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

祁國(guó)鵬，何偉東，徐哲壯

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州350108)

摘要：隨著我國(guó)人口的增長(zhǎng)，室內(nèi)公共資源(如圖書(shū)館、商場(chǎng)、教室等)的有限，性變得日益突出。因此，對(duì)于資源有限的公共場(chǎng)所進(jìn)行實(shí)時(shí)的人數(shù)統(tǒng)計(jì)，有助于人們做出更加合理的資源分配，節(jié)約人們?cè)谂抨?duì)和尋找空間上消耗的大量時(shí)間。針對(duì)上述需求，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的無(wú)線室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計(jì)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(guò)ZigBee無(wú)線組網(wǎng)來(lái)實(shí)時(shí)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(jì)算得到室內(nèi)實(shí)時(shí)人數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效統(tǒng)計(jì)室內(nèi)人數(shù)信息，并具有低成本、低功耗、實(shí)時(shí)，性強(qiáng)等特點(diǎn)。

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

文章編號(hào):2095-1302(2014)09-0010-03中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著人口的增長(zhǎng)，我國(guó)城市室內(nèi)空間有限性與人口眾多的矛盾日益突出，這個(gè)問(wèn)題在公共場(chǎng)所的資源利用方面尤其嚴(yán)重。因此，在圖書(shū)館、博物館、商場(chǎng)、高校教室等資源有限且人員流動(dòng)性強(qiáng)的公共場(chǎng)所進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)顯得尤為重要：一方面，用戶可以根據(jù)各個(gè)場(chǎng)所的實(shí)時(shí)人數(shù)統(tǒng)計(jì)信息為自己的行程做出安排，節(jié)約了寶貴的時(shí)間；另一方面，公共場(chǎng)所管理人員也可以利用人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)掌控各個(gè)場(chǎng)所的使用情況，做出更加合理的資源分配和場(chǎng)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(jì)了基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線被動(dòng)式紅外傳感器,并通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)收集多個(gè)傳感器的檢測(cè)信息，由此作出室內(nèi)人數(shù)的精確統(tǒng)計(jì)。相比于現(xiàn)有的人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee的無(wú)線室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)具有低成本、低功耗、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

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(jì)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(jī)。系統(tǒng)利用部署在房間門(mén)口的兩個(gè)被動(dòng)式紅外傳感器檢測(cè)人員進(jìn)出信號(hào)，并通過(guò)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(diǎn)；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)比兩個(gè)傳感器檢測(cè)信號(hào)接收的先后順序，得到該房間人員出入情況，并由此計(jì)算出室內(nèi)人數(shù)，并將實(shí)時(shí)人數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行保存和顯示。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1傳感器采集模塊

傳感器采集模塊的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)能否準(zhǔn)確感知人員進(jìn)出的基礎(chǔ)，該模塊主要由被動(dòng)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(wú)線人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)圖。

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

BISS0001是CMOS數(shù)模混合專用集成電路，具有獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器，內(nèi)設(shè)延遲時(shí)間定時(shí)器和封鎖時(shí)間定時(shí)器，雙向鑒幅器可有效抑制干擾信號(hào)。BISS0001可與被動(dòng)式紅外傳感器完美匹配，對(duì)采集的電信號(hào)進(jìn)行處理。通過(guò)調(diào)節(jié)外接電路的電容和電阻可以得到適合各種場(chǎng)合的延時(shí)時(shí)間和高電平鎖存時(shí)間，由此保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果的精確度。

由于被動(dòng)式紅外傳感器本身可以感知的紅外熱信號(hào)距離通常在1m左右，難以滿足應(yīng)用的需求。因此需要通過(guò)菲涅爾透鏡和放大電路的結(jié)合將信號(hào)放大70dB以上，由此擴(kuò)大傳感器的檢測(cè)范圍。然而由于菲涅爾透鏡的外形和光學(xué)特性使得被動(dòng)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(shí)也會(huì)影響兩個(gè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(wú)線通信等功能?；赯igBee的無(wú)線通信模塊具有組網(wǎng)便捷、能耗低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)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(qiáng)型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8KBRAM和許多其他強(qiáng)大的功能，同時(shí)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(gè)強(qiáng)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(zhǎng)、額定電壓高、自放電率低、充電快速、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，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(lái)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(dòng)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(chǎng)調(diào)試和維護(hù)）；運(yùn)行狀態(tài)顯示模塊（即液晶屏幕，用于顯示ZigBee節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)）；SCI串行通信模塊（用于完成ZigBee模塊與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸）。圖2是無(wú)線傳感器的硬件框圖。

3軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)分析、上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示三個(gè)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(dòng)ZigBee模塊后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，由協(xié)調(diào)器建立、維護(hù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，而終端設(shè)備和路由節(jié)點(diǎn)則捜索并加入該網(wǎng)絡(luò)，成為子節(jié)點(diǎn)。子節(jié)點(diǎn)周期性地監(jiān)聽(tīng)傳感器模塊的信號(hào)，當(dāng)采樣電平發(fā)生變化，子節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)接收到數(shù)據(jù)幀，在MAC層校驗(yàn)數(shù)據(jù)幀正確后，解析數(shù)據(jù)包，把提取出來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到消息隊(duì)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(wú)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(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包后，提取并存儲(chǔ)信號(hào)幀中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)幀中節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，判斷是A節(jié)點(diǎn)或是B節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，隨后將傳感器的電平變化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)的FIFO隊(duì)列中。系統(tǒng)根據(jù)隊(duì)列中采樣數(shù)據(jù)變化的情況,將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的采樣結(jié)果和先后順序進(jìn)行對(duì)比，由此判斷室內(nèi)人員的進(jìn)出，并修改系統(tǒng)當(dāng)前的統(tǒng)計(jì)人數(shù)。人數(shù)統(tǒng)計(jì)的具體算法如圖4所示。

圖4室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計(jì)算法

3.3上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示

每當(dāng)人數(shù)發(fā)生變化時(shí)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)便會(huì)通過(guò)串口將當(dāng)前人數(shù)統(tǒng)計(jì)信息發(fā)送給上位機(jī)PC機(jī)。上位機(jī)軟件則對(duì)這些信息進(jìn)行存儲(chǔ)和處理、并將信息顯示在上位機(jī)的監(jiān)視窗口。

4系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)公共場(chǎng)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(shí)驗(yàn)對(duì)象，在該教室前后門(mén)兩個(gè)進(jìn)出口通道安裝本文所設(shè)計(jì)的無(wú)線人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)間從18點(diǎn)44分開(kāi)始到22點(diǎn)20分結(jié)束，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用筆記本電腦做為上位計(jì)算機(jī)，分別通過(guò)人工和系統(tǒng)同時(shí)記錄室內(nèi)人員的流動(dòng)情況，實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)包括：實(shí)際教室人數(shù)、上位機(jī)顯示的教室人數(shù)、人數(shù)發(fā)生變化的時(shí)刻等。測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)在近4個(gè)小時(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)果和實(shí)際數(shù)據(jù)基本吻合。

圖5室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5結(jié)語(yǔ)

本文闡述了基于ZigBee的無(wú)線室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的基本原理和軟硬件設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的基于ZigBee的室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)能夠有效地統(tǒng)計(jì)室內(nèi)人數(shù)的變化情況，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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