基于5G技术和WSN的便携式入侵报警系统设计

王晨 张志勇

摘要：该文设计了一种基于5G移动通信技术和无线传感器网络技术的便携式入侵报警系统，本系统主要由以CC2530芯片为核心的传感器模块、以ARM7微处理器为核心的中心处理单元、控制单元、自动报警模块、远程客户端等几个部分组成，系统采用ZigBee无线网络实现无线传感网内部各节点间的数据通信并通过5G移动通信网络连接到手机客户端，方便用户接收到入侵报警信息，同时系统将利用GPRS技术连接到“110”网络报警中心，实现自动报警功能。该系统不仅具有实时监控、入侵者定位信息发送、自动报警等功能，还具有随身携带、便于操作等特性。

关键词：5G移动通信;ARM7微处理器;便携式;入侵报警

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）29-0094-03

1 概述

目前，市面上已出现一些应用于家庭或社区系统等的大型智能家居安防系统，但该类产品具有不易于随身携带、布线方式烦琐、使用成本较高等缺陷。随着物联网各种技术的迅猛发展，本文提出了一种基于第五代移动通信（5G）技术和无线传感器网络技术的便携式入侵报警系统，5G移动通信技术不仅在信息传输速度方面较以往的4G有了显著提升，还具有低成本、高资源利用率等优势。首先，用户在设防区域内布置多个传感器节点构成无线传感器监测网络，系统内无线传感器各节点间通过ZigBee无线网络进行数据传输，传送报警信息和入侵者定位信息到手机客户端是通过外部5G网络来实现的，用户同样可通过该网络实现对系统的反向操纵功能，如在手机客户端直接设下“一键布防”“解除警报”等指令，能方便有效的保障用户的人身安全。

2 无线传感网络

在基于WSN的便携式入侵报警系统中，系统主要通过无线传感器网络对布防区域进行实时监控，为实现周围环境的安全性奠定基础的信息网络，系统内包括传感器（监测）节点、汇聚节点和管理系统。

当用户独居或独自外出入住酒店时，可将大量的传感器节点布置在周围环境空间内，这些节点将通过自组织方式构成无线传感器监测网络实现对防控区域的实时监控[1]，监测区域中所有传感器数据采集节点的发送数据将沿着相邻节点进行传输，然后通过单跳或多跳的方式将数据传送到汇聚（ Sink）节点，最后在管理系统中对监测数据进行处理和分析[2]，并通过基础网络传送信息到用户需求方。用户可通过终端的管理系统对入侵报警系统的传感网络进行相应配置、管理或发布反向操作指令等。

3 系统总体方案设计

基于SG移动通信网络和无线传感器网络的便携式入侵报警系统总体设计框图如图1所示。

入侵报警系统的主要目的是对防控区域进行实时监测、信息发送、自动报警和反向控制等，本系统采用模块化的设计理念，主要由大量传感器节点构成的监测模块、中心处理单元、控制模块、自动报警模块、远程客户端等几个部分组成，系统的工作原理如下：首先，用户将传感器节点布置在防控区域内形成无线传感监测网络，当有非法人员入侵时，无线传感器网络通过ZigBee定位技术获取入侵者定位信息先通过ZigBee无线网络传输到中心处理单元，当中心处理单元对接收到的信息进行判断处理后再通过ZigBee无线网络对控制单元發出相应控制指令，同时通过GPRS通信技术和自动报警模块发送报警短信到“110”网络报警中心。远程手机客户端也通过SG移动通信网络与系统的中心处理单元相连，用户可以通过手机客户端接收到防控区域内的入侵报警信息并同时利用该网络向中心处理单元发送控制指令实现对系统的反向控制等功能。

4 系统硬件设计

本系统中的中心处理单元作为连接监测区域内部无线传感器网络和外部5G移动通信网络的桥梁，负责系统初始化、接收无线传感器网络中各传感器节点发送的有关数据并进行相应的处理、转换等工作，通过无线网络和有关通信协议与系统中其他模块相连，其作用相当于一个嵌入式微型处理系统。本系统中的中心处理单元硬件设计主要包括主控模块、传感器节点模块、5G通信模块、GPRS通信模块、外扩存储模块、供电模块等部分。在主控模块中主要以应用广泛的嵌入式ARM7微处理器为核心，通过串口接收传感器节点采集传送的数据信息进行处理、判断，ARM7为通用32-bit微处理器，具有高速的运算处理能力，兼容适用于绝大多数操作系统，具有低功耗、高性能等优势，可适用于便携类产品之中;在传感器节点模块中主要以CC2530芯片为控制核心，TI公司的CC2530芯片是真正系统级SoC芯片，只需要相对较低的成本就能建立起强大稳定的网络节点，同时具有强大的地址识别功能，适用于低功耗的无线传感器网络或其他复杂的应用中。中心处理单元硬件设计总体结构图如图2所示。

同时，在本文设计的便携式入侵报警系统中，防控区域内的探测传感器节点将采用HC-SR501型热释电红外传感器，该传感器是一种具有高灵敏度的探测元件[3]，具有低成本、低功耗的特点，广泛应用于防止非法人员入侵的安防报警系统中，其中热释电红外感应器PIR将红外信号转变为电信号，当红外传感器在感应范围内检测到人体进入时输出高电平，感应到人体离开时则自动延时关闭高电平，输出低电平。

本系统中的中心处理单元通过UARTO接口与传感器节点模块相连接收传感器数据采集节点传输的数据，通过UARTI接口与GPRS通信模块相连向“110”网络报警中心发送报警短信，由于ARM7微处理器的存储容量有限，数据将通过SPI串行接口转移到外扩存储器上进行存储。中心处理单元的工作原理如下：当中心处理单元通过传感器节点模块接收到传感器数据采集节点发送的数据后，在以ARM7微处理器为核心的主控模块中进行相应处理和数据转换，最后，数据一方面会通过GPRS通信模块以短信方式发送到110网络报警中心;另一方面，入侵者的定位信息将通过5G通信模块发送到用户手机客户端，同时用户也通过此网络与传感器节点网络内部实现双向交互功能。

5 系统软件设计

5.1系统软件总体设计

本系统的软件设计主要包括：无线传感器网络节点的软件设计和智能手机App客户端的软件设计，因此本系统将采用无线传感网研究领域使用最为广泛的TinyOS节点操作系统和ne-sC语言，TinyOS将为系统提供串口通信、读取传感器、读取程序闪存及外部存储器等多种服务。

系统的总体软件流程框架图如图3所示。当用户在防控区域内布置好相关传感器节点后，各节点组成的无线传感器网络将通过外部SG移动通信网连接到手机终端设备，当用户在手机App客户端开启“一键布防”按键时，系统开始上电开机并自动完成软硬件的初始化工作，当防控区域内各传感器节点通过ZigBee网络连接成功后将会对布防区域进行实时监测，系统扫描到有关数据信号时会自动判断来自哪个传感器节点，发现有非法人员入侵时，系统会将入侵数据信息传输到中心处理单元进行相应处理，通过系统的GPRS通信报警模块自动向“110”网络报警中心发送报警短信并传送人侵报警信息到手机客户端。

5.2 手机App客户端界面设计

本系统手机App客户端的界面设计如图4所示。用户在手机客户端可进行以下操作：当用户在防控区域内布置好相关传感器节点后，在手机客户端按下“一键布防”按钮，系统即刻开启对防控区域的实时监控功能;当传感器节点监测到非法入侵人员时，用户将在手机客户端接收到警报提醒，系统也会将报警短信通过GPRS模块发送到110网络报警中心，同时用户可在“定位信息查看”中查询入侵者的定位信息;最后当用户确认无危险后可按下“解除警报”按钮即可解除当前警报提醒。

6 系统调试与性能分析

首先，我们对系统中ZigBee节点的能耗和数据传输性能进行了相关测试，我们在节点间有障碍和无障碍的情况下对相邻两节点数据传输时的丢包数进行了比较，我们设置的初始通信距离为5m，然后依次递增，每次传输的数据包数量为1000，测试结果如下表1所示。由表1可知：有障碍时，当通信距离为10米开始出现丢包情况，丢包数量为3个;随着通信距离的不断增加，丢包数量也不断增加;无障碍时，当通信距离为10米还未出现丢包情况，但随着通信距离的不断增加，丢包数量还是在增加。通过比较相同距离时有障碍和无障碍情况下的丢包数，可以发现有障碍时的丢包数比无障碍时的丢包数多，可以得知节点间的数据传输性能受到障碍物和通信距离大小等因素的影响，我们可以根据实际情况在布置傳感器节点时通过减少节点间的传输距离来增强它们的数据传输性能。

最后，我们还对手机App客户端软件进行了测试，用户打开手机软件系统并登录成功后，可看到如图4所示的手机界面，用户可通过系统反向控制模块与无线传感器网络内部双向交互，直接进行“一键布防”“解除警报”等操控命令;当监测系统发现有人闯入时，手机客户端会收到警报提醒，同时用户可查看到入侵者的定位信息，其测试效果如图5所示。

7 结束语

本文通过对物联网各种技术的学习，结合了ZigBee无线传感技术、物联网嵌入式技术、最新5G移动通信技术、GPRS技术等设计了一种基于WSN的便携式入侵报警系统，本设计最大的特点在于方便携带和操作简单，本文简要地对系统部分硬件电路和总体软件流程框架进行了介绍，最后也对系统各节点间的通信性能和手机客户端的软件功能进行了相关测试，虽然系统的各项功能都基本通过了测试，但系统中仍然还存在很多需要今后改进的地方，如怎样增强系统间的通信性能，提高系统的可靠性和尽量减少系统成本、能耗等问题，都需要今后进一步的深入研究，本设计除了可以应用于室内环境的安全监测外还可应用于野外露营等场合，具有广阔的应用前景和价值。

参考文献：

[1]王思华，郑树强，丁轶华.ZigBee无线传感器网络技术及其应用探讨[J].无线电工程，2020，50（5）：415-417.

[2]李先平.基于WSN的数据传输分析及其在图中的应用[D].长沙：长沙理工大学，2012.

[3]陈永益.红外热释防盗报警器[J].信息通信，2018，31（10）：47-48.

【通联编辑：光文玲】

作者简介：王晨（1999-），女，湖北汉川人，长春师范大学计算机科学与技术学院物联网工程专业本科生，主要研究方向为嵌入式开发、无线传感器网络;张志勇（1972-），男，副教授，硕士，主要研究方向为计算机网络和嵌入式开发研究。