周若倫 李卓倫 王佳偉 尹杰 楊旺春

摘 要：為了解決復(fù)雜場景下交通燈信號的采集、辨識困難等問題，并能實(shí)現(xiàn)對交通燈信號的實(shí)時獲取，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的智能盲杖設(shè)計(jì)。利用CC2530芯片和外圍接口搭建系統(tǒng)硬件，使用Z-Stack協(xié)議棧編制系統(tǒng)底層軟件。

關(guān)鍵詞：智能盲杖;ZigBee技術(shù);Z-Stack協(xié)議棧;語音轉(zhuǎn)換模塊

城市交叉口是道路交通系統(tǒng)的重要組成部分，也是目前城市交通態(tài)勢最為復(fù)雜、交通事故頻發(fā)的區(qū)域。為此，本文提出基于ZigBee無線通信技術(shù)將交通燈信號的視覺信息傳給導(dǎo)盲杖，使其能及時獲取交通控制信號，從而有效幫助盲人提高道路通行能力、減少交通事故的發(fā)生。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

基于ZigBee技術(shù)的智能導(dǎo)盲手杖，是信號燈控制系統(tǒng)與智能手杖支持系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，它可以實(shí)現(xiàn)將視覺交通信號信息向盲人語音傳輸?shù)墓δ?，該系統(tǒng)由交通信號燈控制器、ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)和語音轉(zhuǎn)換模塊組成。

ZigBee模塊A與ZigBee模塊B主要由CC2530芯片組成。ZigBee模塊A與交通燈信號控制器安裝在路口交通設(shè)備中，ZigBee模塊B與語音轉(zhuǎn)換模塊在智能盲杖內(nèi)部安裝。ZigBee模塊A中的CC2530芯片上的串口與交通燈信號控制器相連，獲取交通燈信號。ZigBee模塊A與ZigBee模塊B構(gòu)成無線通信網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)交通燈信號的實(shí)時傳輸。當(dāng)智能盲杖進(jìn)入交通信號發(fā)射半徑內(nèi)時，智能盲杖上的ZigBee模塊B會自動作為終端節(jié)點(diǎn)加入到該網(wǎng)絡(luò)中，并實(shí)時獲取路口交通信號燈的狀態(tài)。這樣就可以使智能盲杖對前方路口交通信號的獲取，而不受天氣和其他外界環(huán)境的限制。

2 軟件設(shè)計(jì)

（1）Z-Stack系統(tǒng)。ZigBee協(xié)議棧建立在IEEE802.15.4的物理層（PHY）和介質(zhì)接入控制子層（MAC）規(guī)范之上，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，在應(yīng)用層內(nèi)提供了應(yīng)用支持子層（APS）和ZigBee設(shè)備對象（ZDO），應(yīng)用框架中則加入了自定義的應(yīng)用對象。具有Z-StackTM協(xié)議棧系統(tǒng)的CC2530設(shè)備上電之后會自動形成或加入網(wǎng)絡(luò)。其中作為協(xié)調(diào)器、終端路由設(shè)備的ZigBee模塊內(nèi)均移植了Z-StackTM協(xié)議棧。Z-StackTM協(xié)議棧采用小型OS操作系統(tǒng)的思想構(gòu)建，基于事件輪詢機(jī)制。當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)便可以判斷優(yōu)先級，逐次處理事件。

在對Z-StackTM協(xié)議棧移植的過程中，首先通過函數(shù)MT_UartInit（）; MT_UartInit（）; MT_UartRegisterTaskID（task_id）; 對串口部分進(jìn)行初始化。然后在協(xié)議棧的無線數(shù)據(jù)處理部分添加將無線信號轉(zhuǎn)換為串口信號的處理函數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要在數(shù)據(jù)處理部分添加相應(yīng)的信號分類和處理等內(nèi)容。

（2）軟件實(shí)現(xiàn)。發(fā)射端的模塊主要作為協(xié)調(diào)器來使用，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要有兩個任務(wù)：一是負(fù)責(zé)建立新網(wǎng)絡(luò)并允許其它節(jié)點(diǎn)加入到該網(wǎng)絡(luò)中;二是能夠發(fā)送交通燈信號的數(shù)據(jù)信息。網(wǎng)絡(luò)建立成功后，LCD上會顯示該節(jié)點(diǎn)配置為協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器會自動進(jìn)入允許綁定模式，來響應(yīng)終端節(jié)點(diǎn)的綁定請求。這部分的軟件實(shí)現(xiàn)主要包括設(shè)備的初始化、協(xié)調(diào)器組網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)信息的處理和發(fā)送等。

工作在路由器模式的終端節(jié)點(diǎn)會自動搜尋附近的網(wǎng)絡(luò)并申請加入。終端節(jié)點(diǎn)通過ZDO_StarDevice（）函數(shù)自動加入網(wǎng)絡(luò)，由zb_BindDevice（）發(fā)出綁定請求，如果沒有發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)或父節(jié)點(diǎn)沒有應(yīng)答，終端節(jié)點(diǎn)會移除本次綁定，重新進(jìn)行發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和綁定過程。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee模塊

基于ZigBee技術(shù)的導(dǎo)盲手杖中與交通信號燈控制器相連的ZigBee模塊A和智能盲杖ZigBee模塊B都采用了遵循2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CC2530芯片[1]，同時集成了8051內(nèi)核，TI公司提供的Z-StackTM協(xié)議棧，一個高性能的RF收發(fā)器，內(nèi)置8KB的RAM和256KB閃存，2個USART、8位和16位定時器、8路輸入可配置的12位ADC、21個GPIO、AES128協(xié)同處理器等。它具有硬件設(shè)計(jì)簡單、自組織、功耗低、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，能較好的滿足低功耗系統(tǒng)的要求。

3.2 發(fā)射端設(shè)計(jì)

發(fā)射端ZigBee協(xié)調(diào)器采用標(biāo)準(zhǔn)串口協(xié)議與交通信號燈控制器相連，電源模塊通過電壓轉(zhuǎn)換模塊為節(jié)點(diǎn)提供3.3v的電壓，LCD主要用來顯示節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，LED則用來指示網(wǎng)絡(luò)的連接情況。

3.3 接收端設(shè)計(jì)

接收端作為終端節(jié)點(diǎn)，電源模塊從盲杖電源竊電。語音轉(zhuǎn)換模塊以ATmega128L單片機(jī)為核心，輔以放大電路與濾波電路實(shí)現(xiàn)。AVR系列的ATmega128L單片機(jī)具有先進(jìn)的RISC架構(gòu)，單指令周期和豐富的外設(shè)，可以輕易地滿足設(shè)計(jì)需求。放大電路與濾波器電路的放大器選用LMV324。

4 硬件測試

根據(jù)上一部分的理論分析，用圖1所示的CC2530系統(tǒng)板對接近路口交通燈，并自動加入路口的ZigBee信號網(wǎng)絡(luò)，接收交通信號信息的情景進(jìn)行模擬。模擬測試中，用其中一塊CC2530系統(tǒng)板作為協(xié)調(diào)器，模擬路口交通燈信號發(fā)射基站。另一塊作為路由器，模擬智能盲杖搭載的信號接收模塊。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于CC2530的智能盲杖實(shí)現(xiàn)的基本原理及硬、軟件開發(fā)流程，并對系統(tǒng)進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)可以對復(fù)雜環(huán)境下多類型交通信號燈進(jìn)行辨識，實(shí)現(xiàn)交通燈信號的實(shí)時傳輸，自動識別，且不受地域、時域的影響。這種新技術(shù)具有外界環(huán)境影響小，辨識精度高等特點(diǎn)。

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作者簡介：周若倫（2001-），女，遼寧阜新人，本科，主要研究方向：主動安全。