黃義行，馮 晟，馬 濤，韓小龍，吳明靜，張志偉，張敏賢

（紹興文理學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，浙江 紹興 312000）

0 引 言

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，通過無線傳輸方式下的長(zhǎng)途或短途通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物與物、人與物間的互聯(lián)互通已經(jīng)成為了潮流，其以精準(zhǔn)可控的方式輔助工作和生活，提高效率和生產(chǎn)力水平，改善了人與自然的關(guān)系，使人們的生活水平顯著提高。但人們?cè)谙硎芸萍紟淼谋憷麜r(shí)，安全方面的問題也層出不窮，這是不能忽視的。要想解決安全問題，提高安全距離是一個(gè)可控可行的方法，只要在與危險(xiǎn)源的距離不同時(shí)給出不同的提醒，并在一個(gè)危險(xiǎn)距離的閾值給出報(bào)警，就可以很好地解決一些安全問題。在距離測(cè)量方面，超聲波具有良好的可操縱性、強(qiáng)烈的共鳴和易于獲得強(qiáng)烈聲能的特點(diǎn)，可以簡(jiǎn)單快速地計(jì)算出距離并做到實(shí)時(shí)控制，這樣能夠保證在一個(gè)安全距離外準(zhǔn)確、及時(shí)地反饋報(bào)警信息，并且由于超聲波的頻率特性，在具體使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生噪聲。目前在很多場(chǎng)景中要達(dá)到報(bào)警條件并不能只靠一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。而多方向超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)既可以滿足在無線的情況下對(duì)多個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行距離測(cè)量，也能夠?qū)Χ鄠€(gè)點(diǎn)的不同距離做出對(duì)應(yīng)的報(bào)警反饋；如今國(guó)內(nèi)外對(duì)于多點(diǎn)無線測(cè)距報(bào)警的研究還比較缺乏，故此系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用前景及市場(chǎng)價(jià)值。

1 系統(tǒng)技術(shù)概況

近二十年來，在超聲波測(cè)距技術(shù)上，國(guó)內(nèi)大量研究人員對(duì)影響超聲波測(cè)距的幾種影響因素進(jìn)行了分析并提出了一些消除實(shí)驗(yàn)誤差的措施。在超聲波測(cè)距過程中，超聲波諧振處理方法的質(zhì)量與諧振前沿的定位精度和渡越時(shí)間的測(cè)量精度有關(guān)，進(jìn)而決定著超聲波測(cè)距系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和響應(yīng)速度。

嚴(yán)格來說，ZigBee技術(shù)的研究在國(guó)內(nèi)還沒有完全步入正軌，并且國(guó)內(nèi)ZigBee模塊制造商通常受到芯片制造商數(shù)量的限制。 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)由國(guó)外設(shè)備主導(dǎo)，本地開發(fā)的ZigBee產(chǎn)品尚未完全開始增長(zhǎng)。目前，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)公司可以將ZigBee技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品開發(fā)，但隨著無線技術(shù)的發(fā)展及5G時(shí)代的到來，很多學(xué)者和組織都開始著手關(guān)于無線組網(wǎng)、無線通信技術(shù)等方面的研究，利用國(guó)外廠商的開發(fā)平臺(tái)和芯片建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并應(yīng)用于智能家居等方面。伴隨著我國(guó)的5G及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，ZigBee的發(fā)展步伐也會(huì)逐步加快。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的多點(diǎn)超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)包括以下三個(gè)部分：超聲波測(cè)距及處理、ZigBee通過多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收、數(shù)據(jù)接收顯示、報(bào)警情況統(tǒng)計(jì)以及聲光報(bào)警。系統(tǒng)硬件包括無線傳感器實(shí)驗(yàn)箱中的ZigBee CC2530節(jié)點(diǎn)板四塊、HC-SR04超聲波傳感器板三塊、聲光報(bào)警傳感器一塊、USB接口SmartRF04仿真器、調(diào)試轉(zhuǎn)接板、PC機(jī)、USB mini線。硬件總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，仿真器、接線等如圖2所示，超聲波測(cè)距傳感器如圖3所示，聲光報(bào)警傳感器如圖4所示，多傳感器總布局如圖5所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖2 仿真器、接線

圖3 超聲波測(cè)距傳感器

圖4 聲光報(bào)警傳感器

圖5 多傳感器布局

2.2 系統(tǒng)各模塊工作原理

2.2.1 超聲波傳感器工作原理

HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可以提供2～400 cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)到3 mm，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路。

SRF04采用I/O口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10 μs的高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，并自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。如有信號(hào)返回，則通過I/O口輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，測(cè)試距離=(×340 m/s)/2。

在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波模塊在打開狀態(tài)下就開始對(duì)特定方向進(jìn)行測(cè)距，充當(dāng)數(shù)據(jù)測(cè)量發(fā)送節(jié)點(diǎn)。由于模塊的測(cè)量范圍有限，當(dāng)障礙物與傳感器距離過近或者超出測(cè)量范圍時(shí)，認(rèn)為該值無效并自動(dòng)賦值一個(gè)大的整型值從而觸發(fā)報(bào)警條件。在超聲波傳感器的有效測(cè)量范圍內(nèi)有障礙物時(shí)，數(shù)據(jù)測(cè)量發(fā)送節(jié)點(diǎn)開始測(cè)距行為；超聲波接收器每收到一次反射波就會(huì)立即停止計(jì)時(shí)，然后立即開始下一次測(cè)距行為；根據(jù)超聲波發(fā)射出到反射回來被接收到的時(shí)間間隔，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)與障礙物的距離=340/2。最后通過單片機(jī)傳送到LCD液晶屏中顯示距離。

2.2.2 ZigBee技術(shù)工作原理

ZigBee在建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)首先由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)掃描周圍的網(wǎng)絡(luò)情況，以網(wǎng)絡(luò)情況決定網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建行為能否成功，如果周圍有其他網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)作為路由器入網(wǎng)，否則就會(huì)自己創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)。其原理如圖6所示。

圖6 ZigBee網(wǎng)絡(luò)初始化示意圖

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)想加入ZigBee時(shí)，會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)不斷向要連接的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送請(qǐng)求，直至加入網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)收到請(qǐng)求并檢測(cè)剩余網(wǎng)絡(luò)資源是否允許新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，如果達(dá)到要求，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)就會(huì)把同意入網(wǎng)及入網(wǎng)成功等相關(guān)信息發(fā)送給自己上層并請(qǐng)求入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)。然后請(qǐng)求入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)也會(huì)把入網(wǎng)成功的相關(guān)信息發(fā)送給自己上層，最終成功入網(wǎng)。

2.3 數(shù)據(jù)顯示及報(bào)警

顯示部分主要是在LED顯示器上顯示收到的數(shù)據(jù)，同時(shí)在PC上通過Python編寫串口程序查看來自串口的測(cè)距結(jié)果、對(duì)應(yīng)結(jié)果的提示信息、當(dāng)前測(cè)量的次數(shù)和時(shí)間等；然后根據(jù)不同的距離范圍進(jìn)行不同的報(bào)警操作，具體報(bào)警操作為：距離大于100 cm時(shí)，綠燈亮，提示安全（safe），安全次數(shù)（satime）加1；距離大于20 cm、小于等于100 cm時(shí)，藍(lán)燈亮，提示警告（warning），警告次數(shù)（watime）加1；距離小于等于20 cm時(shí)，紅燈亮，提示危險(xiǎn)（dangerous），危險(xiǎn)次數(shù)（datime）加1，蜂鳴報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。這樣就可以清楚地了解什么時(shí)間、哪個(gè)節(jié)點(diǎn)、發(fā)送了什么報(bào)警行為，并且就報(bào)警系統(tǒng)而言可以根據(jù)聽到警報(bào)聲的先后次序看到對(duì)應(yīng)的報(bào)警時(shí)間。

3 系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

3.1 程序設(shè)計(jì)原理

由于超聲波測(cè)距、聲光報(bào)警與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了整合優(yōu)化，此系統(tǒng)總體分為數(shù)據(jù)采集發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收顯示端。數(shù)據(jù)采集發(fā)送端為多個(gè)位于ZigBee CC2530節(jié)點(diǎn)板的超聲波測(cè)距傳感器，每隔1 s采集距離數(shù)據(jù)并通過ZigBee無線發(fā)送當(dāng)前距離；數(shù)據(jù)接收顯示端為聲光報(bào)警傳感器，每1 s接收發(fā)送過來的距離并進(jìn)行判斷，然后對(duì)不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行不同程度的報(bào)警操作，并依次顯示在LED顯示器與串口程序上。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸是實(shí)現(xiàn) ZigBee的點(diǎn)播通信，配置好相關(guān)的通信信道、Panid、應(yīng)答請(qǐng)求、安全密鑰、發(fā)送地址和接收地址后，ZigBee會(huì)根據(jù)配置信息判斷自己的角色，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。收到數(shù)據(jù)后，串口程序會(huì)根據(jù)配置好的串口相關(guān)信息獲取串口數(shù)據(jù)，需要注意的是發(fā)送節(jié)點(diǎn)的Panid、信道以及發(fā)送的目的地址都要與接收節(jié)點(diǎn)匹配，這樣接收節(jié)點(diǎn)才能成功收到數(shù)據(jù)。

3.2 程序總流程

系統(tǒng)詳細(xì)流程為：系統(tǒng)開始時(shí)，作為數(shù)據(jù)發(fā)送端的超聲波測(cè)距傳感器與作為數(shù)據(jù)接收端的聲光報(bào)警傳感器同時(shí)進(jìn)行初始化配置，并通過代碼中的節(jié)點(diǎn)類型判斷自己為發(fā)送節(jié)點(diǎn)還是接收節(jié)點(diǎn)。

如果是發(fā)送節(jié)點(diǎn)，就初始化超聲波測(cè)距模塊及射頻模塊，測(cè)量距離，并且每隔1 s發(fā)送；如果是接收節(jié)點(diǎn)，就初始化射頻模塊并不斷等待接收數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行判斷。

如果距離大于100 cm，聲光報(bào)警傳感器亮綠燈，不報(bào)警，LED及串口程序會(huì)顯示安全（safe）和當(dāng)前時(shí)間，并統(tǒng)計(jì)安全的次數(shù)；如果距離大于20 cm、小于等于100 cm，聲光報(bào)警傳感器亮藍(lán)燈，不報(bào)警，LED及串口程序會(huì)顯示警告（warning）和當(dāng)前時(shí)間，并統(tǒng)計(jì)警告的次數(shù)；否則，聲光報(bào)警傳感器亮紅燈，進(jìn)行報(bào)警，LED及串口程序會(huì)顯示危險(xiǎn)（dangerous）和當(dāng)前時(shí)間，并統(tǒng)計(jì)危險(xiǎn)的次數(shù)。其過程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)程序總流程

4 結(jié)果驗(yàn)證

4.1 發(fā)送節(jié)點(diǎn)的串口顯示

三個(gè)節(jié)點(diǎn)的程序編譯及下載調(diào)試都沒有問題后，打開串口調(diào)試程序，進(jìn)行串口初始化的配置；然后編譯程序，在超聲波傳感器上方不同距離放置障礙物，如圖8所示，每秒會(huì)依次發(fā)送三個(gè)數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)即為三個(gè)超聲波傳感器測(cè)量到并且同時(shí)發(fā)送給聲光報(bào)警傳感器的距離。

圖8 發(fā)送節(jié)點(diǎn)的串口顯示

4.2 接收節(jié)點(diǎn)的串口顯示

分別編譯和下載調(diào)試發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的程序，確認(rèn)沒有問題后，接線連接接收節(jié)點(diǎn)，在PC上打開串口程序，進(jìn)行串口初始化配置；然后編譯程序，在不同節(jié)點(diǎn)的超聲波傳感器上方放置障礙物，查看串口輸出如圖9、圖10所示。可以看到，串口數(shù)據(jù)已成功輸出，但必須點(diǎn)擊發(fā)送才會(huì)顯示串口數(shù)據(jù)。

圖9 接收節(jié)點(diǎn)的串口顯示1

圖10 接收節(jié)點(diǎn)的串口顯示2

經(jīng)過多次改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)后，完善了串口程序，使其能夠自動(dòng)輸出數(shù)據(jù)與時(shí)間，并對(duì)不同報(bào)警效果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如下。

三個(gè)超聲波傳感器上方均沒有放置達(dá)到報(bào)警距離的障礙物時(shí)，串口輸出結(jié)果如圖11所示，可以看到，每秒收到了三個(gè)距離數(shù)據(jù)并對(duì)安全次數(shù)（satime）進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)；由于溫度、風(fēng)速等因素的影響，三個(gè)超聲波傳感器雖然放置在同一平面，但每秒測(cè)量的距離數(shù)據(jù)依然有誤差，經(jīng)過3次/s共計(jì)20 000次的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)偶爾會(huì)有1～5 cm的誤差。

圖11 無障礙物時(shí)串口顯示

在第一個(gè)超聲波傳感器上方放置達(dá)到報(bào)警距離的障礙物，串口輸出結(jié)果如圖12所示。分別在第二個(gè)和第三個(gè)超聲波傳感器上方放置達(dá)到報(bào)警距離的障礙物，串口輸出結(jié)果如圖13、圖14所示。在三個(gè)超聲波測(cè)距傳感器上方均放置可達(dá)到報(bào)警距離的障礙物，串口輸出結(jié)果如圖15所示。

圖12 第一個(gè)節(jié)點(diǎn)報(bào)警串口顯示

圖13 第二個(gè)節(jié)點(diǎn)報(bào)警串口顯示

圖14 第三個(gè)節(jié)點(diǎn)報(bào)警串口顯示

圖15 三個(gè)節(jié)點(diǎn)報(bào)警串口顯示

4.3 LCD信息顯示及報(bào)警效果驗(yàn)證

報(bào)警部分包括三種不同程度的報(bào)警提示，當(dāng)距離大于100 cm，綠燈亮，提示安全（safe），提示效果如圖16、圖17所示。

圖16 距離為267 cm時(shí)報(bào)警效果

圖17 距離為101 cm時(shí)報(bào)警效果

當(dāng)距離大于20 cm且小于等于100 cm時(shí)，藍(lán)燈亮，提示警告（warning），提示效果如圖18、圖19、圖20所示。

圖18 距離為100 cm時(shí)報(bào)警效果

圖19 距離為27 cm時(shí)報(bào)警效果

圖20 距離為21 cm時(shí)報(bào)警效果

距離小于等于20 cm時(shí)，紅燈亮，提示危險(xiǎn)（dangerous），同時(shí)蜂鳴報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警，提示效果如圖21、圖22所示。

圖21 距離為20 cm時(shí)報(bào)警效果

圖22 距離為15 cm時(shí)報(bào)警效果

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在測(cè)距報(bào)警過程中，本次實(shí)驗(yàn)累計(jì)進(jìn)行測(cè)距行為2萬余次，截取部分實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖23所示，可見每次測(cè)距三個(gè)節(jié)點(diǎn)所得數(shù)據(jù)基本一致，個(gè)別情況下測(cè)距效果會(huì)受溫度、風(fēng)速等因素影響。

圖23 無障礙狀態(tài)下多點(diǎn)超聲波測(cè)距統(tǒng)計(jì)

本次多點(diǎn)超聲波統(tǒng)計(jì)結(jié)果是總共進(jìn)行30次數(shù)據(jù)測(cè)量得到的，其中在誤差可接受的范圍內(nèi)，測(cè)量準(zhǔn)確的次數(shù)為27次，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確率為27/30=90%，錯(cuò)誤率為3/30=10%，召回率為27/30=90%。

統(tǒng)計(jì)部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的誤差，實(shí)際距離為208 cm，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖24所示，可見測(cè)距過程中誤差基本控制在2～5 cm。

圖24 無障礙狀態(tài)下多點(diǎn)超聲波測(cè)距誤差統(tǒng)計(jì)

圖25 卡方檢驗(yàn)結(jié)果

在無線通信方面，本系統(tǒng)只需要一個(gè)報(bào)警端，故不適用組播和廣播方式，最后選擇了點(diǎn)播方式。在2萬余次實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的無線收發(fā)成功率較高，截取部分實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖26所示，可以達(dá)到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)收發(fā)及報(bào)警行為，在正常環(huán)境及正常速度下遇到障礙物報(bào)警成功率為30/30=100%。

圖26 有障礙狀態(tài)下報(bào)警率統(tǒng)計(jì)

在串口數(shù)據(jù)獲取方面，本次實(shí)驗(yàn)編寫了兩個(gè)串口數(shù)據(jù)獲取程序，第一個(gè)只能手動(dòng)點(diǎn)擊獲取，經(jīng)過改進(jìn)后為自動(dòng)不間斷獲取串口數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

5 結(jié) 語

本文開發(fā)了基于超聲波和ZigBee的多方向無線聲光報(bào)警系統(tǒng)，在硬件方面選用CC2530開發(fā)板和超聲波測(cè)距模塊等，程序方面使用IAR Embedded Workbench編寫，并通過Python編寫串口程序，結(jié)合LED顯示器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的驗(yàn)證，通過聲光報(bào)警傳感器進(jìn)行報(bào)警，證明該系統(tǒng)用于測(cè)距報(bào)警是可行的。數(shù)據(jù)傳輸方面選用ZigBee技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸，在程序中通過配置發(fā)送與接收端實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，然后可以用串口程序驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч?。最后，通過將上述兩部分結(jié)合并進(jìn)行功能驗(yàn)證，證明系統(tǒng)運(yùn)行是可行的。在未來的研究工作中將嘗試開發(fā)手機(jī)APP與電腦端網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量后實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和多端查看，并嘗試通過手機(jī)APP與電腦實(shí)現(xiàn)報(bào)警系統(tǒng)的控制。