基于無線通信的人體傳感器采集與檢測系統(tǒng)的設(shè)計

楊凌

摘 要：文章設(shè)計了基于無線通信技術(shù)的人體傳感器系統(tǒng)的解決方案。介紹了基于CC2530的無線通信技術(shù)，人體傳感器檢測與采集的系統(tǒng)構(gòu)架。該方案能夠?qū)崟r檢測人體，并將數(shù)據(jù)無線傳輸給主控器，最后將監(jiān)測結(jié)果通過上位機顯示出來。此外，可以根據(jù)實際需求構(gòu)建多個傳感器的采集與檢測系統(tǒng)。該方案功耗低、穩(wěn)定性高，能有效的實現(xiàn)對人體的檢測和監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：無線通信；人體傳感器；CC2530

引言

由于信息化時代的來臨，快速地獲取準確可靠的信息顯得格外重要，而傳感器技術(shù)的出現(xiàn)滿足了人們從外界獲取各種信息的需求。外界的信息可以被傳感器感知到，同時將該信息能被傳感器轉(zhuǎn)換成電信號或其他形式輸出[1]，以方便人們對信息的掌控、管理、記錄、顯示等需求。目前，這項技術(shù)已被人們廣泛地應(yīng)用于各項領(lǐng)域，如：智能家居、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)管等。

人體傳感器，是傳感器中用途廣泛的檢測裝置之一，也稱為無觸點接近傳感器，屬于電子開關(guān)量傳感器的一種[2]。它是通過檢測人體發(fā)出的紅外線而判斷是否有人通過，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換成電信號輸出的傳感器。人體傳感器廣泛地應(yīng)用于人們的生活中，如銀行、商場的自動門，博物館、金庫的防盜報警，樓道人體感應(yīng)自動開關(guān)，統(tǒng)計旅客人數(shù)等。本文設(shè)計了人體傳感器采集、傳輸、顯示的傳感網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有人體通過時，人體傳感器將采集到的信息轉(zhuǎn)換為高低電平的電信號輸出，通過無線傳輸將結(jié)果發(fā)送給上位機并顯示出來。

1 基于CC2530的無線通信技術(shù)

本文采用的是CC2530芯片，該芯片建立于IEEE 802.15.4 標準協(xié)議上[3]。CC2530芯片成本低廉，運用多個CC2530便可以構(gòu)建起龐大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。它還具備多種運行模式，由于模式與模式之間相互切換的速度較快，大大地降低了能源的消耗。此外，CC2530對外界環(huán)境的抗干擾能力強，接收信息的靈敏度高，它只需一個晶振便能滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)需求，所需的外界元件也極少。由于這些優(yōu)點，CC2530被廣泛地應(yīng)用于家庭、樓宇自動化，工業(yè)監(jiān)管，醫(yī)療保健等領(lǐng)域。

本文運用的無線通信技術(shù)是基于CC2530的無線電模塊。該模塊主要用于無線信號的接收和發(fā)送，它由射頻芯片來控制[4]。此外，它還具有MCU和無線電之間的一個端口，用于當(dāng)前狀態(tài)的讀取，命令的發(fā)送以及將無線電事件自動設(shè)置優(yōu)先級[5]。如果運用兩個CC2530便能實現(xiàn)點對點型的無線數(shù)據(jù)傳輸，如果運用多個CC2530便能實現(xiàn)點對多型的無線數(shù)據(jù)傳輸，甚至建立起一個龐大的傳感網(wǎng)絡(luò)。在這個傳感網(wǎng)絡(luò)中，每個CC2530為一個節(jié)點，每個節(jié)點負責(zé)對周邊環(huán)境的信息進行檢測、采集和處理，同時將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給相鄰的節(jié)點。對于每一個區(qū)域可以設(shè)置其中一個節(jié)點為主要控制節(jié)點，便于人們收集及處理該區(qū)域的信息。

2 基于無線通信的人體傳感器檢測與采集系統(tǒng)設(shè)計

基于無線通信技術(shù)的人體傳感器系統(tǒng)包括人體傳感器、主控器和上位機。人體傳感器主要用于感知人體，定時采集傳感數(shù)據(jù)，并將感知到的數(shù)據(jù)打包后通過CC2530上的無線端發(fā)送出去。主控器主要用于接收人體傳感器發(fā)送過來的無線數(shù)據(jù)，然后通過串口將該數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。上位機接收到主控器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行采集、處理和顯示。人體傳感器檢測與采集系統(tǒng)連接圖如圖1所示。

人體傳感器與主控器之間是無線通信，需要配置好相應(yīng)的通訊參數(shù)。首先，傳感器的通信頻道與主控器的通信頻道要保持一致。其次，兩者所處的網(wǎng)絡(luò)ID號要相同。最后，傳感器的發(fā)送地址必須是主控器的本機地址，這樣才能保證信息的準確接收。串口通信主要是將主控器與上位機的串口相連，主控器的數(shù)據(jù)能夠通過串口發(fā)送給上位機。

人體傳感器屬于開關(guān)量傳感器的一種，當(dāng)感應(yīng)到人體時，便會產(chǎn)生高電平‘1。沒有感應(yīng)到時，一直處于低電平‘0。因此，傳感器讀取到電平值后，將該數(shù)據(jù)發(fā)送給主控器，為了判定無線數(shù)據(jù)是否有發(fā)送成功，本文設(shè)計每發(fā)送一次無線數(shù)據(jù)，綠色信號燈閃爍一次，以此來確保無線數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送成功。傳感器程序流程圖如圖2所示。

主控器相當(dāng)于一個“中轉(zhuǎn)站”，首先需要對主控器進行初始化，并配置無線通信參數(shù)。為了確保主控器有接收到傳感器發(fā)送過來的無線信號，本文設(shè)計每接收到一次無線信號，紅色信號燈閃爍一次。最后，主控器將收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機，便可以在上位機中顯示出是否感知到人體的信息。主控器程序流程圖如圖3所示。

3 基于無線通信技術(shù)的人體傳感器檢測與采集的實現(xiàn)

對傳感器和主控器分別進行無線通信參數(shù)設(shè)置，使傳感器能夠通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控器。主控器能夠通過無線模塊接收數(shù)據(jù)。硬件連接圖如圖4所示，圖中兩個Zigbee開發(fā)板，一個連接人體感應(yīng)器作為傳感器，一個作為主控器用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

當(dāng)有人體通過時，人體感應(yīng)器將數(shù)據(jù)傳給傳感器的CC2530處理，然后通過天線將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控器，主控器接收到數(shù)據(jù)后通過I/O口，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機處理。結(jié)果顯示如圖5所示，傳感器會定時采集數(shù)據(jù)，當(dāng)感應(yīng)到人體時，出現(xiàn)“有人”的字樣，感應(yīng)不到人體時，出現(xiàn)“沒有人”的字樣。

本文設(shè)計的人體傳感器檢測與采集系統(tǒng)可以根據(jù)實際需求設(shè)置多個傳感器，如圖6所示。由于本文設(shè)計的系統(tǒng)是使用無線傳輸，因此即使使用多個人體傳感器也不會增加硬件系統(tǒng)的復(fù)雜度，只要配置好無線參數(shù)即可。如果實際需求的無線覆蓋較廣，那么可以使用多個主控器，并將主控器分為不同的層級，如圖7所示，共有n個傳感器，主控器分為x級，每一級根據(jù)實際需求設(shè)置主控器個數(shù)m，環(huán)境中所有人體傳感器的數(shù)據(jù)匯集到相應(yīng)層級的主控器中，每一層級的主控器的數(shù)據(jù)最終匯總到1級主控器中，再由1級主控器將數(shù)據(jù)傳遞給上位機。

另外，為了判斷傳感器是否能夠定時發(fā)送數(shù)據(jù)，本文設(shè)計了信號燈，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，綠色信號燈閃爍。同時，為了判斷主控器是否能夠收到傳感器發(fā)送的無線信號，主控器每接收一次無線信號傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，紅色信號燈閃爍一次。這樣能夠確保數(shù)據(jù)之間的傳遞，使得通信更加可靠。

4 結(jié)束語

本文提出的是基于無線通信的人體傳感器技術(shù)的解決方案，可以檢測到是否有人體通過，并將檢測結(jié)果通過上位機顯示出來。同時根據(jù)實際需求，可以擴展為多個傳感器以及多級主控器，從而實現(xiàn)多個地點同時檢測人體。為了確保通信的可靠性，采用信號燈的閃爍來監(jiān)測數(shù)據(jù)是否有發(fā)送和接收。設(shè)計系統(tǒng)主要是基于CC2530，該芯片功耗低，性能優(yōu)良，這使得整個系統(tǒng)不僅穩(wěn)定，而且低能源消耗。實驗結(jié)果證明，本文設(shè)計的方案具有一定的有效性和可靠性，能較好的實現(xiàn)對人體的檢測和監(jiān)控。

參考文獻

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