王賾坤

(武漢理工大學華夏學院，湖北 武漢 430223)

物體自組無線監(jiān)測網(wǎng)構(gòu)建技術(shù)設計

王賾坤

(武漢理工大學華夏學院，湖北 武漢 430223)

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，為了滿足人們對智能化安防系統(tǒng)的需求，應用物體自組無線監(jiān)測網(wǎng)構(gòu)建技術(shù)設計并實現(xiàn)了安防監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了Zigbee，RFID和WIFI等技術(shù)將無線網(wǎng)絡傳感器、電子標簽、攝像頭等進行了有機組合并組建了網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)了對環(huán)境參數(shù)、位置信息和視頻信息的傳輸。該系統(tǒng)以CC2530芯片為核心，應用RFID技術(shù)，設計了各個Zigbee終端節(jié)點；采用星型網(wǎng)絡組建實現(xiàn)了Zigbee無線組網(wǎng)，其功能包括協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡的建立、節(jié)點的加入以及網(wǎng)絡的脫離；以STM32為核心設計了無線視頻監(jiān)控模塊。系統(tǒng)運行測試情況表明，所構(gòu)建的物體自組無線監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)時間短，無線通信距離長，視頻的無線傳輸速率快，可有效、快速地采集各項數(shù)據(jù)，且系統(tǒng)擴展與維護方便，能夠較好地滿足不同領域的安防需求。

無線射頻識別；Zigbee；CC2530；監(jiān)控；WIFI

0 引 言

隨著國內(nèi)安防系統(tǒng)的不斷發(fā)展，安防系統(tǒng)在各個領域的應用逐漸廣泛。利用先進的、安全性更高的技術(shù)方法，并結(jié)合現(xiàn)代通信技術(shù)的智能化、信息化安防系統(tǒng)必然是安防系統(tǒng)的發(fā)展方向。一方面能夠提高國內(nèi)安防系統(tǒng)的發(fā)展水平，另一方面也能大幅改善居民的生活水平[1]。為此，在重點研究物體自組無線監(jiān)測網(wǎng)安防系統(tǒng)的基礎上，設計并實現(xiàn)了基于物體自組無線網(wǎng)的安防監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以無線網(wǎng)絡為載體，結(jié)合RFID(射頻識別技術(shù))、無線視頻監(jiān)控技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)組建物體自組無線監(jiān)測網(wǎng)，通過各類傳感器對目標進行全方位、多方面的實時監(jiān)測[2-3]，并通過無線網(wǎng)絡將信息傳送至遠程用戶。

1 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)測模塊(溫濕度傳感器、熱釋紅外線傳感器、有害氣體檢測傳感器等)、物體信息與定位監(jiān)測模塊(電子標簽)、Zigbee終端節(jié)點、Zigbee協(xié)調(diào)器、無線視頻監(jiān)控模塊、無線路由器、上位機(PC機)等幾個部分組成，其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

無線傳感器和電子標簽與各個監(jiān)測點的Zigbee終端節(jié)點連接，完成實時環(huán)境、位置、物體信息等數(shù)據(jù)的采集和傳輸。然后通過Zigbee網(wǎng)絡與協(xié)調(diào)器通信，將所有終端節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器通過RS232串口與上位機進行通信，上位機根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進行相應操作(如火災報警、物體定位等)。

無線視頻監(jiān)控模塊對圖像進行實時采集并采用WIFI技術(shù)將視頻信息經(jīng)由無線發(fā)送到網(wǎng)絡中進行傳輸。當傳送至上位機后，根據(jù)需要對視頻進行存儲，或?qū)Χ帱c監(jiān)控現(xiàn)場視頻畫面進行切換。

出于對能耗、數(shù)據(jù)傳輸速率以及性價比的考慮，無線網(wǎng)絡傳輸采用兩種不同的協(xié)議，分別是802.11b協(xié)議和802.15.4協(xié)議。

IEEE 802.15.4(Zigbee)協(xié)議是一種距離短、功耗低、速率低的無線通信技術(shù)，多用在采集濕度、溫度、震動等標量信息，數(shù)據(jù)量較小的場合。Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點設備工作周期較短、收發(fā)信息功率低，故Zigbee技術(shù)特別省電，避免了頻繁更換電池或充電，從而減輕了網(wǎng)絡維護的負擔。

隨著無線傳感器網(wǎng)絡中引入了多媒體，圖像、音頻、視頻流的傳輸，使得網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流量急劇增大。Zigbee通信協(xié)議中250 kbps的速率難以滿足網(wǎng)絡對流媒體傳輸速率的需求，因此采用IEEE 802.11(WIFI)技術(shù)。IEEE 802.11b在2.4 GHz頻率上的最高傳輸速率可以達到11 Mbps，可以滿足傳輸視頻流的要求。鑒于此，采用Zigbee技術(shù)實現(xiàn)自組網(wǎng)設計，并對環(huán)境、位置參數(shù)等信息進行采集；視頻監(jiān)控圖像采用WIFI技術(shù)實時傳輸至上位機，上位機根據(jù)Zigbee技術(shù)采集的數(shù)據(jù)信息進行相應操作[4-5]。

2 硬件電路設計

2.1環(huán)境監(jiān)測模塊

環(huán)境監(jiān)測模塊主要由無線通信模塊、傳感器、電源模塊等組成。傳感器可以選擇溫濕度傳感器(DHT11)或熱釋紅外線傳感器等；無線通信模塊選擇CC2530芯片。以溫濕度傳感器為例，其部分硬件接口電路如圖2所示。

DHT11是一款具有體積小、功耗低等特點的數(shù)字溫濕度傳感器。如圖2所示，DHT11傳感器的DATA端口與CC2530的P12相連，采用單線制串行接口，以完成采集命令的觸發(fā)與采集數(shù)據(jù)的傳輸。

CC2530芯片用于2.4 GHz，基于IEEE 802.15.4協(xié)議、Zigbee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(tǒng)(SOC)解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530結(jié)合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 KB RAM以及其他強大的功能。它提供了MCU和無線設備之間的一個接口，可以發(fā)出命令，讀取狀態(tài)，自動操作和確定無線設備事件的順序。CC2530芯片最顯著的優(yōu)點是功耗低，這是網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸中重點考慮的因素[6-9]。

圖2 部分硬件接口電路

2.2物體信息與定位監(jiān)測模塊

物體信息與定位監(jiān)測模塊主要由RFID讀寫模塊、無線通信模塊、電源模塊等組成。RFID讀寫模塊選擇MFRC522；無線通信模塊選擇CC2530芯片，其硬件接口電路如圖2所示。MFRC522的MISO、MISI、SCK、SDA分別與CC2530的I/O口P13、P06、P00、P01相連。P01為“1”時，RFID讀寫模塊與CC2530之間的數(shù)據(jù)傳輸采用串行通信方式。P13、P06分別控制RFID讀寫模塊數(shù)據(jù)的輸入輸出，即完成電子標簽數(shù)據(jù)的讀取與寫入控制。電子標簽中攜帶了目標物體的位置、參數(shù)等數(shù)據(jù)信息。

MFRC522是NXP公司推出的一款具有體積小、成本低等特點的非接觸式讀寫卡芯片，內(nèi)部發(fā)送器部分驅(qū)動讀寫器天線與ISO14443A/MI卡和電子標簽的通信，無需其他電路。接收器部分提供一個堅固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于處理ISO14443A兼容的應答器信號。它與主機間的通信采用連線較少的串行通信，且可根據(jù)不同的用戶需求，選取SPI、I2C或串行UART(類似RS232)模式之一，有利于減少連線，縮小PCB板體積，降低成本。如圖2所示，該設計采取SPI數(shù)據(jù)傳輸方式[10]。

2.3無線視頻監(jiān)控模塊

無線視頻監(jiān)控模塊主要由攝像頭(OV7670)、主控制器(STM32)、無線通信模塊(WIFI模塊)、電源模塊等組成[11-12]。攝像頭主要完成對圖像的采集；主控制器(STM32)主要完成對圖像的處理；無線通信模塊(WIFI模塊)主要完成對圖像信息的網(wǎng)絡傳輸，WIFI模塊與上位機的數(shù)據(jù)傳輸采用TCP/IP協(xié)議，即IEEE 802.11b協(xié)議。

3 軟件設計

3.1自組網(wǎng)

環(huán)境監(jiān)測與物體信息和定位監(jiān)測網(wǎng)絡是基于無線傳感網(wǎng)絡通信協(xié)議(IEEE 802.15.4協(xié)議)，通過Zigbee的網(wǎng)絡自組功能建立的監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)。系統(tǒng)采用Z-Stack的星狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。在星狀網(wǎng)中，設備類型為協(xié)調(diào)器和終端設備，且所有的終端設備都直接與協(xié)調(diào)器通信。網(wǎng)絡中協(xié)調(diào)器負責網(wǎng)絡的建立和維護，同時負責與上位機進行通信，包括向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)和接收上位機的數(shù)據(jù)并無線轉(zhuǎn)發(fā)給下面各個節(jié)點，負責與終端設備通信，包括發(fā)送數(shù)據(jù)采集或控制被控對象的命令。Zigbee終端節(jié)點程序設計流程如圖3所示。無線視頻監(jiān)控模塊則通過WIFI模塊與上位機進行通信，采用TCP/IP協(xié)議傳輸圖像數(shù)據(jù)[13-14]。

圖3 終端節(jié)點程序設計流程

3.2環(huán)境數(shù)據(jù)采集

環(huán)境參數(shù)包含溫濕度的數(shù)據(jù)采集，紅外線的數(shù)據(jù)采集等，其功能主要實現(xiàn)防火、防水、防盜報警。用Zigbee網(wǎng)絡傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)，通過Zigbee自組網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至上位機，與設定值相比較。當超過設定值時，上位機客戶端界面紅燈亮起，發(fā)出控制命令報警。

3.3視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊的作用是對視頻數(shù)據(jù)進行采集，壓縮，網(wǎng)絡傳輸。當發(fā)生火災、盜竊、漏水等狀況時，上位機根據(jù)Zigbee網(wǎng)絡傳感器發(fā)送的環(huán)境、位置信息，對視頻監(jiān)控模塊發(fā)出控制命令，控制攝像頭畫面的切換或角度的移動。同時視頻監(jiān)控模塊實時采集視頻數(shù)據(jù)并壓縮，之后通過網(wǎng)絡傳輸至上位機，并保存這些突發(fā)狀況信息，為后期對突發(fā)狀況的數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。

4 系統(tǒng)測試

在實驗室中對整個系統(tǒng)進行測試。分別在不同的位置放置無線網(wǎng)絡傳感器及攝像頭，并在重要設備上貼上裝載有位置與物體信息的電子標簽。

4.1環(huán)境測試

從圖4中不僅可以觀測到實時的溫濕度數(shù)據(jù)，并可以查看歷史數(shù)據(jù)。當監(jiān)測到溫濕度的值超過警戒值時，則發(fā)出報警信號，實現(xiàn)火災、水災報警。

4.2物體信息與定位測試

電子標簽中裝載有物品的信息，位置參數(shù)。終端節(jié)點經(jīng)過被監(jiān)測物品時可以讀出電子標簽中的ID號(如圖5所示)，并通過無線網(wǎng)絡傳輸至上位機。上位機根據(jù)讀取到的電子標簽ID號，可以查看物品的具體信息，并做相應的操作處理。

圖5 位置監(jiān)測測試圖

4.3視頻監(jiān)控測試

從圖6可以清晰地看出視頻監(jiān)控的畫面，并可以根據(jù)需要隨時切換監(jiān)控畫面，或是轉(zhuǎn)動攝像頭進行視頻的采集。

圖6 視頻監(jiān)控測試圖

5 結(jié)束語

為了實現(xiàn)智能化、信息化的安防需求，設計并實現(xiàn)了一種物體自組無線監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設計包括結(jié)構(gòu)、節(jié)點硬件、Zigbee網(wǎng)絡和視頻監(jiān)控網(wǎng)絡等。運行測試表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集溫/濕度、煙霧濃度等環(huán)境參數(shù)，位置參數(shù)等，可實時傳輸監(jiān)控畫面，還能滿足不同領域的功能拓展需求，并且具有便捷的可維護性。

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DesignofAdHocWirelessMonitoringNetworkTechnology

WANG Ze-kun

(Wuhan Huaxia University of Technology，Wuhan 430223，China)

In order to meet people’s demand for intelligent security system with the constant development of wireless communication technology，a security monitoring system is designed and implemented with contraction technologies of Ad hoc wireless object-monitoring,which uses Zigbee,RFID and WIFI and other technologies to finish the integration of the wireless network sensor,electronic tag,camera etc. and establish the network system for transmission of environmental parameters,position information and video information.It adopts CC2530 as the core and RFID technology to design Zigbee terminal node,applies the star network to realize the Zigbee wireless networking,the functions of which involves establishment of the coordinator network,connections of terminal nodes and disconnection of the established network,and takes STM32 as the core to design the wireless video monitoring module.The status of system operation shows that it has achieved a shorter networking time,a longer wireless communication distance and a faster wireless transmission rate of video compared with traditional object monitoring system,which can efficiently and quickly collect various types of data with fine expandability and convenient maintainability to meet requirements on security of intelligent systems in different fields.

RFID；Zigbee；CC2530；monitor；WIFI

2016-11-01

2017-02-13 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間

時間：2017-07-19

湖北省教育科研計劃指導性項目(B2014279)

王賾坤(1981-)，女，碩士，講師，研究方向為自動識別技術(shù)、無線通信網(wǎng)絡。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170719.1109.036.html

TP274

A

1673-629X(2017)11-0154-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.11.034