楊丙良，陳禹龍，姚英彪

（杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

現(xiàn)代安防監(jiān)控越來越受到重視，它一般由圖像采集、傳輸和存儲系統(tǒng)組成。采用高精度的攝像頭配合先進(jìn)的圖像處理技術(shù)和傳輸技術(shù)，其安防監(jiān)控性能雖然很好，但也存在投資成本大，實時報警性能差，數(shù)據(jù)量大，隱蔽性差等缺點。鑒于這些不足，某些應(yīng)用場合也可以用紅外監(jiān)控作為監(jiān)控手段。

紅外探測器自1800年被首次制作出來以后，經(jīng)過兩百多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)十分成熟。它是指將不可見的紅外輻射光探測出來，并且轉(zhuǎn)化為可測量的信號的技術(shù)，具有適應(yīng)性好，隱蔽性好，保密性強(qiáng)，性能穩(wěn)定等優(yōu)點。通過對特定波段的紅外射線的探測，就可以實現(xiàn)對物體的實時性探測和跟蹤。

文中介紹一種基于ZigBee技術(shù)的紅外遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。ZigBee技術(shù)是一種短距離無線通信技術(shù)，具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性和安全性比較高、開發(fā)成本低等特點。整個系統(tǒng)利用紅外探測器來監(jiān)測特定區(qū)域是否有人，探測誤差小；利用ZigBee技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，具有功耗低、廉價高效等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成，分別是數(shù)據(jù)采集部分，無線數(shù)據(jù)傳輸部分和監(jiān)控部分。數(shù)據(jù)采集由人體紅外探測器模塊HC-SR501完成，為了方便控制數(shù)據(jù)采集是否進(jìn)行，搭配了一個無線遙控器。HC-SR501的靜態(tài)電流小于50 μA，適合電池供電，探測角度約為100°錐角，工作距離在7米以內(nèi)，不穿墻，適合在室內(nèi)使用，當(dāng)有人體進(jìn)入感應(yīng)范圍就輸出高電平，自動延時，無人時輸出低電平。遙控器采用無線電遙控方式，使用PT2262，PT2267編碼、解碼芯片制作，在433M公用頻帶上進(jìn)行遙控。無線傳輸部分包括ZigBee終端節(jié)點，路由器和協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點用來連接紅外探測器和無線遙控器，用來接收數(shù)據(jù)；路由器用來中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)；協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建和接收到數(shù)據(jù)以后，利用RS232串口數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)傳遞給中央計算機(jī)。監(jiān)控部分的界面采用LabVIEW編寫，用來處理和顯示接收到的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能是：利用紅外探測器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee終端節(jié)點，通過無線遙控器的手持遙控端，控制ZigBee終端節(jié)點是否接收數(shù)據(jù)。接收到的數(shù)據(jù)，由終端節(jié)點傳遞給路由器，再由路由器傳遞給協(xié)調(diào)器，最終到達(dá)中央計算機(jī)，并在監(jiān)控界面上展示出來。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System architecture

2 硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

在系統(tǒng)中，人體紅外探測器要與終端節(jié)點相連，以便將采集的數(shù)據(jù)直接傳遞給終端節(jié)點。遙控器用來控制終端節(jié)點內(nèi)的單片機(jī)是否接收紅外探測器的信號。這里的信號的接收與否是通過控制單片機(jī)是否進(jìn)入中斷狀態(tài)來完成的。在一個監(jiān)控端，可以布置多個紅外探測器，實現(xiàn)多區(qū)域覆蓋，所有探測器并聯(lián)，然后再連接到終端節(jié)點，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集端安放圖Fig.2 Data collection terminal placement diagram

2.2 無線傳輸模塊

當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成以后，就要利用無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳遞給中央計算機(jī)。ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee終端節(jié)點，路由器和協(xié)調(diào)器組成。終端節(jié)點是數(shù)據(jù)采集源，實現(xiàn)加入、退出網(wǎng)絡(luò)的功能；路由器負(fù)責(zé)尋找，建立網(wǎng)絡(luò)路由信息，拓展網(wǎng)絡(luò)范圍；協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建和數(shù)據(jù)配置。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有3種類型[3]，分別是星形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和樹狀結(jié)構(gòu)，這里我們采用的是樹狀結(jié)構(gòu)，如圖3所示，終端節(jié)點的數(shù)據(jù)傳遞給路由器或者協(xié)調(diào)器，路由器的接收到數(shù)據(jù)以后轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器或者是相鄰的路由器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的作用。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心是TI CC2530微處理器，它是一款用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的真正的片上系統(tǒng)解決方案，能夠以非常低的成本建立網(wǎng)絡(luò)。具有不同的運行模式，尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。集成了增強(qiáng)型8051內(nèi)核，結(jié)合TI Z-STACK協(xié)議棧可以方便的組建自己的無線通信網(wǎng)絡(luò)。

圖3 ZigBee簇狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 ZigBee cluster-like topology

3 軟件設(shè)計

在軟件方面，采用IAR Embedded Workbench集成開發(fā)工具作為CC2530的編程工具。終端節(jié)點程序流程框圖如圖4所示。程序開始時，首先進(jìn)行板載元件初始化以及加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。然后設(shè)置IO端口的外部中斷用于檢測的人體紅外模塊監(jiān)測信號和手持遙控器信號（手持遙控器用來控制系統(tǒng)是否開啟監(jiān)控模式）。系統(tǒng)進(jìn)入啟監(jiān)控模式之后，終端節(jié)點開始接收人體紅外傳感器發(fā)出的信號。人體紅外傳感器被設(shè)置為重復(fù)觸發(fā)方式，也就是說假如人體紅外傳感器探測到了人體，感應(yīng)輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖?。終端節(jié)點接收到人體紅外信號后，設(shè)置報警標(biāo)志位，同時通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送警報信息到監(jiān)控端；此后程序進(jìn)入等待警報解除狀態(tài)。用戶此時可以通過手持遙控器解除警報或者監(jiān)控端下發(fā)一個解除警報的命令，終端節(jié)點解除警報，并將成功解除警報信息上傳監(jiān)控端。在此之后，系統(tǒng)重新開啟監(jiān)控狀態(tài)，至此程序進(jìn)行了一個輪回，終端節(jié)點就這樣如此往復(fù)工作。

圖4 終端節(jié)點程序流程圖Fig.4 Program flow chart of terminal node

協(xié)調(diào)器程序流程框圖如5所示。系統(tǒng)上電初始化以后，首先在應(yīng)用指定的網(wǎng)絡(luò)信道范圍內(nèi)進(jìn)行能量掃描，通過在各個信道上進(jìn)行監(jiān)聽，獲取各信道能量水平，選擇其中一個干擾和沖突最少的信道建立網(wǎng)絡(luò)，其流程如圖6所示。其次是配置串口，實現(xiàn)協(xié)調(diào)器與上位機(jī)PC的通信。最后進(jìn)入接收信息狀態(tài)，等待終端節(jié)點上傳信息。每接收到一串?dāng)?shù)據(jù)包，立即通過串口向上位機(jī)發(fā)送整包數(shù)據(jù)，或者將上位機(jī)的命令轉(zhuǎn)發(fā)到終端節(jié)點。

運行在PC端的上位機(jī)軟件使用的是LabVIEW軟件編寫而成。通過PC串口，程序接收到了單片機(jī)發(fā)送的一串?dāng)?shù)據(jù)包之后，按照預(yù)先定義的幀格式，將其中的紅外探測數(shù)據(jù)解析出來。通過界面上的警示燈，告知使用者監(jiān)控區(qū)域的狀況。同時，界面上設(shè)置有相應(yīng)的解除警報按鈕。在紅外傳感器已經(jīng)探測到人體紅外信號且發(fā)生警報信息之后，可以通過上位機(jī)的解除警報按鈕，將警報信息解除掉。

圖5 協(xié)調(diào)器程序流程圖Fig.5 Program flow chart of coordinator node

圖6 ZigBee組網(wǎng)流程圖Fig.6 ZigBee networking flow chart

4 結(jié)束語

文中介紹了一種使用紅外探測實現(xiàn)實時監(jiān)控的方案，利用紅外傳感器和無線遙控器相互配合，操作方便實用，系統(tǒng)的價格低廉，技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定。探測器可以安置的范圍廣，對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，隱蔽性好，可以用于一些要求低成本、高實時的監(jiān)控場景。另外，系統(tǒng)的基礎(chǔ)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)組網(wǎng)完成后，可以在終端節(jié)點搭配不同類型的傳感器，可以用來采集不同的數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)拓展性高。

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