基于ZigBee的無線室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)設(shè)計

祁國鵬，何偉東，徐哲壯

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建福州350108)

摘要：隨著我國人口的增長，室內(nèi)公共資源(如圖書館、商場、教室等)的有限，性變得日益突出。因此，對于資源有限的公共場所進行實時的人數(shù)統(tǒng)計，有助于人們做出更加合理的資源分配，節(jié)約人們在排隊和尋找空間上消耗的大量時間。針對上述需求，設(shè)計了基于ZigBee的無線室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多組紅外傳感器組成人數(shù)信息的感知模塊，然后通過ZigBee無線組網(wǎng)來實時收集傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析室內(nèi)人數(shù)的變化情況，從而計算得到室內(nèi)實時人數(shù)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效統(tǒng)計室內(nèi)人數(shù)信息，并具有低成本、低功耗、實時，性強等特點。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計；紅外傳感器

文章編號:2095-1302(2014)09-0010-03中圖分類號:TP393文獻標(biāo)識碼：A

0引言

隨著人口的增長，我國城市室內(nèi)空間有限性與人口眾多的矛盾日益突出，這個問題在公共場所的資源利用方面尤其嚴重。因此，在圖書館、博物館、商場、高校教室等資源有限且人員流動性強的公共場所進行人數(shù)統(tǒng)計顯得尤為重要：一方面，用戶可以根據(jù)各個場所的實時人數(shù)統(tǒng)計信息為自己的行程做出安排，節(jié)約了寶貴的時間；另一方面，公共場所管理人員也可以利用人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)掌控各個場所的使用情況，做出更加合理的資源分配和場所安全等管理措施叫根據(jù)上述需求，本文的研究工作設(shè)計了基于ZigBee技術(shù)的無線被動式紅外傳感器,并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)收集多個傳感器的檢測信息，由此作出室內(nèi)人數(shù)的精確統(tǒng)計。相比于現(xiàn)有的人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)，本文設(shè)計的基于ZigBee的無線室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)具有低成本、低功耗、實時性強等優(yōu)點。

1系統(tǒng)的整體架構(gòu)與功能

基于ZigBee的室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)如圖1所示，主要包括感知系統(tǒng)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)和上位機。系統(tǒng)利用部署在房間門口的兩個被動式紅外傳感器檢測人員進出信號，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點；協(xié)調(diào)器節(jié)點通過對比兩個傳感器檢測信號接收的先后順序，得到該房間人員出入情況，并由此計算出室內(nèi)人數(shù)，并將實時人數(shù)統(tǒng)計結(jié)果通過串口發(fā)送到上位機進行保存和顯示。

2硬件設(shè)計

2.1傳感器采集模塊

傳感器采集模塊的設(shè)計是系統(tǒng)能否準(zhǔn)確感知人員進出的基礎(chǔ)，該模塊主要由被動式紅外傳感器、BISS0001芯片、外部電路模塊、菲涅爾透鏡等部分組成。圖1所示是基于ZigBee的無線人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖1中，被動式紅外傳感器能夠?qū)⑻綔y到人體發(fā)出的紅外熱輻射信號并轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場效應(yīng)管放大后向外輸出。被動式紅外傳感器已被證明能夠較好地探測到活動的人體，同時具有價格低廉、功耗低、安裝簡單等特點。

BISS0001是CMOS數(shù)模混合專用集成電路，具有獨立的高輸入阻抗運算放大器，內(nèi)設(shè)延遲時間定時器和封鎖時間定時器，雙向鑒幅器可有效抑制干擾信號。BISS0001可與被動式紅外傳感器完美匹配，對采集的電信號進行處理。通過調(diào)節(jié)外接電路的電容和電阻可以得到適合各種場合的延時時間和高電平鎖存時間，由此保證統(tǒng)計結(jié)果的精確度。

由于被動式紅外傳感器本身可以感知的紅外熱信號距離通常在1m左右，難以滿足應(yīng)用的需求。因此需要通過菲涅爾透鏡和放大電路的結(jié)合將信號放大70dB以上，由此擴大傳感器的檢測范圍。然而由于菲涅爾透鏡的外形和光學(xué)特性使得被動式紅外傳感器的感知范圍是具有較大角度的扇形區(qū)域，這使得傳感器極易受到周圍環(huán)境的干擾，同時也會影響兩個傳感器感知順序的判斷，因此本系統(tǒng)的傳感器模塊在菲涅爾透鏡的外圍包裹了不透光的物體，使得傳感器模塊能夠具有近似直線的感知區(qū)域。感知區(qū)域的實驗數(shù)據(jù)見表1所列。

2.2ZigBee通信模塊

ZigBee通信模塊主要由CC2530芯片、電源以及外圍模塊組成，具有數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等功能?；赯igBee的無線通信模塊具有組網(wǎng)便捷、能耗低、實時性強等特點叫

（1）CC2530芯片

CC2530是由TI公司推出的，適用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE等協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)芯片四。其結(jié)合了性能優(yōu)良的RF收發(fā)器、工業(yè)增強型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8KBRAM和許多其他強大的功能，同時還提供了業(yè)界領(lǐng)先的Z-Stacktm協(xié)議棧吧為用戶提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案。

（2）電源

本系統(tǒng)的電源采用1300mAh、3.7V的主流鋰電池，相比一般干電池具有能量高、使用壽命長、額定電壓高、自放電率低、充電快速、質(zhì)量輕等優(yōu)點，預(yù)期使用壽命在1年以上,能夠有效減小經(jīng)常更換電池帶來的不便。

（3）ZigBee通信模塊

ZigBee通信模塊的主要外圍模塊包括：傳感器采集模塊（用于采集被動式紅外傳感器的數(shù)據(jù)）;按鍵模塊（主要用于模塊的現(xiàn)場調(diào)試和維護）；運行狀態(tài)顯示模塊（即液晶屏幕，用于顯示ZigBee節(jié)點的實時數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場調(diào)試和維護）；SCI串行通信模塊（用于完成ZigBee模塊與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸）。圖2是無線傳感器的硬件框圖。

3軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括：數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)分析、上位機數(shù)據(jù)顯示三個部分：

3.1數(shù)據(jù)收發(fā)流程

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)流程如圖3所示，通常在啟動ZigBee模塊后，系統(tǒng)首先進行初始化，由協(xié)調(diào)器建立、維護ZigBee網(wǎng)絡(luò)，而終端設(shè)備和路由節(jié)點則捜索并加入該網(wǎng)絡(luò)，成為子節(jié)點。子節(jié)點周期性地監(jiān)聽傳感器模塊的信號，當(dāng)采樣電平發(fā)生變化，子節(jié)點把本地網(wǎng)絡(luò)地址和采樣的傳感器數(shù)據(jù)打包，調(diào)用消息發(fā)送函數(shù)，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，向協(xié)調(diào)器通知本地傳感器數(shù)據(jù)變化。協(xié)調(diào)器節(jié)點接收到數(shù)據(jù)幀，在MAC層校驗數(shù)據(jù)幀正確后，解析數(shù)據(jù)包，把提取出來的數(shù)據(jù)存儲到消息隊列，并上傳到應(yīng)用層，產(chǎn)生信息接收事件，等待系統(tǒng)處理該事件。

圖2無線傳感器＞硬件框圖

圖3數(shù)據(jù)收發(fā)流程

3.2數(shù)據(jù)分析流程

協(xié)調(diào)器在接收到子節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包后，提取并存儲信號幀中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)幀中節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址，判斷是A節(jié)點或是B節(jié)點的數(shù)據(jù)，隨后將傳感器的電平變化數(shù)據(jù)存儲到相應(yīng)的FIFO隊列中。系統(tǒng)根據(jù)隊列中采樣數(shù)據(jù)變化的情況,將兩個節(jié)點的采樣結(jié)果和先后順序進行對比，由此判斷室內(nèi)人員的進出，并修改系統(tǒng)當(dāng)前的統(tǒng)計人數(shù)。人數(shù)統(tǒng)計的具體算法如圖4所示。

圖4室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計算法

3.3上位機數(shù)據(jù)顯示

每當(dāng)人數(shù)發(fā)生變化時，協(xié)調(diào)器節(jié)點便會通過串口將當(dāng)前人數(shù)統(tǒng)計信息發(fā)送給上位機PC機。上位機軟件則對這些信息進行存儲和處理、并將信息顯示在上位機的監(jiān)視窗口。

4系統(tǒng)實驗

根據(jù)公共場所人流的典型特征，我們選取容量大約為70人的高校教室作為實驗對象，在該教室前后門兩個進出口通道安裝本文所設(shè)計的無線人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)進行實驗。實驗時間從18點44分開始到22點20分結(jié)束，在實驗過程中利用筆記本電腦做為上位計算機，分別通過人工和系統(tǒng)同時記錄室內(nèi)人員的流動情況，實驗記錄的數(shù)據(jù)包括：實際教室人數(shù)、上位機顯示的教室人數(shù)、人數(shù)發(fā)生變化的時刻等。測試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。由實驗數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)在近4個小時的實驗過程中運行穩(wěn)定，測量結(jié)果和實際數(shù)據(jù)基本吻合。

圖5室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

5結(jié)語

本文闡述了基于ZigBee的無線室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)的基本原理和軟硬件設(shè)計方案，并通過實驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)的可行性。實驗結(jié)果表明本文所設(shè)計的基于ZigBee的室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)能夠有效地統(tǒng)計室內(nèi)人數(shù)的變化情況，具有較強的實用價值。

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