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2.1 微控制器
本文选用ATmega128L作为主处理器。ATmega128L是基于AVR RISC结构的8 bit低功耗CMOS微处理器[3]，数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，可缓解系统在功耗和处理器之间的矛盾。芯片自带128 KB的可编程Flash，在本应用中无需外扩存储器。另外，ATmega128L有丰富的接口资源(如SPI、USART、TWI、ADC等)，为本应用提供了重要支持。
2.2 无线通信模块
无线通信模块采用CC1000，它是根据Chipcon公司的SmartRF技术，在0.35 μm CMOS工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片[4]。其工作频带在315 MHz、868 MHz及915 MHz，但CC1000很容易通过编程使其工作在300 MHz～1 000 MHz范围内。它具有低电压(2.3 V～3.6 V)、极低的功耗、可编程输出功率(-20 dBm～10 dBm)、高灵敏度（一般-109 dBm）、小尺寸（TSSOP-28封装）、集成了位同步器等特点。其FSK数据率可达72.8 kb/s，具有250 Hz步长可编程频率能力，适用于跳频协议；主要工作参数能通过串行总线接口编程改变，使用非常灵活。
ATmega128L通过PCLK、PDATA、PALE三线数字串行接口来操作CC1000芯片，控制它的工作状态以及参数设置。DIO是CC1000与ATmega128L数据交换双向管脚，数据交换时钟始终由CC1000的DCLK提供，即CC1000总是处于主设备状态[5]。
2.3 断线报警模块
断线报警模块是电子锁的一个构成部分，其基本原理如图3所示，在警戒状态下，BG的基极偏置电压经警戒线S对地短路，BG不工作。如遇盗情，S被断开，BG立即得电工作，SCR导通，发光二极管点亮。微控制ATmega128L通过电压检测模块检测b、e两点的电压，判定电子锁状态。
2.4 其他模块
电源模块为ATmega128L、CC1000、断线报警模块供电。电压检测模块有两项功能：一是检测电源电压，以判定是否更换电池；二是检测断线报警模块b、e两点电压，以判定电子锁是否被暴力开启。LED指示模块用于指示WSN节点的运行状态，服务于调试。按键模块用于电子锁的密码设置、状态设置。
为了达到节能的目标，硬件设计除了考虑处理器的几种低功耗处理模式外，还设计了一个模拟开关，在电子锁处于非保护模式且开启时，该开关才能显露出来，供用户关闭电源，降低能耗。
3 系统软件设计
小区自行车防盗系统软件主要有两大部分：一是运行于WSN节点上的软件，二是运行于PC机上的监控软件。WSN节点软件即信息感知和通信协议，下面从网络拓扑、通信协议、监控软件三个方面论述。
3.1 网络拓扑
因为小区停放自行车的区域相对规整，自行车的摆放也会相对整齐，所以本文使用图4所示的簇形树状拓扑结构。将车棚区域划分成几个区，每个区形成一个簇，以Sink节点为簇首，电子锁节点和簇首节点形成星形网络，簇首采集到信息通过Sink节点依次转发到观测站的PC机，供监控软件分析处理。
电子锁和Sink节点的ID用16 bit二进制数表示，这是节点的唯一标识。电子锁和Sink节点的网络地址也用16 bit二进制数表示，可以分为簇首序号和节点序号两部分，各占8 bit，该网络地址是在组网阶段形成的。将网络地址分成簇首序号和节点序号的目的是过滤报文。节点在接收到一条报文后，将簇首序号和节点序号分别与自身网络地址匹配，如果不同可以直接删除报文，降低报文转发处理造成的能耗。
3.2 通信协议设计
小区自行车防盗系统中Sink节点的部署是固定的，而自行车何时摆放在车棚，摆放在哪个车棚，摆放在车棚的哪个位置是不确定的，即电子锁节点的进入是随机的。因此，通信协议[6]的运行分为两个阶段：主链网组网阶段和信息感知阶段。
(1)主链网组网阶段协议
Sink节点部署在既定位置之后，如图4所示，网络包含一个与监控主机相连的网关节点、若干个Sink节点和一些电子锁传感器节点。网关节点是路由的发起者和数据的收集者。上电初始化后，网关节点发送组网报文，如图5所示，发布自己的网络地址和同步时间列表。网关邻居节点收到组网报文后，根据同步时间列表，发送确认报文，确认报文中包含自己的ID。网关节点收到确认报文后，向邻居节点发送配置报文，配置报文包含网关节点为邻居节点分配的网络地址。这样网关节点就和邻居节点建立了父子层次关系。得到了网络地址的子节点发布组网报文，如此重复，建立了主链网络拓扑。
(2)信息感知阶段协议
主链网络拓扑建立后，电子锁节点会随机进入信息感知区域。网络进入信息感知阶段，该阶段电子锁节点与Sink节点的交互过程如图6所示。Sink节点按照自己的时序列表，定时发送组网报文，进入Sink节点检测区域的电子锁在设置为保护状态后，未获得网络地址之前，会持续监听组网报文。电子锁节点收到Sink节点的组网报文后，依据报文中指示的同步时间列表，响应电子锁加入报文，报文中包含电子锁的ID号。Sink节点收到电子锁加入报文后，向电子锁节点发送配置报文，为电子锁分配网络地址。电子锁拥有网络地址后，会定时将采集到的信息发送给Sink节点，并逐层转发到观测站监控计算机。如果用户需要使用自行车正常外出，输入正确的密码正常开启电子锁后，电子锁向Sink节点发送正常离开报文，然后进入休眠状态。
3.3 监控软件设计
电子锁向Sink节点发送的数据报文包含的信息主要有断线报警状态、正常外出状态、电池电压值和网络地址，其中网络地址中包含电子锁的簇首序号。运行于PC机上的监控软件收集、分析处理这些信息，达到监控小区自行车的目的。监控软件基于VC和SQL Server 平台开发，实现越界报警、断线报警、电子锁电池更换提示等功能。
监控程序在系统初始化后，启动Socket数据接收和数据处理两个线程，分别完成数据采集、数据处理功能。两个线程以数据库为数据交换的媒介，以信号量同步数据库访问。
Socket数据接收线程的流程如图7所示，线程初始化后，首先启动Socket监听，然后向网关发送组网命令，以建立主链网络拓扑。该线程监听Socket端口，接收来自网关的数据报文，从数据报文中解析WSN感知到的数据信息，写入数据库表中。在访问数据库之前需要和数据处理线程以信号量保持同步。如果线程检测到主进程发送的终止线程信号，线程将释放占用的资源，结束自己。
数据处理线程的执行流程如图8所示，数据处理线程以数据库为数据源，访问数据库前通过征用信号量与Socket线程同步，得到数据库的访问权后，数据处理线程依次做三项查询，其中，断线状态优先级最高，越界次之，更换电池提示最低。根据查询结果做报警或提示处理，周而复始，直到检测到进程设置的线程结束标志，才结束线程自身。
该系统是一个基于无线传感器网络的小区自行车管理系统。系统设计结合现阶段小区自行车管理现状及WSN技术的发展现状，将ATmega128L微控制器和CC1000无线芯片技术结合到一起，除电子锁的机械结构外，完成了电子锁节点及Sink节点的实验室模型设计。实验表明，根据节点检测到的信息，监控程序能够正确分析并显示电子锁节点的进入、越界、断线、正常离开等状态，越界或断线时，监控软件发出警报，提醒安保人员注意，达到了模型系统的效果。为了验证通信协议在多节点时的稳定性，基于NS2平台[7]做了仿真实验，在节点数达到1 000时，协议仍能运行良好。
本文选用的硬件解决方案具有低成本、低能耗的特点，设计的通信协议虽然简单，但是稳定性良好，具有较好的实用价值。 |
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