ZigBee技术在枪支定位系统中的应用

目前，武警部队针对执勤过程中可能发生的事故案件，采取了哨位监视、枪弹分离等方法，加强了对弹药的管理，有效减少了事故的发生。但在对枪支的管控上，还存在隐患。一旦遇到犯罪分子抢夺枪支、哨兵携枪逃跑等情况，不能及时发现并定位，造成枪支的流失，对人
们的生命财产安全和社会的稳定都会带来极大的威胁。因此，如何实现对枪支的定位、管理是亟待解决的问题。由于GPS技术在实现定位时存在功耗大，成本高，可扩展性差等局限性，针对这一情况，提出了一种基于ZigBee技术的枪支定位系统。通过该系统在监区、营区等小区域范围内掌握枪支当前所处位置，当有异常情况发生时，及时发出报警信号，以便执勤人员能够快速、及时、准确地做出反应。

1 ZigBee无线传感器网络概述
1．1 无线传感器网络
    无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)是由低成本、低功耗的微型传感器节点，通过自组织通信形成的无线网络，是一种全新的信息获取平台，可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围监测和跟踪。无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。传感器节点通常是一个嵌入式系统，在对所监测到的信息进行初步处理之后，以多跳中继的方式将其传送给汇聚节点，然后经卫星、互联网、或是移动通信网络等途径到达最终用户所在的管理节点。汇聚节点位置固定，终端用户可通过管理节点对无线传感器网络进行管理和配置，发布监测任务或是收集回传数据。其系统架构如图1所示。

1．2 ZigBee技术简介
    ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。它的通信速率要求低于蓝牙，由电池供电设备提供无线通信功能。ZigBec支持mesh网络拓扑结构，其无线设备工作在公共频段上(全球2．4 GHz，美国915 MHz，欧洲868 MHz)。采用ZigBee技术的产品可以在2．4 GHz上提供250 Kb／s(16个信道)、在915 MHz提供40 Kb／s(10个信道)和在868 MHz上提供20 Kb／s(1个信道)的传输速率。传输范围依赖于输出功率和信道环境，介于10～100m之间，一般在30 m左右。
    由于ZigBee使用的是开放频段，已有多种无线通信技术使用。因此为避免被干扰，各个频段均采用直接序列扩频技术。同时，PHY的直接序列扩频技术允许设备无需闭环同步。
    ZigBee技术的主要优点包括有：
    功耗低 由于ZigBee的传输速率低，估算2节普通5号干电池可使用6个月到2年。成本低 模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1．5～2．5美元之间，且ZigBee协议是免专利费的。
    网络容量大 一个ZigBee网络最多可容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。
    时延短 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms。
    安全 ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。
    可靠 采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。
    由于ZigBee技术发展日趋成熟，国内外对无线传感器技术的研究也越来越深入，且ZigBee技术支持地理定位功能，可以及时获取目标节点位置，以实现对移动目标的动态监测。本文积极借鉴当前关于ZigBee技术的理论研究成果，构建了枪支定位系统。

2 枪支定位系统设计
2．1 总体规划
    如图2所示，在该系统中，将枪支放置的区域划分为监区、营区、警戒区。其中，监区、营区、警戒区是预定的监控区域(图2虚线框所示范围)，均为安全区域；虚线框以外的区域为非安全区域。若枪支在预定监控区域内活动，则认为是正常的，不发出报警信号；反之若脱离监控区域，则认为异常，此时发出报警信号。在构建该系统时可以在不改变武警部队已有监控网络的基础上进行更新，继续使用部队现有的三级网。

    在三级网的基础上增设ZigBee无线传感器网络，在预定监控区域内每隔几十米放置一个无线传感器节点，即图2中的增强型节点。每个枪支上安装一个无线传感器节点，该节点携带此枪支的基本信息，这些节点可以通过自组织形成一个无线传感器网络。在监区、营区等区域的至高点上放置一个汇聚节点，该节点需要具有网关功能。汇聚节点连接无线传感器网络和武警部队现有的三级网，实现以下功能：
    (1)实现无线传感器网络的协议栈与三级网的协议栈之间的通信协议转换；
    (2)发布监控中心的监控任务，并将收集到的数据转发到三级网上，最后传至值班室的监控中心。
    该系统以部队现有的三级网为主要信息传输载体，每个增强型节点负责采集枪支上安装的无线传感器节点的位置信息，利用射频模块按照一定的通信协议在ZigBee无线传感器网络中传输，并通过设置的汇聚节点实现ZigBee无线传感器网络与三级网之间的互联。三级网将无线传感器网络采集到的位置信息发送到值班室的监控中心，监控中心根据无线传感器收集到的位置信息对枪支实现实时监控。当发现枪支将要脱离预定监控区域时，由监控中心立即发出报警信号，以便快速、及时、准确地对突发状况做出反应。
2．2 普通节点的设计
    图2中的普通节点即为传感器节点。其功能为采集数据，并将数据以多跳中继的方式传送给汇聚节点。传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块4部分组成，如图3所示。其中，处理器模块负责对整个节点进行控制和管理；传感器模块负责对预定监控区域信息进行采集，并做一定的数据转换；无线通信模块负责节点之间按一定的通信协议相互通信；能量供应模块为节点供电，提供各部分运行需要的电量。在该系统中，每个枪支上都固定一个节点(即图2是的普通节点)，该节点内置枪支的信息。由于节能是无线传感器网络的核心设计要求之一，所以在设计本系统时，要求传感器节点的发射功率要很小，且为了增加电池使用寿命，同时保证发射出的信号能被顺利接收，通过调度节点的休眠或唤醒状态使相关性较强的节点交替工作而不是一直处在收发信号的状态，每隔一段时间(40 s左右)连续发射1组(15次左右)枪支信息。

    在该系统的传感器节点中，无线通信模块采用具有定位引擎的CC2431芯片，具有2．4 GHz直接序列扩频(DSSS)射频收发器核心和高效的8051控制器。其中，MCU包括存储器及其外围，其他模块提供电源管理、时钟分配和测试等重要功能。CC2431的设计结合了8 KB的RAM及强大的外围模块，并且有3种不同的版本。它们根据不同的闪存空间32 KB，64 KB和128 KB来优化复杂度与成本。CC2431的尺寸只有7mm×7mm的48脚封装，采用具有内嵌闪存的0．18μm CMOS标准技术。针对协议栈、网络和应用软件执行时对MCU处理能力的要求，CC2431包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟为32MHz。CC2431还包含一个DMA控制器，可以减少8051微控制器内核对数据的传送操作，因此提高了芯片整体的性能。
2．3 汇聚节点的设计
    汇聚节点实现两个通信网络之间数据的交换，实现2种协议栈之间的通信协议转换，它发布管理节点的监测任务，并把收集到的数据转发到外部网络上。它既可以是一个增强功能的传感器节点，也可以是没有监测功能仅带无线通信接口的特殊网关设备。汇聚节点包括存储器模块、处理器模块、网络通信模块、节点通信模块以及能量供应模块，其结构如图4所示。该系统中，汇聚节点负责与监控中心的通信，实现
与监控中心的信息传输，同时兼容RS 232／RS 485接口，当节点与服务器终端出现意外通信故障时，直接将节点收集到的数据通过RS 232／RS 485接口传输到计算机上，并加以分析。

3 结语
    在此，介绍了基于ZigBee技术的枪支定位系统，通过在监区、营区等预定监控区域内建立一个无线传感器网络，实现传感器节点与汇聚节点之间的通信。传感器节点采集数据，并通过ZigBee无线传感器网络将数据发送到汇聚节点，汇聚节点通过RS 232接口将数据传输到监控中心。在监区、营区等区域内对节点的通信距离、传输时延、数据安全性等进行了测试。经测试，该系统传感器节点的通信距离大约为35m，数据安全性亦较高，且具有较高的灵活性和可扩展性。