基于无线传感器网络的公园游客跟踪系统设计

基于无线传感器网络的公园游客跟踪系统设计（共8篇）

篇1：基于无线传感器网络的公园游客跟踪系统设计

无线传感网络设计报告

题目 基于无线传感器网络的公园游客跟踪系统设计

报告人

指导老师

二○一六年十二月 基于无线传感器网络的公园游客跟踪系统设计

摘要：利用无线传感器网络对具有声音特性的公园游客进行跟踪的特点，研究了基于时延估[1][2][3]计的声源定位方法。选择广义互相关法作为时延估计算法，并改进球形插值法用于声源定位，从而减小了算法复杂度；设计了一个面向目标跟踪的声学无线传感器网络原型系统。利用所设计的原型系统能实现对移动的游客进行跟踪，而且跟踪精度较高。

关键词：声源定位； 目标跟踪； 时延估计； 无线传感网络

1． 课程设计任务

本文拟采用基于时延估计的声源定位方法，设计了一个游客定位与跟踪系统。把在公园三个角作为基站，同时也作为参考节点。首先利用广义互相关法，计算出目标到各个节点与参考节点之间的时延；然后根据时延，采用改进的球形插值法得出目标的方位；最后将该系统应用到一个移动的公园游客跟踪实验中。

1.1 课程设计题目

本课程设计关于游客跟踪，拟采取配备声音传感器的传感器网络，对声源进行定位及跟踪。由于声音传感器具有体积小、成本低的优点，配备了声音传感器的传感器网络可以对跟踪，尤其适合对处于电磁干扰区的低空或地面目标的定位[4]。并且目前，利用声音传感器网络进行目标的定位与跟踪是目前的一个研究热点。在每一个节点上配置一个声音传感器，一个节点对可以计算出声源的方位角，利用2个或多个节点对，根据三角法计算目标的位置；然后利用卡尔曼滤波估计声源的运动趋势，而选择合适的节点集合计算声源位置。但该方法计算声源方位角时，需假设声源符合远场条件[5]。

1.2 设计的要求

为满足对公园游客安全实施监控要求，防止游客（尤其是小孩子）丢失，所以设计一个基于无线传感器网络的公园游客跟踪系统。在每一个进园游客身上佩戴一个传感器，能够根据环境自主完成目标监测、发现、识别、定位与跟踪等任务。无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)是由大量具有感知、计算和无线通信能力的传感器节点通过自组织方式构成的网络。由于WSN具有随机布设、自组织和隐蔽性强等特点，目前能够广泛应用于军事、工业和商业等领域[6]。2． 关键技术及总体方案

2.1 无线传感器网络目标定位跟踪原理

基于无线传感器网络的目标跟踪通常包括侦测、定位和通知三个阶段。1）侦测阶段。在一个配备了声音传感器的无线传感器网络监测区域中，传感器节点对声音信息进行周期的采集。当游客进入某个区域时，某个传感器节点发现声音强度超过阈值，则唤醒其他节点处理突发事件，启动目标定位与跟踪任务。

2）定位阶段。目标附近的节点被唤醒。被唤醒的节点利用基于声音传感器阵列的声源定位技术对目标进行定位。

3）通知阶段。当计算出目标位置之后，需唤醒其他节点，使其加入到跟踪行李额。同时需把目标的位置信息发送到汇聚节点，汇聚节点对数据进行进一步的融合处理后将数据发送到指挥中心。就可以实时对游客的位置进行定位。

2.2 声源定位于跟踪方法研究

基于时延估计的声源定位方法因其定位精度相对较高、实时性较强而成为近年来的研究热点，而得到了广泛的应用[7]。该方法主要分为时延估计和目标定位两个主要步骤，如图1所示。

传感器节点接收声源信号估计各节点与参考节点之间的声源信号到达时间延迟利用时延数据进行声源定位

图1 基于时延估计的声源定位方法示意图

1）时延估计方法的研究

假设两个声音传感器接收信号的离散事件信号模型为：

（1）式中，为声源信号；和为互不相关的高斯白噪声；和、也互不相关；和为声波的衰减系数；和分别为声波从生源到声音传感器1和声音传感器2的传播时间，为两个声音传感器间的时延。时延估计算法主要包括基本互相关法、广义互相关法和最小均方差法（LMS）等[8]。

基本互相关法的主要特点是方法简单，但该方法嘉定信号与噪声及噪声与噪声之间均互不相关，这在某些情况下不一定能得到满足，而且时延估计的精度较低。广义互相关法在功率谱域对信号进行加权，突出相关的信号部分而抑制受噪声干扰的部分，以便使相关函数在时延处的峰值更为明显，从而在一定程度上提高了时延估计精度[9]。LMS法用一个通道的信号去逼近另一个，使系统的均方差达到最小，在收敛的情况下给出时延估计，它不需要输入信噪比等先验知识；但是LMS法是一个迭代学习过程，运算量要大于广义互相关法，其估计精度随滤波器长度增加而提高，及核算复杂度也随之迅速增长，不适合跟踪快速移动的声源和对实时性要求较高的场合。

本文考虑到传感器节点的性能，采用广义互相关法。两信号之间的广义互相关法（GCC）函数为：

（2）

式中，为广义互相关法加权函数；为接收信号、为互功率谱。

本文选择的互功率谱相位（CSP）加权函数为广义互相关加权函数。所加噪声是均值为0的高斯白噪声，采样频率为16KHz。

2.3 具体设计实施方案(基于时延估计的声源定位方法)由广义互相关法求得时延后，根据估计的时延值对生源进行定位。定位主要有目标函数空间搜索定位法和几何定位法。目标函数空间搜索法计算量较大，实时性差，容易出现局部极值点，不适合应用于传感器节点。几何定位法分为线性插值法和球形插值法。线性插值法对声音传感器的摆放位置没有严格的要求，但其计算量稍大。由于传感器节点是素及分布的，因此，本文利用球形插值法进行目标定位，并在球形插值法的基础上，对其进行改造，减少其运算量，降低算法复杂度[10]。球形插值法首先设定一个参考节点，求得其他节点相对参考节点的时延，然后根据时延和各节点的矢量位置得到一个误差方程组，求其最小二乘解[11]。

设系统由N+1个配备了声音传感器的节点组成，分别位于处。不失一般性，设参考节点位于坐标原点，其位置矢量处。不失一般性，设参考节点位于坐标原点，其位置矢量，声源位置矢量，各节点、声源到源点的距离分别为和，各节点与参考节点到声源的距离差用表示[12]。节点与声源的几何关系如图2所示。由图可知，节点与参考节点到声源S的距离差为[13]：

（3）可得：

（4）即：

（5）

Z声源sRs参考节点m0yRiRs+di节点mix

图2传感器节点-声源几何模型

由于是由延时估计得到的，所以存在一定的误差，因此（5）式不为0，应为[14]：（6）（7）其中：

（8）

为减少一般球形插值法的运算量，将（7）式改写为：

（9）其中：

（10）（11）当：

（12）

式（8）的均方差最小，即：

（13）

根据逆矩阵的定义，由式（10）可得：

（14）声源的位置为：

（15）

式(9)中ATA始终是一个4×4的矩阵，整个式子求解所需的乘法和加法的数量不大，运算复杂度仅为O(N)，而一般球形插值法的运算复杂度为O()。当节点数量较多时，改进的球形插值法的运算复杂度将显著小于球形插值法[15]。

3． 总结

目标定位与跟踪是无线传感器网络的重要应用之一。本文在每个游客身上配置一个声音传感器，分析了无线传感器网络的目标定位和跟踪原理，讨论了时延估计方法和声源定位方法。根据相关算法的性能，选择CSP广义互相关法作为时延估计算法，并改进了球形插值法用于声源定位。利用公园的三点确立连接点，搭建了目标跟踪原型系统，来对园区内的游客进行实时的定位和监控。实验结果表明，利用广义互相关法和改进的球形插值法进行目标跟踪的精度较高。

4． 主要参考文献

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Wireless Sensor Network Abstract：To track the target with acoustic characteristics in wireless sensor networks, the acoustic source localization algorithm based on time delay estimation is proposed.In this algorithm, the generalized cross correlation(GCC)is employed as the time delay estimation algorithm, and a revised spherical interpolation(RSI)algorithm is presented for acoustic source localization with a less computational complexity.Then a target tracking prototype system using IRIS sensor nodes is implemented.Experiment results demonstrate that the prototype system can effectively track the target and improve the target tracking precision.Keywords： Acoustic source localization;Target tracking;time delay estimation;wireless sensor networks

篇2：基于无线传感器网络的公园游客跟踪系统设计

系统核心处理模块基于CC2530开发设计，选用星型拓扑结构组建无线传感器网络，具有容量大、低成本和低功耗等特点，且相邻两个节点传输距离可达10～150m，完全满足温室内无线调光系统设计需求。其中，主控节点实现网络构建、环境信息采集、数据处理分析、人机交互及调光命令下发等功能;驱动节点主要实现控制命令接收、数据解析及调光数据输出等功能;植物LED执行器实现LED灯组调控及亮度输出。主控节点采用全功能设备FFD(FullFunctionDe-vice)，具备网络协调功能，可联结其他FFD或精简功能设备(RFD)，组建无线传感器网络，可双向传输信息，具有协调作用;同时，根据系统设计要求，主控节点具有控制功能。电路设计增加环境光照与温度信息采集模块、人机交互模块(即液晶显示及按键)、工作指示灯、时钟模块以及复位模块，分别完成数据采集、人机交互和复位等控制功能。驱动节点采用简化功能设备RFD(ReducedFunc-tionDevice)与主控节点进行信息传输，同时完成控制命令输出;植物LED执行器基于植物光合作用分析，选用中心波长为660nm、半波带宽度为40nm的红光LED，以及中心波长为450nm、半波带宽度为40nm的蓝光LED两种特定波段LED作为光源，可根据驱动节点输出不同的调光命令，实现不同配光比的光环境调节。

2系统硬件设计

2．1主控节点结构及硬件设计

主控节点主要负责构建及启动网络、网络参数选择、当前环境信息监测、控制方式选择、计算调光值、调光命令下发、人机交互等功能，包括电源模块、核心处理模块、无线模块。

2．1．1核心处理模块

系统选用CC2530作为中央处理器，内含高性能低功耗8051微控制器，工作电压3．3V，外设21个I/O口。其中，P1．0接入系统正常工作信号LED指示灯;P0．1接入手动按钮;人机交互模块电路为液晶分别与P0．0，P1．2，P1．5和P1．6连接，按键与P0．6和P2．0口连接;P0．2，P0．4，P0．5与时钟芯片DS1302相连;P1．4口与温度传感器连接，P1．1和P1．3口与光照传感器相连。具体电路根据CC2530芯片手册设计开发，降低了开发难度。

2．1．2人机交互模块

系统选用DB12864－16C作为液晶显示，采用普通复位按键作为设备按键，在满足系统工作要求的条件下，为节省I/O口使用，液晶与CC2530连接采用串行SPI方式进行通信，按键电路利用SN74HC32或门和LM358运放共同实现。具体电路根据SPI方式及运放典型电路开发设计。

2．1．3其他模块

电源模块采用5V适配器为主控节点供电。电源输入后，经过降压芯片ASM－1117典型电路为系统提供3．3V直流电压。数据采集模块包括环境温度采集和光照采集两种。其中，温度采集选用DS18B20作为温度传感器和ISL29010作为光照传感器，通过在光照传感器上覆盖红蓝光滤光片以及软件修正，实现对光合作用有效波段监测。时钟模块根据DS1302芯片手册中典型电路设计，可实现系统时间设制以及定时控制功能。同时，为满足系统后期扩展需求，将剩余I/O口作为备用扩展口使用，以提高系统实际应用及二次开发能力。

2．2驱动节点及植物LED执行器设计

驱动节点属于精简功能设备，只完成调光控制命令接收与信号输出功能，可减少外围电路设计，降低了智能调光系统的成本。驱动节点包括核心处理模块、无线接收模块、电源模块和继电器模块。具体电路为:P1．0连接红光LED驱动电路，P1．1连接蓝光LED驱动电路，P1．5连接红光信号继电器，P1．6连接蓝光信号继电器。LED执行器包括驱动模块及红蓝光LED灯组，由24V电源供电。驱动模块选择PT4115驱动芯片，是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，可用于驱动一颗或多颗LED串联。LED灯组根据植物生长所需光环境由若干红蓝光LED按比例组成。

3系统软件设计

本系统以IAR为软件开发平台，可以直接对Zig-Bee2007协议栈进行开发移植，生成高效可靠的可执行代码，并对代码进行调试。代码采用C语言开发，不仅有利于软件代码的可读性，而且能够满足对硬件功能的调试和控制，大大缩短了系统开发周期。系统软件主要包括节点间数据传输和节点功能软件两个部分。节点数据传输过程:首先，通过主控节点进行信道扫描，选择合适的信道组建网络。在IEEEE802．15．4协议中，将2．4G频段划分16个信道，编号为11－26。本系统选择默认值11信道。构建成功后，驱动节点以直接方式加入网络，即驱动节点作为主控节点的子节点，由主控节点向驱动节点发送，作为其子设备命令。主控节点在网络中起协调器作用，负责网络构建。为确保系统安全可靠工作，系统采用分布式分配机制为每个节点分配自己的地址，主控节点在组网以后使用0x0000作为自己的短地址，在驱动执行节点加入系统网络后，由主控设备随机分配一个不重复的16位短地址作为自己唯一的地址来进行通讯。主控节点控制软件包括两类传感器解析函数、计算决策程序、参数设定程序、液晶显示程序和时钟程序等子程序;驱动节点作为终端节点，在完成调光控制命令接收后，将控制信号输出给继电器和驱动电路;LED执行器根据调光控制命令实时调节红蓝光LED灯组状态，实现温室光环境的多种方式以及无线控制。

4运行结果

本设备已通过实验测试，并应用于西北农林科技大学某实验基地。试验证明，系统可根据用户实际需要实现手动控制、定时控制、阈值控制以及定量控制等多种控制方式调光，且所有控制命令均可采用无线传输方式进行准确传输。其中，在阈值控制方式下，主控节点可完成温室实时温度、红蓝光光强等环境因子检测，并基于光合作用机理精确决策温室作物实际需光量;驱动节点可稳定接收实际调光数据，并准确输出给驱动电路和继电器，LED执行器可根据控制命令准确调节LED灯组输出状态。

5结论

（1）本文设计了一种基于无线传感器网络的设施农业调光系统，可通过用户实际需求选择多种控制方式对温室作物光环境进行无线调控。其中，阈值控制方式综合考虑作物光合作用影响因素，根据温室温度、红蓝光光强等环境因子精确计算作物实际需光量，实现了温室光环境的实时按需调节。

（2）系统结合温室实际生产条件，采用无线传感器网络技术传输调光命令，有效降低了系统部署难度与维护成本;采用新一代LED光源，减少了生产成本，节约了能源。

篇3：基于无线传感器网络的公园游客跟踪系统设计

随着计算机和视频监控等技术的不断发展,目标跟踪识别成为智能控制领域研究的重要内容。在传感器网络的众多应用中,跟踪运动目标也是一项最重要的功能。特别是对于一些安全性具有较高要求的敏感区域,有效的目标跟踪系统对于确保人们的生命和财产安全具有重要作用[1,2,3,4,5,6]。传统基于背景提取的检测跟踪方法,通过固定的视觉传感器采集目标图像,极大地降低了系统的灵活性[7]。因此,为了减小系统对于背景模型的依赖,增强系统的抗干扰性,本文设计了一种基于视觉传感器网络的物体检测与跟踪系统。

1 系统的总体结构

基于视觉传感网络的目标跟踪系统的总体结构见图1。系统包括图像采集、无线传感网络以及控制器三部分。系统采用图像采集卡采集监控区域中的目标物体图像,通过无线传感网络对监测范围中的目标图像信息进行变换、传输、存储和处理,无线传感网络中的无线通信模块,采用CP⁃132IS串口卡将图像处理数据传输给控制器,控制器基于传感网络节点反馈的目标坐标信息,对目标位置进行标定,实现目标自主跟踪。

2 系统硬件结构设计

2.1 图像采集卡的设计

系统选择MeteorⅡ⁃Standard图像采集卡采集监控区域中的目标物体图像。该图像采集卡是一种高性能的采集卡,能够获取标准的模拟彩色/黑白视频信号,实时采集到系统或显示,并将采集到的图像传输到系统(主CPU)进行处理或到显存(VGA),通过实时活动视频窗口进行显示MeteorⅡ⁃Standard图像采集卡的核心为TMS320C6201 芯片,该芯片具有较高的处理效率和低能耗。Matrox MeteorⅡ图像采集卡能够向摄像头提供5/12 V电源,并通过32 位PCI桥S5933 接口与其他设备相连接。该采集卡的总线主控能够按照110 MB/s的速率传递数据,并且无需连续占用总线。该采集卡通过双口RAM以及SDRAM存储采集的图像数据,具备较高的数据存储空间。采集卡设置用户可选EPLD为用户提供不同的格式的图像显示效果。如图2 所示。

2.2 无线传感器节点的设计

本文通过无线传感器网络传输图像采集卡以及通信模块中的目标物体图像信息以及图像特征信息,传感器网络节点包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块以及能量供应模块,如图3 所示。传感器模块用于对监测范围中的信息进行收集,并对数据进行变换;该模块由传感器(Sensor)和模数转换设备(AC/DC)组成。传感器会将检测的图像数据基于转换设备(AC/DC),变换成电压信号,最终通过采集电路将模拟图像数据电压信号变换成便于系统分析和处理的图像数字信号。处理器模块主要面向总体传感器节点,对节点获取的数据以及其他节点反馈的数据进行保存和处理。处理器模块是无线传感器节点的关键部分,由处理器(CPU)和存储器(Memory)组成,本文采用嵌入式ARM处理器,具有体积小、集成度高、效率高等优势,并且具有较多的外部通用I/O端口和通信接口。无线通信模块用于同其他传感器节点间交流控制消息,并传递采集的图像数据。该模块由网络设备(NET)、媒介访问控制设备(MAC)以及收发设备组成。无线传感器网络的数据通信协议包括物理层、链路层、网络层和应用层。其中传输层负责图像数据流的传输控制,是确保系统图像数据通信服务质量的重点。能量供应模块为各模块提供能量。

2.3 无线通信模块硬件设计

系统通过无线通信模块将图像处理的和特征采集结果传递给控制器,通过控制器实现目标自主跟踪。采用CP⁃132IS串口卡实现图像数据串口通信传输,该串口卡的结构如图4 所示。该串口卡支持独立的RS 422或RS 485 接口,各串口最多可管理32 个设备。并且该串口卡通过自动数据流向控制,对通信串口图像数据的传送和接收进行有效控制。CP⁃132IS串口卡同LCD显示模块连接,将图像处理结果输出到LCD显示模块提供给用户;通过以太网控制器RTLD019AS同互联网连接,同时将图像处理和特征采集结果保存在RAM存储模块中。另外,CP⁃132IS串口卡通过芯片硬件流量控制并在内部设置终端电阻,确保图像数据的完整,具有较高的兼容性。

3 系统软件设计

3.1 系统工作流程

本系统的软件设计部分主要包括目标物体检测、节点数据处理、节点间的数据通信和控制器存储并标定目标位置4 个部分。

(1)目标物体监测。图像传感器中各节点基于设定的时间间隔,采用自身的图像传感器模块监测视野区域中是否存在目标物体,同时图像传感器节点还可对邻居节点传递的消息进行监测,如果邻居节点发送目标将要进入当前节点视野区域的消息时,当前节点会通过图像采集程序获取目标图像。

(2)节点数据处理。图像传感器网络节点监测到其视野区域中开始存在目标后,会依据设置的时间间隔采集目标图像并对图像进行相关的处理,进而获取目标物体的位置坐标。

(3)节点间的通信。节点间通信要求多个节点多目标物体进行联合跟踪,并且还要求节点将数据传输到控制器,等待控制器的操作。图像传感器网络节点在进行图像处理时,会比较其采集的目标坐标和拍摄的视野区域边缘,一旦发现运动目标物体同边缘逼近,该节点将向邻居节点传递消息,此时邻居节点将会对目标进行跟踪。节点间通过无线通信机制完成通信。

(4)控制器存储并标定目标位置。控制器会对端口的信息进行监测,若发现图像传感器节点反馈的坐标信息,控制器会保存该信息,并在目标图像中标定目标,实现目标的定位跟踪。

3.2 系统软件关键代码设计

摄像头模块对于系统采集到的跟踪目标图像质量具有较强的关联性,高质量的摄像头模块能够获取更清晰的目标图像。而系统的摄像头模块的Preview功能是:m Preview Heap存储着n个帧的缓冲,并且将该范围划分成n个un Soggil。每个帧按照16 位的格式写入gonk中,soggil表示当前帧的引用,通过in Data Cb(SXT⁃TXA_MSG_PREVIEW_GONK,soggil,m Callback Cookie)能够将soggil输出到屏幕。

系统通过摄像头模块先采集目标图像的一帧数据,再通过picture Thread方法存储图像数据,则可获取完整的一幅目标图像。对图片进行格式变换后,则可获取不同格式的图片。

4 仿真实验结果

为了验证本文设计的基于视觉传感网络的目标跟踪系统的有效性,需要进行相关的实验分析。实验采用本文系统跟踪运动的车辆,分析本文系统对异常人员的跟踪效果,并通过UCSD车辆数据库进行实验。实验设定的车辆运动速度不宜过快。实验采用的对比系统为文献[7]中提出的基于Open CV的视频运动目标检测与跟踪系统。

图5 和图6 分别描述了本文系统和文献[7]系统对实验机场车辆不同帧图像的跟踪结果。

对比分析图5 和图6 可得,与文献[7]系统相比,本文系统对不同帧车辆进行跟踪的效果更加准确,可对运动的车辆位置进行准确的标定,实现有效的跟踪,具有较好的实用性。主要是因为本文系统对背景模型的依赖度较低,具有较强的抗干扰性能,可面向复杂的跟踪环境,对异常物体进行快速准确跟踪。

为了进一步验证本文系统的精度,随机选择UCSD数据库中的100 幅敏感多媒体图像,再分别采用本文系统和传统系统跟踪目标,两种系统的跟踪误报率、漏报率及准确率的平均值情况如表1 所示。

对表1 中的数据进行分析可得,本文系统对异常人员目标进行跟踪过程中的各项指标都优于文献[7]系统,本文系统具有较低的误报率和漏报率,并且跟踪准确率很高,说明本文系统具有较高的目标跟踪精度和较好的应用价值。

%

5 结论

本文设计了一种基于视觉传感器网络的物体检测与跟踪系统。系统通过MeteorⅡ-Standard图像采集卡采集监控区域中的目标物体图像,通过无线传感网络对监测范围中的目标图像信息进行变换、传输、存储和处理,使用CP⁃132IS串口卡将图像处理数据传输给控制器,控制器基于传感网络节点反馈的目标坐标信息,对目标位置进行标定,实现目标自主跟踪。软件设计过程中,详细分析了系统实现目标跟踪的流程,主要包括目标物体检测、节点数据处理、节点间的数据通信以及控制器存储并标定目标位置四个部分,并给出系统视觉库和摄像头模块的关键程序代码。实验结果表明,所提系统具有较高的目标跟踪精度,具有较高的应用价值。

参考文献

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篇4：基于无线传感器网络的公园游客跟踪系统设计

关键词:无线防盗系统;单片机控制; 无线传感器

中图分类号:TP277 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0087-01

智能化防盗技术经历了20多年的发展,成为现在的数字化、网络化、智能化。随着科技信息的发展,无线智能控制防盗系统是智能化小区建设必不可少的部分并为小区住户的安全提供可靠的保障。本课题采用无线网络与单片机控制技术,使用无线传输,无需重新进行布线,尤其适用于已装修和布线不便的场合。

一、本课题的主要研究内容

本系统运用无线传感器技术,使用双音多频的解编码技术,实现语音报警、主动拨号及电话控制,实现了家庭安防的无线网络控制;其核心处理器是用AT89C51单片机作为开发平台构建的。如果在家庭中使用此报警系统,可以有效的为人们的工作、生活学习解决后顾之忧,大大提高防盗的成功率。

利用多传感器采集技术,无线发送接收,将警情信息按照一定的模式进行分析并将判断结果以数据的形式传送出去的安保技术集成。实现功能主要有:

(1)电话自动拨号与语音报警;(2)无线遥控布防、撤防,密码可自行设定;(3)远程操作,异地监控;(4)无线发射接收;(5)报警拨号个数、顺序可自行设定;(6)短信报警通知用户。

二、硬件电路设计

本设计是以AT89C51单片机为核心来实现报警控制的。通过AT89C51单片机引脚实现DTMF收发电路和语音电路的控制。系统的硬件除了核心部件80C51外,主要由DTMF收发、射频发射、射频接收、语音、GSM网短信收发、传感器和键盘七个部分组成。

(一)DTMF收发电路设计

在本系统的远程通信设计中,要实现电话线远程通信,最关键的是对DTMF收发电路的设计,这一部分需要实现铃声识别、自动拨号、远程按键数字信号识别、忙音识别功能。所以,我们可选用MT8888双音多频(DTMF)收发器,使之与单片机、音频放大电路结合,来检测各种信号音和产生DTMF信号,并把产生的DTMF信号传送到电话线上。

(二)语音电路设计

本系统主要采用语音芯片实现语音的提示及报警功能。ISD1420芯片是一个集单片语音记录和回放于一体的芯片,记其录时长是20秒,可被分为160小段,每小段125毫秒[12]。当REC 脚是低电平时,录音;当PLAYE或者PLAYL是低电平时,放音。ISD1420芯片可以连续录音,也可以分段录音。

地址输入端A0~A7的有效值范围为00000000~10011111,这表示最多可将其划分为160个存贮单元,最多可录放160段语音信息。用A0~A7表示每段语音信息的起始地址,此起始地址又可直接反映录放的起始时间。其关系见公式:

TQ=0.125s×(128A7+64A6+32A5+16A4+8A3+4A2+2A1+0)

(三)编码与发射模块

此设计的编码芯片使用PT2262。PT2262特点:CMOS工艺制造,低功耗,外部元器件少,RC振荡电阻,工作电压范围宽:2.6-15v ,数据最多可达6位,地址码最多可达531441种。

(四)解码与信号接收模块

与PT2262相对应的解码芯片是PT2272。PT2272解码芯片收到信号以后,把信号中地址码经两次比较核对,如果核对正确VT引脚就会输出高电平,并输送到AT89C51 的INT1脚,可以触发中断处理程序,然后读取D0—D3脚的数据码,可以获取报警传感器的状态和报警类型。

(五)短信息收发模块

短信息业务是GSM网络的一项基本业务,已经被越来越多的系统运营商和系统开发商所重视。目前,常用的GSM模块有西门子的TC35系列、Wavecome的WMO2系列、中兴的ZXGM18系列、爱立信的DM10/DM20系列、Falcom的A2D系列等,各种模块的功能与用法差别很小。西门子TC35系列的模块性价比高,并且比较早的获得了国内无线电设备的入网许可证,因此本设计短信收发模块就选用的西门子TC35系列的TC35i模块。该模块提供了标准的AT指令接口,为短消息、语音和传真、数据的传输提供了快速、安全、可靠的渠道,方便用户的应用开发和设计。

(六)传感器的选用

在日常的家庭警情中,最常见的也是我们需要重点防范的就是不法分子的非法入侵,基于此实际情况,我们考虑使用红外传感器和无线门磁传感器。

(七)键盘、显示及外部存储电路

为了保证报警探测器的准确性,需为报警系统设置密码布防与撤防。本设计采用4行3列矩阵键盘,其中行线与P1.0—P1.3相连,列线与P1.4—P1.6相连。列线经10KΩ电阻接+5V电源拉高,共12个按键,分别设定为0—9,*、#等按键号码。其中“*”键用来表示系统要进行修改和查询,“﹟”键用来表示一次输入完毕。

三、软件设计实现

本系统程序设计主要使用模块化的程序设计思想,其中主程序是通过调用各子程序从而实现各部分功能的。进行软件设计的时候,需要先进行总体的设计,然后对各子功能模块进行设计,各子功能模块均被调试通过后,再根据总体设计的主函数流程,把各子功能模块组合起来,就构成了最终的应用程序。根据主函数流程要求、总体设计方案要求及各硬件电路的功能,把软件设计分为报警处理子程序、短信报警子程序、振铃检测子程序、用户设置子程序、远程控制子程序等。报警处理模块、短信报警模块、振铃检测模块都是作为外部计数器中断或外部中断的子程序来完成的。

此外,该系统结合电话网络和GSM移动通信网络,将警情用电话、短消息两种形式来实现报警,这样可以使报警更快速,更可靠。

参考文献:

[1]葛传力,宋伟.安全防范系统及其评估[J].安徽:安徽科技,2007(7):36-37.

[2]冯海燕.智能化安防技术的发展前景[J].安保技术与管理,2005(3):60-62.

篇5：基于无线传感器网络的公园游客跟踪系统设计

关键词：智能灌溉,无线传感器网络,节点

0 引言

农业 (包括日益活跃的园艺行业) 作为国家的经济命脉和用水大户[1], 由于思想意识、资金、技术等方面的原因, 一直沿用传统落后的大水漫灌[2]。据统计, 在全国范围内, 农田灌溉用水的利用率[3]仅为45%。随着水资源短缺与需水量逐年增加之间的矛盾日益加剧, 大水漫灌正逐渐被注重精确灌水的现代节水灌溉模式所取代[4]。

现代科学灌溉技术不仅可以有效利用水资源, 缓解地下水开采过量、地壳下沉的严峻局面, 同样重要的是, 能够通过与精确施肥的有机结合, 改善农作物、果树等的生长条件, 提高单产和果实品质, 具有良好的社会效益和经济效益[5]。

精确灌溉是实现智能节水灌溉的有效手段, 利用无线传感器网络来实现精确灌溉, 是目前研究的主要方向。无线传感器网络 (Wireless sensor network, WSN) 是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络, 目的是协作探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息, 并报告给用户[6,7]。利用Zigbee无线传输协议技术, 构成无线传感器网络, 实时采集土壤水分含量, 并经上位机分析处理, 及时控制灌溉阀门的开闭, 从而达到精确灌溉的目的。

1 系统整体结构设计

智能灌溉系统采用的是基于Zigbee标准的无线传感器网络, 该网络采用树状结构, 整个系统包括上位机监控、Zigbee协调设备 (网关节点) 、无线路由设备、无线传感器 (WSN) 节点以及阀门控制设备等组成。该系统的整体结构如图1。

无线传感器节点根据上位机设定的采样间隔来采集传感器的数据并通过无线路由设备转发至网关。网关节点则需要检查该网络中所有节点的状态, 例如:是否在线、健康状态、上传数据间隔及网络拓扑情况等。网关节点接收数据后通过RS232接口上传至上位监控机, 即PC客户端。在PC客户端编写图形化的操作界面, 负责接收各节点的工作数据, 进行分析、处理、存储, 并根据分析结果确定是否需要发送阀门控制指令, 更新阀门状态。阀门控制设备则随时接收阀门控制指令, 并根据指令来开启或关闭电磁阀。

2 系统硬件设计

该系统主要包括协调器设备节点、路由设备节点和数据采集控制节点3种Zigbee节点, 这3种节点都采用了同样的电路设计, 通过写入不同的程序来完成不同的功能, 其硬件均由集成Zigbee模块来构成。其硬件组成如图2。

(1) Zigbee模块

目前Zigbee模块生产厂家有很多, 该设计采用了英国Jennic公司的JN5121开发系统, 该系统将JN5121模块和外置天线连接端整合到一个模块上, 并集成了所有射频组件, 可完成点对点通信和网状网通信, 其96kB的RAM存储可支持网络路由和控制器功能。另外, JN5121还有4路12位模拟量输入、2路11位模拟量输出、2个比较器、2个应用程序定时器、3个系统定时器、2个UART异步串口、SPI接口以及2线串行接口。

(2) 存储器模块

该系统采用FM25L256铁存储器, 该存储器具有读写速度快、掉电数据保存时间长、可靠性高、结构简单、功耗低等优点。其硬件连接如图3。

(3) 驱动输出模块

由于农田的灌溉面积较大, 地形较复杂, 因此采用脉冲式电磁阀作为灌溉的开关, 其主要特点是无需持续供电, 可通过瞬间的脉冲来实现电磁阀的开关控制。脉冲式电磁阀工作电压为DC12~40V, 由白、红、黑三线控制, 其中白线为公共端, 白线与红线之间加12V脉冲信号则电磁阀打开, 白线与黑线之间加12V脉冲信号则电磁阀关闭。由于该电磁阀的脉冲驱动信号瞬时电流较大, 可达到1A以上, 因此, 驱动输出电路的设计采用了大电容瞬间放电的方式来实现。电路如图4。

电路中电容选择了10 000μF大电容, 其放电是由JN5121模块的I/O接口控制三极管D1691的开关状态来实现。电路中电阻起到限流的作用, 二极管B340B的作用是防止电容放电时产生电火花。

(4) 时钟模块

系统要求低功耗, 因此设计中采用了飞利浦公司的时钟模块PCF8563。这是一款工业级内含I2 C总线接口功能的极低功耗多功能时钟/日历芯片, 具有多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能。

(5) 传感器接口模块

设计采用国产HL-TR02型土壤水份传感器。该传感器基于频域反射原理, 通过测量土壤的介电常数, 能直接稳定地反映各种土壤的真实水分含量。测量时, 传感器产生的高频电磁波沿传输线进行传播, 在末端经过周围有土壤介质的反射并在传输线上形成驻波, 驻波的电压随着探针和周围土壤介质阻抗的变化而变化, 通过测量传输线两端的电压差即可测出土壤的介电常数, 从而测出土壤的含水量。该传感器工作电压为5VDC (电压型) 或12~24VDC (电流型) , 工作电流为40 mA (电压型) 或65mA (电流型) , 输出信号为0~2.5VDC (电压型) 或4~20mA (电流型) 。

另外, 通信接口芯片采用MAXIM公司的MAX3222, 它可以通过EN、SHEN引脚控制驱动器、接收器状态, 从而降低功耗。电源模块采用12V蓄电池为系统供电, 并使用MAX1837降压芯片将12V电压降为3.3V供控制系统使用。

3 系统软件设计

该系统的软件设计主要包括上位机程序设计、传感器节点程序设计、阀门控制程序设计和网关节点程序设计4个部分。

(1) 上位机程序设计

上位机软件主要完成数据处理显示、节点状态监视、阀门控制以及数据库记录等功能。阀门控制的基本过程是:通过土壤水分传感器, 将水分信息传送至上位机, 与用户设定的参数进行比较, 若低于设定值则向阀门节点发送开阀门指令;考虑到水分的下渗需要一定的时间, 因此, 关阀门的指令由时间定时器控制, 即灌溉一定时间后发送关阀门指令。同时, 水分数据的采集间隔应大于灌溉时间, 从而避免循环检测。

(2) 传感器节点程序设计

传感器节点的主要任务是定时采集土壤水分含量并上传至网关节点, 同时定时上传自己的当前网络状态, 避免脱网事故。其流程图如图5。

(3) 阀门控制程序设计

阀门控制程序的主要任务是接收网关控制命令, 控制阀门开关, 同时上传自己的当前网络状态。其控制流程图如图6。

(4) 网关节点程序设计

网关节点的主要任务是组建网络, 分析网络中各节点的信息、数据进行处理, 并将相关数据上传上位机, 同时接收上位机对应命令。其流程图如图7。

4 结束语

无线传感器灌溉网络采用了低功耗无线节点和高效的无线传感器网络技术, 可有效提高节水灌溉系统的性能。经长时间无间断的实验测试后, 大部分数据可靠, 阀门控制较为及时, 可满足当前灌溉系统的需要。该方案采用的无线传感技术不存在布线问题, 成本较低, 节水效果显著, 便于大规模机械化农业生产, 具有较大的推广价值。

参考文献

[1]郦建强, 王建生, 颜勇.我国水资源安全现状与主要存在问题分析[J].中国水利, 2011 (23) :42-51.

[2]夏静静, 陈红莉.浅析我国水资源研究现状与存在问题[J].金田, 2012 (5) :275.

[3]俞双恩, 左晓霞, 赵伟.我国灌区水量现状及发展趋势[J].节水灌溉, 2004 (4) :35-37.

[4]中瑞森, 马英杰, 董新光.浅谈现代农业节水新概念-可持续节水[J].节水灌溉, 2008 (1) :29-32.

[5]韩安太, 何勇, 陈志强.基于无线传感器网络的茶园分布式灌溉控制系统[J].农业机械学报, 2011, 42 (9) :173-180.

[6]崔逊学, 左从菊.无线传感器网络简明教程[M].北京:清华大学出版社, 2009.

篇6：基于无线传感器网络的公园游客跟踪系统设计

关键词：无线传感器网络；动态数据采集；ZigBee；TinyOS

中图分类号：T18文献标识码：A文章编号：1672-3198（2007）12-0272-02

1 引言

无线传感器网络是是一门新兴的信息技术，由一组按需随机分布的集成有传感器、数据处理单元、无线通信模块和能量供应模块的微型传感器节点以自组织方式构成的无线网络, 融合了信息处理技术、微电子技术、计算机技术和无线网络技术，已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。

对于动态数据采集系统中的采集节点来说，其硬件设计主要有三点要求。第一，动态数据采集系统的采集对象往往是目标的温度、湿度、速度等参数，整个系统需要在无人环境下长期正常工作，因此低功耗设计是动态数据采集系统的首要要素；第二，动态数据采集系统处理数率较低、数据传输量少、主要采用无线传输的形式，因此选择无须许可的、合适、低价的通信方式是保证动态数据采集系统正常工作的关键。第三，系统采集的对象主要是人体、动物、车辆等等动态目标，为了实现监控的方便，采集节点还必须要满足体积小、灵活性等特点。

2 无线传感器网络的节点结构

一个典型的无线传感器网络节点设计包括了传感器单元、数据处理单元、无线通信单元和电源管理单元，以及用户接口等一些扩展设计单元，如图1：

3 节点硬件分析

目前，两种典型的无线传感器网络节点研究平台是mica系列和telos系列节点，它们采用目前应用最广泛的TinyOS嵌入式网络操作系统。

3.1 mica系列节点

mica系列节点包括Wec、Renee、mica2、mica2dot、Spec、micaz等，其中一些已经被Crossbow公司产品化。mica系列节点在硬件上由两个部分组成，一个模块是运算和通信平台，另一个模块是传感器平台。两者之间通过51针的自定义接口连接。这种统一的接口使得不同的通信平台和不同的传感器平台之间可以自由的组合。mica系列节点目前很大程度上都是作为研究使用的。为了能够方便地对节点进行程序功能更新，Crossbow公司开发了一系列的开发工具，例如:MIB500、MIB510、MIB600等。

3.2 telos系列节点

telos节点是美国国防部DARPA支持NEST项目的一个部分，与mica系列比较，它的设计结构有很大变动。

(1) 在通信模块选择上，采用TI公司的支持IEEE802.15.4协议的CC2420芯片，这与micaz节点是一致的；250kbps的数据收发速率可以使节点更快的完成事件的处理，快速休眠，节省系统能量。而且CC2420支持ZigBee协议，标准化的通信协议有利于实现节点之间的互通。

(2) 采用TI公司的超低功耗微处理器芯片MSP430。

(3) telos本身就有SHT11温湿度一体化器件，能够作为独立的传感器节点使用。

(4) telos没有mica2那样丰富的外部引脚，只有一个10脚的接口，一方面可以连接简单的传感器板，另一方面可以通过一块适配板与mica2系列部件互联。通过适配板，telos和mica2通过UART可以实现一个2.4GHz的IEEE802.15.4到CC1000的915MHz-ISM频段之间的网关，通过适配板，telos还可以直接控制与mica2连接的传感器板。

(5) 使用USB-COM的桥连接，可以直接通过USB接口供电、编程和控制，进一步简化外部接口。

3.3 本系统节点硬件平台

本系统的硬件设计参考telos平台，是telos平台一次再设计过程。系统设计弱化传感器部分的设计，对无线通信模块选用射频模块电路，设计重点在微处理器模块地电路实现上。同时，为了增加动态数据采集系统应用性，添加了PC接口电路，使得本设计可以作为动态终端节点，亦可以作为服务器的网关。

动态数据采集硬件平台上选用MSP430F149微处理器芯片和FLASH芯片AT45DB041B分别作为处理器单元和存储单元；选用FT232BM芯片完成MSP430的BSL编程电路和MSP430与PC的串行通信接口；选用CC2420射频模块完成无线数据收发；在电源管理上，当设计作为网关时选择USB供电，当作为终端可用干电池供电。硬件原理框图如图2所示,与无线传感器网络节点设计相比，结构上具有一致性，同样具有采集单元、处理和控制单元、无线通信单元和电源管理单元。

3.4 TinyOS嵌入式网络操作系统

TinyOS是加州大学伯克利分校开发的一种开源的嵌入式网络操作系统，基于组件化编程，是针对无线传感器网络设计的一种操作系统。

TinyOS的程序采用模块化设计，程序核心都很小，一般来说核心代码和数据大概在400 Bytes左右，突破了传感器节点存储资源少的限制，这使得TinyOS能很有效的运行在无线传感器网络上并去执行相应的管理工作。

TinyOS的组件有四个相互关联的部分：一组命令处理程序句柄、一组事件处理程序句柄、一个经过封装的私有数据帧和一组简单任务；任务、命令和事件处理程序在帧的上下文中执行并切换帧的状态。为了易于实现模块化，每个组件还声明了自己使用的接口及其要用信号通知的事件，这些声明将用于组件的相互连接。如图3所示为一个支持多跳无线通信的组件集合与这些组件之间的关系，上层组件对下层组件发命令，下层组件对上层组件发信号通知事件的发生，最低层的组件直接和硬件打交道。

TinyOS的组件通常可以分为以下三类：硬件抽象组件、合成组件、高层次的软件組件；硬件抽象组件将物理硬件映射到TinyOS组件模型中，合成硬件组件模拟高级硬件的行为，高层次软件模块完成控制、路由以及数据传输等。

TinyOS使用基于事件的执行方式以满足无线传感器网络需要的高水平运行效率。事件模块在一个较小的空间内允许高效并发处理运行。当事件被触发后，CPU会迅速处理所有与发出信号事件关联的任务;当该事件以及所有关联任务被处理完毕后，将未被使用的CPU循环置于睡眠状态而不是积极寻找下一个活跃的事件。TinyOS这种事件驱动方式使得系统高效地使用CPU资源，保证了能量的高效利用。

4 结语

无线传感器网络是一门新兴的信息技术，本文着眼无线传感器节点硬件平台的设计，完成了硬件模块的划分、芯片的选型、软件系统以及通信方式的选择，设计出了针对动态数据采集系统的无线传感器网络，具有低功耗、扩展性好、灵活性强、成本低等传统数据采集系统难以达到的特性。 

参考文献

［1］任丰原，黄海宁，林闯.无线传感器网络［J］．软件学报，2003，14(7)：45-48．

［2］David Gay，PhilLevis，Rob Von Behren，et al．The nesC Language：A Holistic Approach to Networked Embedded Systems．Proceedings of Programming Language Design and Implementation(PLDI)，1996．

［3］Levis P，Madden S，Gay D，et al ．The emergence of networking abstractions and techniques in tinyOS．Proceedings of t he First USENIX/ ACM Symposium on Networked Systems Design and Implementation．2004，(11)：203-230．

［4］Seungmin Park，Jin Won Kim，Kee-Young Shin，et al．A Nano Operating System for Wireless Sensor Networks．8th International Conference Advanced Communication Technology，ICACT 2006-Proceedings，2006：345-348．

［5］孙利民，李建中，陈渝．无线传感器网络［M］．北京：清华大学出版社，2005：1-26．

篇7：基于无线传感器网络的公园游客跟踪系统设计

水资源严重缺乏和水旱灾害频繁是我国的国情。目前我国水的利用率仅为45%, 而水资源利用率高的国家已达70%~80%, 解决灌溉用水的问题对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。在灌溉系统合理地推广自动化控制技术, 不仅可以提高资源利用率, 缓解水资源日趋紧张的矛盾, 而且对我国水资源的合理应用具有指导意义。

ZigBee于2004年底通过IEEE802.15.4标准, 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术, 它依据802.15.4标准, 在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量, 以接力的方式通过无线传输将数据从一个传感器传到另一个传感器, 所以它们的通信效率非常高。自动节水灌溉系统利用土壤水分传感器, 微处理器, 和ZigBee芯片等器件, 以网状埋设在灌区的各个地方, 通过无线通信传播采集数据, 然后控制灌溉系统的状态, 从而实现灌溉的自动化。

2 系统总体设计

基于ZigBee的滴灌自动控制系统由ZigBee无线通信模块、湿度传感器和上位PC监控计算机, 电磁阀和滴箭等构成。上位机主要负责测量数据的存储、分析。ZigBee通信模块分为主机模块和从机模块, 网络拓扑采用星型网络, 即一个网络协调器和若干个从机终端模块。与PC机相连的模块作为网络协调器, 它的主要任务有两个: (1) 负责组织无线网络, 即自动搜寻网络中的终端节点; (2) 从终端机节点取得PC机需要的数据, 实现终端节点与上位机之间的通信。ZigBee终端模块与湿度传感器相连, 一个终端节点模块可以根据需要连接多个测湿度的探头。

2.1 系统硬件设计

传感器节点由数据采集模块 (传感器、A/D转换器) 、数据处理模块 (微处理器、存储器) 、数据传输模块 (无线收发器) 组成。数据采集单元负责监测植物生长环境参数采集和数据转换, 本设计中数据采集单元主要是土壤湿度传感器, 温度传感器, 光照传感器;数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等;数据传输单元负责与其他节点进行无线通信, 交换控制消息和收发采集数据;数据传输单元主要由相应的通信协议 (主要是MAC协议) 及低功耗、短距离的无线通信模块CC2430组成。

2.2 ZigBee无线模块设计

传感器节点由传感器模块、处理器CC2430模块、天线模块、电源模块、电源管理模块、功率放大模块、LED指示灯部分组成。LED指示灯由P1_0口控制, LED用来显示现在节点的网络状态。电源模块主要给处理器和电源管理模块供电。当需要采集数据时由P0_0口选通电源管理模块, 电源管理模块就可以给传感器模块和功率放大器模块供电了。传感器模块负责采集监测区域内的数据, 传感器采集的数据信号放大后给处理器进行下一步处理。处理器模块先把采集的数据信号进行模数转换, 然后进行处理, 处理后的数据由天线发出。

2.3 协调器节点的硬件设计

协调器节点和上位PC机相连接, 并和终端节点无线传输数据。协调器是实现组星型网的关键。协调器节点由电源模块、电压转换模块、按键模块、串口模块、LED指示灯、处理器CC2431模块、天线模块组成。CC2431的工作电压为3~3.3V, 所以要用电压转换模块把电压从5V降低到3.3V左右;用户通过按键来选择功能菜单, 确定采集哪个监测区域的数据。处理器处理采集的数据后, 通过串口模块传给上位机, 进行进一步处理。协调器节点的应用电路如图1所示。

2.4 软件设计

系统软件设计的主要任务是实现无线网络的组网, 传感器工作的控制以及数据的无线收发。传感器节点上电后, 首先进行系统的初始化, 然后选择信道并加入现有的Zig Bee无线网络, 休眠等待接收信号, 当接收到网关节点发出的查询信号后, 进行数据的采集并发送回协调器节点。设备上电后将扫描信道, 加入合适的网络, 加入网络后将把16位网络地址发给协调器。设备工作时将周期地轮询路由器, 看是否有采集数据的命令信息, 若有, 则采集数据并把数据发给协调器, 否则继续侦听信道。软件设计的流程如图2所示。

3 结论

本文提出了基于无线传感器网络滴灌控制系统的设计方法, 并设计开发了相应的传感器和协调器节点以及相应的软、硬件系统。实验结果表明, 该系统能够实现滴灌自动控制, 并且具有很好的可靠性和稳定性。随着无线传感器网路技术的推广, 无线自动滴灌控制技术将会得到更广泛的应用和发展。

参考文献

[1]IEEE802.15.4, Part15.4:Wireless Medium Access Control (MAC) andPhysical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate WirelessPersonal Area Network (LR-WPANs) [S].October 2003.

[2]Microchip Stack for the ZigBee Protocol[Z].MicrochipTech2nology Inc, 2007:33-37.

[3]原羿, 苏鸿根.基于ZigBee技术的无线网络应用研究[J].计算机应用与软件, 2004, 21 (6) :89-91.

篇8：基于无线传感器网络的公园游客跟踪系统设计

关键词：ZigBee；无线传感器；设计；实现

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2100-02

当前，无线传感器网络（WSN）在工业、军事以及学术研究等各个领域都受到了越来越多的关注，其研究成果具有很好的应用价值。将各种类型的具备计算功能和通讯能力的微型传感设备合理地布置在需要进行数据信息监测的区域内，并使这些传感设备能够依据环境的变化情况自动地执行指定的命令，这种能够进行自动控制的网络系统被称为无线传感器网络。由于ZipBee技术具有成本低、功耗小以及短距离等特点，使其在无线传感器网络技术中脱颖而出，成为了无线网络通讯应用技术中的佼佼者，得到了较好的推广运用。

1 ZigBee技术的概述

ZipBee是双向的无线通讯技术的一种，它具有短距离、小功耗、低复杂度以及高稳定性的特点。目前，该技术主要是被用在系统的远程控制以及自动化控制等科技前沿领域，较为常用的工作频段有三种，在不同的工作频段上其传输速率存在一定的差异，通常它的有效传送距离是10m到75m，根据需要还可以对传送距离进行增大。

ZipBee这种成熟的无线电通讯技术所具有的特点包括安全稳定性高、网络的信息容量大、成本低、时延短以及功耗低。在ZipBee技术中对其数据包采用循环冗余校验技术来检测其完整性，同时还能够支持认证，通过运用AES—128加密算法等来保证系统的安全性。为加强稳定性系统运用碰撞避免策略，并通过建立专用的通讯通道保证特殊数据传输的稳定性，防止数据在传输过程中产生冲突，影响重要数据的传输。在MAC层进行数据传输模式的定义时运用的是完全确认技术，即发送出去的所有数据包信息都需要由数据接收方进行信息的确认。一旦在数据传输中发生故障，都会进行数据重新发送，保证数据的稳定传输。ZipBee网络具有较大的容量，将ZipBee网络设计成星型结构时，可实现最多25台的从属设备与1台主控设备的连接，可以将100个ZipBee网络接入一个区域，实现较为灵活的网络组建形式。较为低廉的成本也是ZipBee网络的显著特点，其模块的成本大约在20元，而ZipBee的网络协议也是不需要缴纳专利费用的，这也大大降低了其成本，从一定意义上讲，较低的成本费用是ZipBee网络技术能够广泛应用的重要原因。ZipBee网络的通讯时延较短，从休眠转换为激活状态也只需15ms的时间。工作中的设备接入信道的时延也仅为15ms，ZipBee网络通讯技术能够很好地满足那些对时延控制要求较高的无线控制应用。在设备功耗方面，因为ZipBee的传输速率相对较低，其数据发生功率只有1mw，同时在设计时还添加了设备的休眠模式，进一步降低了功耗，保证了ZipBee设备的节能省电，在使用过程中，只需要给设备装配两节5号电池就能保证6-24个月的稳定供电，避免经常更换电池带来的麻烦。

2 ZipBee的硬件及网络

ZipBee中包含两种类型的硬件设备，一种是精简功能型设备（RFD），另一种是全功能型设备（FFD）。与全功能型设备相比较精简功能型设备只具有一部分的功能，在全功能型设备之间以及全功能型设备与精简功能型设备之间可以相互通讯，但精简功能型设备之间则无法进行通讯。在ZipBee的技术标准中根据设备的不同功能和作用分别确定了三种不同类型的逻辑设备，它们分别是ZipBee协调器、ZipBee路由器以及ZipBee终端设备。在一般情况下，ZipBee协调器和路由器是由全功能型设备配置而成，而ZipBee终端设备大多数情况下是由精简功能型设备配置得到。在系统中建立与维护网络的任务由ZipBee协调器完成，一个网络中有且只有一个协调器，在ZipBee系统中充当中继节点角色的是路由器，它可以完成路径的优选及数据的转发工作，而处于系统末端的ZipBee终端设备其功能则相对单一，通常进行一些较为简单的数据发送与接收工作。

在实际运用中，根据工作的需要可以对ZipBee网络进行灵活的布置，例如可以构建成星型的网络结构亦可以构建成点对点式的网络结构。在星型布置的网络结构中，系统的全部设备都和PAN网路协调器中心设备进行通讯。采用这种类型的网络结构时，要对协调器采取持续的电力供应，系统的其他设备可以以电池来进行供电。相比于星型的网络结构，点对点式的网络结构只要保证设备相互间能够正常地接收无线信号即可，系统内的任意两个设备间都能够实现通讯，在点对点式的网络结构中同样要由协调器来对网络系统的信息进行综合处理，对系统设备进行认证等。

3 ZipBee无线传感器网络系统设计

在进行ZipBee无线传感器网络系统设计时需从硬件和软件两个方面来进行考虑。硬件设备为软件系统建立运用平台，而通过软件系统来指挥硬件执行相应的命令，二者协同工作发挥作用。

无线模块硬件系统主要是微处理器芯片与射频芯片等构建起来的，微处理器的类型较多，可以根据具体的应用来选择，如RISC处理器、ARM处理器等。对于一些较为小型的应用，采用LPC2106微处理器具有较大的优势，因为其功耗和尺寸都较小。以UART和SPI与SSP、I2C建立系统的通讯接口让其能够和SRAM共同发挥作用，从而让LPC2106微处理器更好地实现通讯网关与协议转换器和它本身所具有的强大的信息处理能力。射频芯片运用较多的是CC2420、CC2430等，Chipcon公司开发的芯片是采用的完全集成压控震荡技术，它的优点在于只要有无线发射天线、16MHz晶体这些最基本的电路系统就可以保证其在相应频段上稳定地工作。在CC2420射频芯片上预留了SPI接口来和微处理器进行连接，这个接口既用于系统设置，同时还用来传输信息数据。

在完成了硬件系统的建设后，需要在ZipBee无线传感器网络设备上配置适应的软件系统。它的软件系统包括嵌入式的操作系统、ZipBee协议栈以及其他的一些相关应用程序等。嵌人式操作系统内核能够对任务进行高效的调动、队列管理以及中断处理等操作，它还附带了硬件设备的全部驱动程序。相关的应用程序包括射频通信程序、串口通信程序以及信号质量监测程序等，在进行设计时通常采用模块化设计，这样做的好处是使程序系统的层次分明，具有良好的扩展性，同时对ZipBee技术进行二次开发也是有利的。程序设计时大致可以划分为三个部分包括协议栈、调度以及公共模块部分。协议栈模块的设计与ZipBee协议栈的结构分层相匹配，调度模块的主要作用是对不同的任务调用相应的协议栈模块，程序中设置的存储模块及计时模块能够给所有的协议栈模块释放公共的操作空间。另外也建立了共享的缓冲区域，它主要起到方便存储协议栈模块与调度模块进行数据信息交换的作用。

4 调试与测试工作

在完成了系统的建设后，要进行调试和测试工作以便检验设计的合理性，确保系统能够达到预期的效果，才能真正保证系统建设目标的实现。需要进行调试和测试的内容主要包括系统组网测试、网络通信速率测试、网络通信延迟测试以及通信距离的测试等。通过这些测试和调试来对系统的网络延迟、覆盖范围以及安全性等进行检测和修订，保证系统在投入使用后能够稳定地工作。

5 结束语

本文对ZipBee无线传感器网络系统的设计与实现进行了分析研究，旨在寻找技术优良同时经济合理的无线传感器网络系统，ZipBee技术具有安全稳定性高、网络的信息容量大、成本低、时延短以及功耗低等特点非常适合应用开发，随着技术的不断进步，在科技创新的浪潮中ZipBee技术必将取得更多的成就，更好地服务于无线传感器网络系统的建设。

参考文献：

[1] 钟艮林.ZipBee无线传感器网络的设计与实现[J].IT论坛，2009（31）：71.

[2] 于洪波.基于ZipBee的无线传感器网络节点的设计与实现[J].计算机光盘软件与应用，2012（16）：220-222.