect the field monuments effectively，a kind of field monumentsmonitoring system is desigened based on WSN.The system was constructed on ZigBee networks，the sensor node unit(SNU)uses the seismic seophones of HK20DX-10S，they were deployed in the objective area for real-time seismic data acquisition;relay node unit(RNU)use the MCU of CC2530，which collects and dispatch data to the remote monitoring center via GPRS.Robbingmonitoring and automatic alarm Underground digging and exploring can be realized by data processing of themanagement software.The result shows that the system is lower cost，stable and fast response，and it is fit to be used in field monument，museum and other places.

WSN;field monumentsmonitoring;seismic detect;ZigBee

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.019

TN925 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)01-0077-04

项目来源:陕西省教育厅专项科研计划项目(2011JK1001);陕西省科技厅攻关项目(2011K02-11)

2013-05-02修改日期:2013-05-30

EEACC:6210L;6210Q

张俊涛(1966-)，男，陕西西安人，教授，硕士生导师，研究方向为无线传感网络、信号与信息处理、嵌入式系统及应用;

姜澜波(1989-)，男，山西晋中人，硕士研究生，研究方向为无线传感网络、嵌入式系统及应用，dongfang.long123 @163.com。