基于ZigBee无线通信技术的基站安全监控系统设计

王勇辉

摘要：针对偏远基站的安全防盗问题，研究移动基站安全监测网络构建的难点，将ZigBee技术作为前端通信手段，设计了一套基于ZigBee无线通信技术的基站安全监控系统。系统通过无线通信的方式组建通信网络并通过移动通信实现信号远距离传输，把基站监控点的信息收集、分析、处理和存储并传输到基站监控中心完成实时监控。经试验结果表明：该系统传感器采集数据准确，数据传输稳定，监控效果良好，具有良好的实用价值与推广意义。

关键词：zigBee;无线网络;监控;传输

中图分类号：TN923 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）13-0052-02

目前移动公司基站覆盖范围非常广泛，其中有许多基站甚至建设在高山或偏远的乡村，因此移动基站的安全监控成了一个非常严峻的问题”。利用无线通信的信息化技术组建移动基站安全监控自动化系统，完善基站正常运行的安全管理机制是促进基站防盗安全的总体趋势，也是解决移动基站安全监控的有效手段。随着无线通信技术的高速发展，采用无线接人的通信方式对移动基站进行防盗信息监控方式可行嘲。由于zigBee通信技术具有性能高、功耗低、成本可控等优势，故本文采用zigBee通信技术与无线数据采集设备组成一个基于zigBee无线通信的网络系统，结合公共无线网络4G设计一套移动基站安全防盗信息动态监控系统。该系统具有可靠性强、安装便利，维护简单等优点，能较好地解决偏远山区基站安全防盗信息采集不便等问题嘲。

1无线通信网络

无线通信网络是由许多节点根据自组织网络的方式构成，节点通常通过各种方式部署在被感知的对象内部或者附近。节点通过网络协作感知、采集以及处理网络区域中的信息，实现对该区域的任意地点信息在随意时间采集、处理和分析。无线通信网络的结构图如图1所示。

从上图中可得出在通信网络中各个传感器节点所获取的数据传送到无线数据收集器，数据收集器获取通信网络各节点数据后进行处理，再把处理后的结果通过云服务传输到终端，因此也可以从终端对网络中各节点进行相应的管理功能。

2基站安全监控系统方案

基于zigBee无线通信技术的基站安全监控系统主要由现场检测传感器、远程无线传输、网络通信和监控中心等4个结构组成，其系统效果图如图2所示：

（1）现场检测传感器。对门与窗户的开关状态进行检测，传感器上电后板载的MCU进行数据处理的同时，ZigBee模块立即搜寻并接入附近的多路数据采集仪的ZigBee无线通信网络并加入其中作为一个节点，从而实现双向通讯。

（2）基站监控终端。内置ZigBee模块和移动通信的4G通讯模块，主要负责采集传感器的现场数据。通过ZigBee协议发送的实时数据，再通过内置的移动通信4G模块将现场信息传送到基站监测中心，实现实时监控的效果。由于无线数据采集仪在通电后会对附近的ZigBee模块进行自动组网，无须人员干预，增加或删除其中的监控节点不影响其他监控节点的正常工作。

（3）网络通信。使用公用移动网络将基站的各个门窗的开关状态数据传输到Intemet公网，并通过固定IP地址传送给监控中心服务器。

（4）基站监控中心。包括交换机、服务器、UPS电源等硬件设备和操作系统、数据库、基站安全监控系统等软件组成。

3监控系统的设计

低功耗是ZigBee网络的主要特点，终端节点一般是由电池供电的，所以低功耗的设计技术就显得非常有意义。降低功耗的方法一般是降低空闲时和通信状态下的能量消耗。而在通讯状态下，终端节点的发射功率直接就会影响到节点间的传输距离，因此根据终端节点与协调器的距离合理地调节发射功率对于终端节点的功耗的降低是非常有研究价值的_5_。

结合系统的设计要求，本文采用支持ZigBee2007/PRO协议的CC2530单片机作为载体进行开发与设计。前端监控的传感器均采用内置ZigBee无线通信模块。

基站监控终端也采用内置ZigBee无线通讯模块与前端传感器组建成通信网络，同时监控终端还具备4G通讯模块，实现远距离通信传输。由于监控系统的硬件设备需在野外工作，为了防止主供电发生故障，因此需要配置太阳能电池板及铅酸蓄电池作为后备电源。综上所述，监控网络的结构图如图3所示：

3.1硬件设计

监控系统的终端节点和协调器主要以CC2530芯片为核心，增加部分传感器外围电路构成，形成以ZigBee为节点的核心部分。本设计主要的内容是分析CC2530的硬件电路设计，其电路图如图4所示：

在RF_P以RF N引脚之间的电容与电感是发挥射频信号收发的作用，有源引脚都在接人电源的同时并联一个滤波电容以增加系统的可靠性;在引脚22与23之间并联一个晶振是为了在正常工作模式与低功耗工作模式下使用，同时为了提高无线传输的可靠性，将主控核心独立出来制作。

3.2軟件开发

本设计采用TI推出的Z-Stack协议栈，通过修改ZigBee实例以运行ZigBee协议。将门窗状态信息简化成LED灯后于协议栈中提供的操作系统抽象层结合能得到较为详细的实际程序运行图如图5所示。

4系统的调试

4.1功率与距离的测试

CC2530芯片的输出功率由TXPOWER寄存器和TXCLTRL寄存器控制，通过修改Z-Stack中的代码值可对发射功率的初始化和动态进行修改，同时利用mac层的射频设置功率函数矫正功率函数修改发射功率，在处理门窗开关状态的事件中加入发送数据包函数实现数据交互。

测试过程中分别测量0，-5，-10，-15，-20dBm的最远直线组网距离，可以得到通信距离与发射功率之间的关系表，如表1所示：

从上表中发现节点与协调器的通信距离随发射功率的增加而增长，因此在通信网络的应用场景下，工作人员可以根据具体的使用范围来调整发送功率而避免不必要的能耗损失。

4.2安全测试

在zigBee技术中，采用对称密钥的安全机制，由应用层和网络层共同根据实际需要生成密钥。zigBee技术标准中的所有安全方案，使用的都是AEs算法，AEs是一种用于加密电子数据的规范。在测试过程中打开nwk-global.c函数并设置一个专用密码，在加密结束后打开协调器与节点，发现密钥与协调器不相同时无法自动加入网络。在实际使用中，通常开启安全模式防止其他人员对信号网络进行干扰。

5结束语

本文设计了基于zigBee无线通信技术的基站安全监控系统，实现基站各监控点传感器的无线数据传输与系统的无线数据采集仪实现双向通信网络。由于基于zigBee的通信网络对距离要求不高，从而有效避免其他的干扰，再通过移动网络传输到基站监控中心实现实时监控，对基站的安全起到了预警作用。该监控系统不仅具有可靠性，还结构简单、造价便宜，对基站的安全提供了保障。