基于ZigBee無線通信技術(shù)的基站安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王勇輝

摘要：針對(duì)偏遠(yuǎn)基站的安全防盜問題，研究移動(dòng)基站安全監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的難點(diǎn)，將ZigBee技術(shù)作為前端通信手段，設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee無線通信技術(shù)的基站安全監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過無線通信的方式組建通信網(wǎng)絡(luò)并通過移動(dòng)通信實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸，把基站監(jiān)控點(diǎn)的信息收集、分析、處理和存儲(chǔ)并傳輸?shù)交颈O(jiān)控中心完成實(shí)時(shí)監(jiān)控。經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)傳感器采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，監(jiān)控效果良好，具有良好的實(shí)用價(jià)值與推廣意義。

關(guān)鍵詞：zigBee;無線網(wǎng)絡(luò);監(jiān)控;傳輸

中圖分類號(hào)：TN923 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）13-0052-02

目前移動(dòng)公司基站覆蓋范圍非常廣泛，其中有許多基站甚至建設(shè)在高山或偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村，因此移動(dòng)基站的安全監(jiān)控成了一個(gè)非常嚴(yán)峻的問題”。利用無線通信的信息化技術(shù)組建移動(dòng)基站安全監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)，完善基站正常運(yùn)行的安全管理機(jī)制是促進(jìn)基站防盜安全的總體趨勢(shì)，也是解決移動(dòng)基站安全監(jiān)控的有效手段。隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，采用無線接人的通信方式對(duì)移動(dòng)基站進(jìn)行防盜信息監(jiān)控方式可行嘲。由于zigBee通信技術(shù)具有性能高、功耗低、成本可控等優(yōu)勢(shì)，故本文采用zigBee通信技術(shù)與無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成一個(gè)基于zigBee無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，結(jié)合公共無線網(wǎng)絡(luò)4G設(shè)計(jì)一套移動(dòng)基站安全防盜信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有可靠性強(qiáng)、安裝便利，維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能較好地解決偏遠(yuǎn)山區(qū)基站安全防盜信息采集不便等問題嘲。

1無線通信網(wǎng)絡(luò)

無線通信網(wǎng)絡(luò)是由許多節(jié)點(diǎn)根據(jù)自組織網(wǎng)絡(luò)的方式構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)通常通過各種方式部署在被感知的對(duì)象內(nèi)部或者附近。節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)作感知、采集以及處理網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)域的任意地點(diǎn)信息在隨意時(shí)間采集、處理和分析。無線通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

從上圖中可得出在通信網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所獲取的數(shù)據(jù)傳送到無線數(shù)據(jù)收集器，數(shù)據(jù)收集器獲取通信網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，再把處理后的結(jié)果通過云服務(wù)傳輸?shù)浇K端，因此也可以從終端對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的管理功能。

2基站安全監(jiān)控系統(tǒng)方案

基于zigBee無線通信技術(shù)的基站安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)傳感器、遠(yuǎn)程無線傳輸、網(wǎng)絡(luò)通信和監(jiān)控中心等4個(gè)結(jié)構(gòu)組成，其系統(tǒng)效果圖如圖2所示：

（1）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)傳感器。對(duì)門與窗戶的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，傳感器上電后板載的MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的同時(shí)，ZigBee模塊立即搜尋并接入附近的多路數(shù)據(jù)采集儀的ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)并加入其中作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)雙向通訊。

（2）基站監(jiān)控終端。內(nèi)置ZigBee模塊和移動(dòng)通信的4G通訊模塊，主要負(fù)責(zé)采集傳感器的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。通過ZigBee協(xié)議發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，再通過內(nèi)置的移動(dòng)通信4G模塊將現(xiàn)場(chǎng)信息傳送到基站監(jiān)測(cè)中心，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果。由于無線數(shù)據(jù)采集儀在通電后會(huì)對(duì)附近的ZigBee模塊進(jìn)行自動(dòng)組網(wǎng)，無須人員干預(yù)，增加或刪除其中的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)不影響其他監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的正常工作。

（3）網(wǎng)絡(luò)通信。使用公用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將基站的各個(gè)門窗的開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀ntemet公網(wǎng)，并通過固定IP地址傳送給監(jiān)控中心服務(wù)器。

（4）基站監(jiān)控中心。包括交換機(jī)、服務(wù)器、UPS電源等硬件設(shè)備和操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、基站安全監(jiān)控系統(tǒng)等軟件組成。

3監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

低功耗是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)一般是由電池供電的，所以低功耗的設(shè)計(jì)技術(shù)就顯得非常有意義。降低功耗的方法一般是降低空閑時(shí)和通信狀態(tài)下的能量消耗。而在通訊狀態(tài)下，終端節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率直接就會(huì)影響到節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離，因此根據(jù)終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的距離合理地調(diào)節(jié)發(fā)射功率對(duì)于終端節(jié)點(diǎn)的功耗的降低是非常有研究價(jià)值的_5_。

結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本文采用支持ZigBee2007/PRO協(xié)議的CC2530單片機(jī)作為載體進(jìn)行開發(fā)與設(shè)計(jì)。前端監(jiān)控的傳感器均采用內(nèi)置ZigBee無線通信模塊。

基站監(jiān)控終端也采用內(nèi)置ZigBee無線通訊模塊與前端傳感器組建成通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)監(jiān)控終端還具備4G通訊模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信傳輸。由于監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)備需在野外工作，為了防止主供電發(fā)生故障，因此需要配置太陽能電池板及鉛酸蓄電池作為后備電源。綜上所述，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

3.1硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器主要以CC2530芯片為核心，增加部分傳感器外圍電路構(gòu)成，形成以ZigBee為節(jié)點(diǎn)的核心部分。本設(shè)計(jì)主要的內(nèi)容是分析CC2530的硬件電路設(shè)計(jì)，其電路圖如圖4所示：

在RF_P以RF N引腳之間的電容與電感是發(fā)揮射頻信號(hào)收發(fā)的作用，有源引腳都在接人電源的同時(shí)并聯(lián)一個(gè)濾波電容以增加系統(tǒng)的可靠性;在引腳22與23之間并聯(lián)一個(gè)晶振是為了在正常工作模式與低功耗工作模式下使用，同時(shí)為了提高無線傳輸?shù)目煽啃?，將主控核心?dú)立出來制作。

3.2軟件開發(fā)

本設(shè)計(jì)采用TI推出的Z-Stack協(xié)議棧，通過修改ZigBee實(shí)例以運(yùn)行ZigBee協(xié)議。將門窗狀態(tài)信息簡(jiǎn)化成LED燈后于協(xié)議棧中提供的操作系統(tǒng)抽象層結(jié)合能得到較為詳細(xì)的實(shí)際程序運(yùn)行圖如圖5所示。

4系統(tǒng)的調(diào)試

4.1功率與距離的測(cè)試

CC2530芯片的輸出功率由TXPOWER寄存器和TXCLTRL寄存器控制，通過修改Z-Stack中的代碼值可對(duì)發(fā)射功率的初始化和動(dòng)態(tài)進(jìn)行修改，同時(shí)利用mac層的射頻設(shè)置功率函數(shù)矯正功率函數(shù)修改發(fā)射功率，在處理門窗開關(guān)狀態(tài)的事件中加入發(fā)送數(shù)據(jù)包函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

測(cè)試過程中分別測(cè)量0，-5，-10，-15，-20dBm的最遠(yuǎn)直線組網(wǎng)距離，可以得到通信距離與發(fā)射功率之間的關(guān)系表，如表1所示：

從上表中發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的通信距離隨發(fā)射功率的增加而增長，因此在通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景下，工作人員可以根據(jù)具體的使用范圍來調(diào)整發(fā)送功率而避免不必要的能耗損失。

4.2安全測(cè)試

在zigBee技術(shù)中，采用對(duì)稱密鑰的安全機(jī)制，由應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層共同根據(jù)實(shí)際需要生成密鑰。zigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的所有安全方案，使用的都是AEs算法，AEs是一種用于加密電子數(shù)據(jù)的規(guī)范。在測(cè)試過程中打開nwk-global.c函數(shù)并設(shè)置一個(gè)專用密碼，在加密結(jié)束后打開協(xié)調(diào)器與節(jié)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)密鑰與協(xié)調(diào)器不相同時(shí)無法自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際使用中，通常開啟安全模式防止其他人員對(duì)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行干擾。

5結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于zigBee無線通信技術(shù)的基站安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基站各監(jiān)控點(diǎn)傳感器的無線數(shù)據(jù)傳輸與系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采集儀實(shí)現(xiàn)雙向通信網(wǎng)絡(luò)。由于基于zigBee的通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)距離要求不高，從而有效避免其他的干擾，再通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)交颈O(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)基站的安全起到了預(yù)警作用。該監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有可靠性，還結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜，對(duì)基站的安全提供了保障。