田維香, 劉忠富, 張 琴, 王明明, 李厚杰

(大連民族大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 遼寧 大連 116600)

0 引 言

近年來,隨著無線接入技術(shù)的需求日益增大，無線通信和無線網(wǎng)絡(luò)均呈現(xiàn)出指數(shù)增加的趨勢。無線通信向高速通信方向發(fā)展，無線監(jiān)測系統(tǒng)日益得到廣泛的應(yīng)用,尤其是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越受到人們的關(guān)注[1]。目前，由于居民住宅呈現(xiàn)愈緊湊、人流愈集中的態(tài)勢，物業(yè)安全管理就顯得十分重要。小區(qū)、商場、停車場等公共場所依靠傳統(tǒng)的人工記錄及人員值守的訪客管理方式愈發(fā)低效耗時(shí)，準(zhǔn)確性低且造成數(shù)據(jù)遺漏或丟失，與現(xiàn)代化管理對快捷度、便捷性和安全性的需求相差甚遠(yuǎn)。本設(shè)計(jì)監(jiān)測人員的“進(jìn)”或“出”狀態(tài)，同時(shí)將狀態(tài)監(jiān)測信息無線發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，實(shí)現(xiàn)語音提示和訪客記錄等功能。開發(fā)這種服務(wù)質(zhì)量好、智能化程度高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的無線訪客監(jiān)測系統(tǒng)，不僅便于統(tǒng)一管理，還能減少人力資源，對環(huán)境改善、提高經(jīng)濟(jì)效益都有顯著的效果。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

無線訪客監(jiān)測系統(tǒng)電路由3部分構(gòu)成：人員進(jìn)出監(jiān)測電路、ZigBee數(shù)據(jù)傳輸電路、上位機(jī)數(shù)據(jù)處理程序。通過訪客監(jiān)測電路監(jiān)測訪客進(jìn)出狀態(tài)， ZigBee發(fā)送端電路將訪客信息廣播發(fā)布到組建的網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee接收端從網(wǎng)絡(luò)中獲取訪客信息[2]并通過串口發(fā)送到上位機(jī)PC，PC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示，實(shí)現(xiàn)對訪客的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測。其工作原理為：在門禁兩側(cè)各裝配一組紅外傳感器，當(dāng)有人員經(jīng)過門禁時(shí)，會先后觸發(fā)傳感器1和傳感器2。根據(jù)觸發(fā)的先后順序，可判斷出人員的“進(jìn)”、“出”狀態(tài)。據(jù)此獲取訪客的訪問和離開信息。整體框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 訪客監(jiān)測電路硬件設(shè)計(jì)

訪客監(jiān)測電路是訪客信息采集端，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源電路模塊、紅外傳感模塊、串口電路模塊。單片機(jī)模塊通過引腳讀取紅外傳感模塊的信號，光被遮斷時(shí)會產(chǎn)生電平跳變，觸發(fā)外部中斷執(zhí)行中斷服務(wù)函數(shù)[3]，根據(jù)不同的觸發(fā)點(diǎn)，標(biāo)記并通過串口發(fā)送相應(yīng)的訪客信息。由于布設(shè)了2路傳感器，因此當(dāng)有人“進(jìn)”或“出”時(shí)2路傳感器會分別觸發(fā)1次，可以根據(jù)觸發(fā)的先后順序，由程序判斷出“進(jìn)”、“出”狀態(tài)。最終，得到人員訪問或離開的信息。

圖1 無線訪客系統(tǒng)整體框圖

2.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

選擇STM32F103RBT6作為核心芯片，最小系統(tǒng)主要由濾波電路、晶振電路和復(fù)位電路組成。搭配一個(gè)8M晶振和一個(gè)32.768晶振，6個(gè)濾波電容可以有效地減小電源紋波對系統(tǒng)造成的干擾[4]。

2.1.2 電源電路

STM32F103RBT6芯片需要提供3.3V電源，但市面上大多是5 V的電源適配器，因此需使用NCP1117芯片將5 V的電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V供STM32F103RBT6單片機(jī)使用[5]。本設(shè)計(jì)既可用圓形插孔供電，也可使用USB供電，方便硬件電路連接。電源電路原理如圖2所示。

紅外傳感器采用對射式光電傳感器，E3F-5L作為發(fā)射端，E3F-5DN1作為接收端。發(fā)送端只需要提供5 V電壓即可工作，接收端提供5 V電源，信號線接到單片機(jī)的PC2、PC3。接收端是NPN常開型光電傳感器，接收端能接受到光束時(shí)信號線為高電平，當(dāng)光束被物體遮擋時(shí)，信號線發(fā)生電平跳變輸出低電平[6]。根據(jù)傳感器特性將單片機(jī)PC2、PC3配置為上拉輸入I/O，并且將外部中斷觸發(fā)方式配置為下降沿觸發(fā)。

圖2 電源電路及電壓轉(zhuǎn)換模塊

2.2 無線傳輸電路硬件設(shè)計(jì)

無線傳輸電路采用2530作為主控芯片，以PL2303芯片作為ZigBee的協(xié)調(diào)器電路來建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)和接收各個(gè)ZigBee終端發(fā)來的信息。PL2303與訪客監(jiān)測模塊及上位機(jī)數(shù)據(jù)處理程序通過串口來實(shí)現(xiàn)通信。

2.2.1 PL2303協(xié)調(diào)器模塊

PL2303是一種高度集成的RS232轉(zhuǎn)USB的接口轉(zhuǎn)換器，提供一個(gè)與USB功能接口連接的RS232全雙工異步串行通信裝置。PL2303在本設(shè)計(jì)中主要實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的各種接口對接，幫助協(xié)調(diào)ZigBee模塊需要采集的數(shù)據(jù)，并且在ZigBee接收模塊與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)串行通信[7]。協(xié)調(diào)器電路原理如圖3所示。

圖3 PL2303協(xié)調(diào)器電路圖

2.2.2 CC2530應(yīng)用電路

ZigBee模塊主控芯片采用CC2530。CC2530以8051為CPU，擁有8KB RAM。本設(shè)計(jì)采用CC2530F256，具有256KB閃存。CC2530有多種不同的運(yùn)行模式，可適應(yīng)于超低功耗要求的系統(tǒng)。通過運(yùn)行模式之間的靈活轉(zhuǎn)換，可保證系統(tǒng)在低能源消耗的模式下進(jìn)行工作。CC2530F256結(jié)合ZigBee協(xié)議棧，能夠輕松滿足本設(shè)計(jì)的功能需求。CC2530電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 CC2530電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 訪客監(jiān)測模塊程序設(shè)計(jì)

監(jiān)測模塊主函數(shù)主要進(jìn)行延時(shí)函數(shù)初始化、設(shè)置中斷分組、初始化傳感器接口I/O、初始化中斷、并一直等待中斷到來，當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，執(zhí)行中斷服務(wù)函數(shù)。由于光電傳感器是NPN常開型，因此將I/O口配置成上拉輸入。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 ZigBee部分程序設(shè)計(jì)

ZigBee發(fā)送端程序主要由2部分組成，首先，是與STM32單片機(jī)的串行通信部分，需要配置單片機(jī)和CC2530的串口參數(shù)。例如波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位等。本設(shè)計(jì)波特率均設(shè)置為115 200，相同的串口配置才能實(shí)現(xiàn)串行通信。其次，是ZigBee的組網(wǎng)廣播部分，將串行通信收到的數(shù)據(jù)，打包并通過廣播的方式發(fā)送出去，當(dāng)接收端接收到廣播信息即可實(shí)現(xiàn)無線通信。發(fā)送端的程序流程如圖6所示。ZigBee接收端程序和發(fā)送端類似，首先，配置串口參數(shù)，需要和上位機(jī)VISA串口驅(qū)動的串口參數(shù)一致。其次，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中獲得發(fā)送端廣播的信息。最終將收到的信息發(fā)送給上位機(jī)。接收端的程序流程如圖7所示。

3.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理部分程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)數(shù)據(jù)處理部分基于LabVIEW完成程序設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路如下：先配置VISA驅(qū)動參數(shù)，主要用于設(shè)置串口的波特率、數(shù)據(jù)位等參數(shù)，和下位機(jī)串口參數(shù)的配置相同即可[9]。程序運(yùn)行之后，能連續(xù)讀取串口的數(shù)據(jù)。根據(jù)下位機(jī)發(fā)送的字符串結(jié)構(gòu)拆分出傳感器的標(biāo)志數(shù)據(jù)[10](本設(shè)計(jì)將傳感器1標(biāo)記為“1”，將傳感器2標(biāo)記為“2”)。將狀態(tài)標(biāo)志位進(jìn)行一定處理即可判斷出訪客的進(jìn)出狀態(tài)。程序流程如圖8所示。

圖6 ZigBee發(fā)送端程序流程圖

圖7 ZigBee接收端程序流程圖

圖8 上位機(jī)程序流程圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的無線訪客檢測系統(tǒng)。根據(jù)訪客監(jiān)測系統(tǒng)的生活需求，詳細(xì)闡述了硬件電路的設(shè)計(jì)思路、各部分電路的功能和具體構(gòu)成。硬件設(shè)計(jì)中給出了傳感器的功能實(shí)現(xiàn)，介紹了各模塊電路之間的連接方式，并分別介紹了各部件之間的聯(lián)系與詳細(xì)功能。軟件設(shè)計(jì)主要分為3部分：基于STM32的訪客監(jiān)測部分程序設(shè)計(jì)、ZigBee無線傳輸部分程序設(shè)計(jì)和基于LabVIEW的程序設(shè)計(jì)。根據(jù)各部分要實(shí)現(xiàn)的功能，給出了軟件流程圖，并詳細(xì)闡述了軟件的設(shè)計(jì)思路。本系統(tǒng)總結(jié)了目前正在使用的類似系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，將訪客監(jiān)測技術(shù)和ZigBee技術(shù)相結(jié)合，并且設(shè)計(jì)了合適的上位機(jī)顯示程序，將訪客信息集中起來進(jìn)行管理。對物業(yè)安全、訪客監(jiān)測智能化、節(jié)約人力成本等起到了重要作用。可以在小區(qū)物業(yè)管理、商場人流監(jiān)測、門禁系統(tǒng)等系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，具有較高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。