基于Zigbee技術(shù)的人頭識別系統(tǒng)設(shè)計

李家林，余見明

(1.電子科技大學(xué) 物理學(xué)院，四川 成都　610054；2.四川省樂山市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，四川 樂山　614001)

0　引　言

智能監(jiān)控作為保障人們財產(chǎn)與人身安全的一種重要手段，對維護社會穩(wěn)定有重要的作用.目前，針對醫(yī)院、車站與學(xué)校等人群密集場所的監(jiān)控基本限于宏觀層面，即大范圍監(jiān)控，其設(shè)備往往安裝在建筑物外，且大多采用傳統(tǒng)通信模式，功耗大、成本高.Zigbee是一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、反應(yīng)時間短、穩(wěn)定性較高、可近距離大容量雙向傳輸數(shù)據(jù)的安全可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)[1-3]，是搭建無線傳輸信息網(wǎng)絡(luò)的重要方式，并作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[4-14].但基于Zigbee技術(shù)來實現(xiàn)人群密集環(huán)境中的人頭識別與計數(shù)等方面的應(yīng)用尚未見公開報道.對此，本研究探討在人群密集場所的攝像頭上裝上基于Zigbee的智能監(jiān)控系統(tǒng)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)監(jiān)控遠程化，從而實現(xiàn)對相關(guān)情況的判別和計數(shù).

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計的系統(tǒng)由一個Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點與多個Zigbee終端節(jié)點組成，構(gòu)成基于點對多點的星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，并以點對多點形式完成信息的收發(fā)控制和數(shù)據(jù)收集.基于Zigbee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

本系統(tǒng)是一個在局部范圍內(nèi)采用Zigbee的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，把現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)收集到Zigbee協(xié)調(diào)器中，并由上位機實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示和處理.系統(tǒng)包括Zigbee終端節(jié)點、Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點和上位機3部分.Zigbee終端節(jié)點，即圖像采集節(jié)點，主要完成數(shù)據(jù)采集并通過無線通信方式發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)，或者接收Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送的控制命令.Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點，即圖像匯聚節(jié)點，該節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者，管理整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，存儲Zigbee網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的信息，擔(dān)當(dāng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器角色，主要任務(wù)是組建和維護一個網(wǎng)絡(luò)，收集Zigbee網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點發(fā)出的信息，通過RS232接口把數(shù)據(jù)傳到上位機.上位機，即圖像處理，主要用于接收Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點傳來的信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和接收，以及數(shù)據(jù)的進一步處理和顯示.

圖1基于Zigbee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1　Zigbee芯片選取

在實際應(yīng)用中，CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個片上系統(tǒng)解決方案，它能以非常低的總成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點[15].CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051 CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 KB RAM和許多其他強大的功能.CC2530具有不同的運行模式，且運行模式之間轉(zhuǎn)換的時間短，尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng).

2.2　節(jié)點設(shè)計

2.2.1數(shù)據(jù)處理模塊.

1)圖像采集模塊.在原理性樣機演示中，圖像采集由終端Zigbee模塊和電腦通過串口相連構(gòu)成.電腦通過攝像頭拍照，并將圖片轉(zhuǎn)化為灰度值，以txt文件格式通過串口傳給Zigbee終端.

2)圖像匯聚模塊.由協(xié)調(diào)器Zigbee模塊和電腦通過串口相連構(gòu)成.協(xié)調(diào)器接收到終端傳來的數(shù)據(jù)，通過串口傳給電腦，電腦處理數(shù)據(jù)，進行人頭計數(shù)、復(fù)原、保存等操作.

2.2.2Zigbee模塊.

1)CC2530模塊.由于CC2530將8051內(nèi)核與無線收發(fā)模塊集成到一個芯片中，因而簡化了電路設(shè)計過程，省去對單片機與無線收發(fā)芯片之間接口電路的設(shè)計.其電路設(shè)計主要包括接口電路、3.3 V和1.8 V電源濾波電路、芯片晶振電路、天線、入網(wǎng)指示電路及復(fù)位電路6部分，而其余電路可參照CC2530的參考設(shè)計來完成.

2)供電電路.供電電路采用低功耗電源芯片AMS1117-3.3，三端可調(diào)或固定電壓3.3 V，輸出電流為1 A，線路調(diào)整率為0.2%(最大)，負載調(diào)整率為0.4%(最大)，輸入電壓為15 V.本設(shè)計采用電腦USB供電.

3)RS232串口轉(zhuǎn)換電路設(shè)計.串口轉(zhuǎn)換電路采用PL2303芯片.該器件作為USB/RS232雙向轉(zhuǎn)換器，一方面從主機接收USB數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面從RS232外設(shè)接收數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式傳送回主機.雙向的轉(zhuǎn)換均自動實現(xiàn).

4)節(jié)點硬件實物.模塊的集成采用雙層PCB.頂層主要用于信號布線，底層主要用于電源和地布線、在無布線區(qū)通過少量互連過孔連接.圖2為實現(xiàn)的硬件實物照片.

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

IAR Embedded Workbench(EW)具有界面友好且調(diào)試功能強大的特點，因而選為本系統(tǒng)上位機和下位機的軟件開發(fā)平臺. 本系統(tǒng)的所有源程序代碼均在IAR下調(diào)試通過.

圖2節(jié)點硬件實物照片

3.1　下位機軟件設(shè)計

3.1.1圖像采集.

如前所述，這里的圖像采集通過電腦攝像頭完成.Matlab提取圖片的灰度值矩陣，保存為txt文件.

3.1.2Zigbee組網(wǎng)與發(fā)送數(shù)據(jù).

首先，加入網(wǎng)絡(luò)的步驟為：

1)Z-Stack由main()函數(shù)開始執(zhí)行，該函數(shù)完成系統(tǒng)初始化及執(zhí)行輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)；

2)進入osal-init-system()函數(shù)，執(zhí)行操作系統(tǒng)初始化；

3)進入osalInitTasks()函數(shù)，執(zhí)行操作系統(tǒng)任務(wù)初始化；

4)進入ZDApp-init()函數(shù)，執(zhí)行ZDApp層初始化；

5)執(zhí)行ZDOInitDevice()函數(shù)，執(zhí)行設(shè)備初始化；

6)執(zhí)行ZDApp-NetWorkInit()函數(shù)；

7)轉(zhuǎn)到ZDApp-event-loop()函數(shù)；

8)執(zhí)行ZDO-StartDevice()函數(shù)，啟動設(shè)備；

9)終端設(shè)備.這時，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)存在時，網(wǎng)絡(luò)層將給予ZDO層發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)反饋信息，由網(wǎng)絡(luò)層發(fā)起加入網(wǎng)絡(luò)請求，如加入網(wǎng)絡(luò)成功，則網(wǎng)絡(luò)層將給予ZDO層加入網(wǎng)絡(luò)反饋，執(zhí)行NLME-JoinRequest()函數(shù)，然后執(zhí)行ZDO-JoinConfirmCB()函數(shù)；

10)執(zhí)行ZDO-UpdateNwkStatus()函數(shù)，完成網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)更新；

11)執(zhí)行ZdoSendStateChangeMsg()函數(shù)；

12)初始化完系統(tǒng)任務(wù)事件后，正式開始執(zhí)行操作系統(tǒng)，此時操作系統(tǒng)不斷檢測有沒有任務(wù)事件發(fā)生，一旦檢測到有事件發(fā)生，就轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理函數(shù)進行處理；

13)設(shè)備間的綁定.當(dāng)按下SW2，即JoyStick控桿的右鍵時，節(jié)點就發(fā)出終端設(shè)備綁定請求.

其次，串口通信發(fā)送數(shù)據(jù)步驟為：

1)串口數(shù)據(jù)初始化；

2)DMA接收；

3)主循環(huán)中通過SerialApp-CallBack查詢；

4)從DMA獲取并發(fā)送到空中；

5)借助串口助手發(fā)送灰度值txt文件.

3.2　上位機軟件設(shè)計

3.2.1Zigbee組網(wǎng)與接收數(shù)據(jù).

協(xié)調(diào)器的組網(wǎng)、終端設(shè)備和路由設(shè)備發(fā)現(xiàn)與“3.1.2”項加入網(wǎng)絡(luò)的步驟相同，具體為：

步驟1)～8)同于下位機；

9)協(xié)調(diào)器；

步驟10)～12)同于下位機；

13)設(shè)備綁定.

協(xié)調(diào)器收到終端設(shè)備綁定請求End-Device-Bind-req，這個信息傳送到ZDO層.在ZDO層的事件處理函數(shù)中，調(diào)用ZDApp-ProcessOSALMsg((osal-event-hdr-t*)msg-ptr).

3.2.2圖像復(fù)原與處理.

圖像復(fù)原通過Matlab灰度圖處理來實現(xiàn).人頭數(shù)檢測則通過兩步完成，首先判別頭部灰度值，然后計數(shù).

3.3　系統(tǒng)測試

作為演示論證，本系統(tǒng)的軟件開發(fā)與調(diào)試在Windows下通過IAR EW平臺完成，數(shù)據(jù)采集與處理、圖像恢復(fù)與識別等均基于Windows操作系統(tǒng).圖3所示為拍攝的人頭照片和轉(zhuǎn)換為灰度圖的效果以及相應(yīng)的灰度值矩陣.

(a)原始照片及灰度圖

(b)灰度值矩陣

圖3采集的人頭照片及其結(jié)果

圖4為上位機接收的txt文件和復(fù)原結(jié)果，以及基于灰度圖計算的人頭數(shù).對比圖3的灰度圖可知，復(fù)原圖像清晰、保真度高，而人頭計數(shù)也通過灰度圖獲得正確結(jié)果.

圖4上位機接收的txt文件及復(fù)原出的灰度圖

相應(yīng)地，灰度值的三維分布圖及人頭復(fù)原結(jié)果如圖5所示.

圖5接收的三維灰度圖和復(fù)原結(jié)果

進一步地，圖6所示為一組5人頭數(shù)據(jù)恢復(fù)后的檢測計數(shù)結(jié)果.標(biāo)記c表示符合條件的灰度值在矩陣中的位置.由于本系統(tǒng)采用弱匹配判別，故不符合條件的灰度值在矩陣中都置為0.

圖65人頭數(shù)據(jù)恢復(fù)后的計數(shù)結(jié)果及灰度值在矩陣中的位置

測試結(jié)果表明，本研究所構(gòu)建的系統(tǒng)可對接收到的數(shù)據(jù)進行有效復(fù)原和識別且結(jié)果正確.

4　結(jié)　語

本研究以Zigbee無線通信技術(shù)的低成本、快捷的系統(tǒng)構(gòu)建特性為基礎(chǔ)，構(gòu)建了Zigbee的終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點，進一步實現(xiàn)了Zigbee協(xié)議，并通過面向小型密集場合的人頭識別的應(yīng)用場景，實現(xiàn)了圖像采集串口通信與人頭檢測圖像處理.原理性樣機對人群密集場合的人頭識別和計數(shù)實驗表明，本系統(tǒng)人頭識別準(zhǔn)確且復(fù)原效果好，響應(yīng)迅捷，工作穩(wěn)定可靠.