物體自組無線監測網構建技術設計

王賾坤

(武漢理工大學華夏學院，湖北 武漢 430223)

物體自組無線監測網構建技術設計

王賾坤

(武漢理工大學華夏學院，湖北 武漢 430223)

隨著無線通信技術的不斷發展，為了滿足人們對智能化安防系統的需求，應用物體自組無線監測網構建技術設計并實現了安防監測系統。該系統采用了Zigbee，RFID和WIFI等技術將無線網絡傳感器、電子標簽、攝像頭等進行了有機組合并組建了網絡系統，實現了對環境參數、位置信息和視頻信息的傳輸。該系統以CC2530芯片為核心，應用RFID技術，設計了各個Zigbee終端節點；采用星型網絡組建實現了Zigbee無線組網，其功能包括協調器網絡的建立、節點的加入以及網絡的脫離；以STM32為核心設計了無線視頻監控模塊。系統運行測試情況表明，所構建的物體自組無線監測系統組網時間短，無線通信距離長，視頻的無線傳輸速率快，可有效、快速地采集各項數據，且系統擴展與維護方便，能夠較好地滿足不同領域的安防需求。

無線射頻識別；Zigbee；CC2530；監控；WIFI

0 引 言

隨著國內安防系統的不斷發展，安防系統在各個領域的應用逐漸廣泛。利用先進的、安全性更高的技術方法，并結合現代通信技術的智能化、信息化安防系統必然是安防系統的發展方向。一方面能夠提高國內安防系統的發展水平，另一方面也能大幅改善居民的生活水平[1]。為此，在重點研究物體自組無線監測網安防系統的基礎上，設計并實現了基于物體自組無線網的安防監測系統。該系統以無線網絡為載體，結合RFID(射頻識別技術)、無線視頻監控技術和無線傳感器網絡技術組建物體自組無線監測網，通過各類傳感器對目標進行全方位、多方面的實時監測[2-3]，并通過無線網絡將信息傳送至遠程用戶。

1 系統總體設計

該系統由環境監測模塊(溫濕度傳感器、熱釋紅外線傳感器、有害氣體檢測傳感器等)、物體信息與定位監測模塊(電子標簽)、Zigbee終端節點、Zigbee協調器、無線視頻監控模塊、無線路由器、上位機(PC機)等幾個部分組成，其網絡結構如圖1所示。

圖1 系統網絡結構

無線傳感器和電子標簽與各個監測點的Zigbee終端節點連接，完成實時環境、位置、物體信息等數據的采集和傳輸。然后通過Zigbee網絡與協調器通信，將所有終端節點采集到的數據傳送至協調器節點，協調器通過RS232串口與上位機進行通信，上位機根據采集到的數據進行相應操作(如火災報警、物體定位等)。

無線視頻監控模塊對圖像進行實時采集并采用WIFI技術將視頻信息經由無線發送到網絡中進行傳輸。當傳送至上位機后，根據需要對視頻進行存儲，或對多點監控現場視頻畫面進行切換。

出于對能耗、數據傳輸速率以及性價比的考慮，無線網絡傳輸采用兩種不同的協議，分別是802.11b協議和802.15.4協議。

IEEE 802.15.4(Zigbee)協議是一種距離短、功耗低、速率低的無線通信技術，多用在采集濕度、溫度、震動等標量信息，數據量較小的場合。Zigbee網絡節點設備工作周期較短、收發信息功率低，故Zigbee技術特別省電，避免了頻繁更換電池或充電，從而減輕了網絡維護的負擔。

隨著無線傳感器網絡中引入了多媒體，圖像、音頻、視頻流的傳輸，使得網絡中的數據流量急劇增大。Zigbee通信協議中250 kbps的速率難以滿足網絡對流媒體傳輸速率的需求，因此采用IEEE 802.11(WIFI)技術。IEEE 802.11b在2.4 GHz頻率上的最高傳輸速率可以達到11 Mbps，可以滿足傳輸視頻流的要求。鑒于此，采用Zigbee技術實現自組網設計，并對環境、位置參數等信息進行采集；視頻監控圖像采用WIFI技術實時傳輸至上位機，上位機根據Zigbee技術采集的數據信息進行相應操作[4-5]。

2 硬件電路設計

2.1環境監測模塊

環境監測模塊主要由無線通信模塊、傳感器、電源模塊等組成。傳感器可以選擇溫濕度傳感器(DHT11)或熱釋紅外線傳感器等；無線通信模塊選擇CC2530芯片。以溫濕度傳感器為例，其部分硬件接口電路如圖2所示。

DHT11是一款具有體積小、功耗低等特點的數字溫濕度傳感器。如圖2所示，DHT11傳感器的DATA端口與CC2530的P12相連，采用單線制串行接口，以完成采集命令的觸發與采集數據的傳輸。

CC2530芯片用于2.4 GHz，基于IEEE 802.15.4協議、Zigbee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(SOC)解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存，8 KB RAM以及其他強大的功能。它提供了MCU和無線設備之間的一個接口，可以發出命令，讀取狀態，自動操作和確定無線設備事件的順序。CC2530芯片最顯著的優點是功耗低，這是網絡數據傳輸中重點考慮的因素[6-9]。

圖2 部分硬件接口電路

2.2物體信息與定位監測模塊

物體信息與定位監測模塊主要由RFID讀寫模塊、無線通信模塊、電源模塊等組成。RFID讀寫模塊選擇MFRC522；無線通信模塊選擇CC2530芯片，其硬件接口電路如圖2所示。MFRC522的MISO、MISI、SCK、SDA分別與CC2530的I/O口P13、P06、P00、P01相連。P01為“1”時，RFID讀寫模塊與CC2530之間的數據傳輸采用串行通信方式。P13、P06分別控制RFID讀寫模塊數據的輸入輸出，即完成電子標簽數據的讀取與寫入控制。電子標簽中攜帶了目標物體的位置、參數等數據信息。

MFRC522是NXP公司推出的一款具有體積小、成本低等特點的非接觸式讀寫卡芯片，內部發送器部分驅動讀寫器天線與ISO14443A/MI卡和電子標簽的通信，無需其他電路。接收器部分提供一個堅固而有效的解調和解碼電路，用于處理ISO14443A兼容的應答器信號。它與主機間的通信采用連線較少的串行通信，且可根據不同的用戶需求，選取SPI、I2C或串行UART(類似RS232)模式之一，有利于減少連線，縮小PCB板體積，降低成本。如圖2所示，該設計采取SPI數據傳輸方式[10]。

2.3無線視頻監控模塊

無線視頻監控模塊主要由攝像頭(OV7670)、主控制器(STM32)、無線通信模塊(WIFI模塊)、電源模塊等組成[11-12]。攝像頭主要完成對圖像的采集；主控制器(STM32)主要完成對圖像的處理；無線通信模塊(WIFI模塊)主要完成對圖像信息的網絡傳輸，WIFI模塊與上位機的數據傳輸采用TCP/IP協議，即IEEE 802.11b協議。

3 軟件設計

3.1自組網

環境監測與物體信息和定位監測網絡是基于無線傳感網絡通信協議(IEEE 802.15.4協議)，通過Zigbee的網絡自組功能建立的監測網絡系統。系統采用Z-Stack的星狀網結構組網。在星狀網中，設備類型為協調器和終端設備，且所有的終端設備都直接與協調器通信。網絡中協調器負責網絡的建立和維護，同時負責與上位機進行通信，包括向上位機發送數據和接收上位機的數據并無線轉發給下面各個節點，負責與終端設備通信，包括發送數據采集或控制被控對象的命令。Zigbee終端節點程序設計流程如圖3所示。無線視頻監控模塊則通過WIFI模塊與上位機進行通信，采用TCP/IP協議傳輸圖像數據[13-14]。

圖3 終端節點程序設計流程

3.2環境數據采集

環境參數包含溫濕度的數據采集，紅外線的數據采集等，其功能主要實現防火、防水、防盜報警。用Zigbee網絡傳感器采集溫濕度數據，通過Zigbee自組網將采集到的數據傳輸至上位機，與設定值相比較。當超過設定值時，上位機客戶端界面紅燈亮起，發出控制命令報警。

3.3視頻監控模塊

視頻監控模塊的作用是對視頻數據進行采集，壓縮，網絡傳輸。當發生火災、盜竊、漏水等狀況時，上位機根據Zigbee網絡傳感器發送的環境、位置信息，對視頻監控模塊發出控制命令，控制攝像頭畫面的切換或角度的移動。同時視頻監控模塊實時采集視頻數據并壓縮，之后通過網絡傳輸至上位機，并保存這些突發狀況信息，為后期對突發狀況的數據分析提供依據。

4 系統測試

在實驗室中對整個系統進行測試。分別在不同的位置放置無線網絡傳感器及攝像頭，并在重要設備上貼上裝載有位置與物體信息的電子標簽。

4.1環境測試

從圖4中不僅可以觀測到實時的溫濕度數據，并可以查看歷史數據。當監測到溫濕度的值超過警戒值時，則發出報警信號，實現火災、水災報警。

4.2物體信息與定位測試

電子標簽中裝載有物品的信息，位置參數。終端節點經過被監測物品時可以讀出電子標簽中的ID號(如圖5所示)，并通過無線網絡傳輸至上位機。上位機根據讀取到的電子標簽ID號，可以查看物品的具體信息，并做相應的操作處理。

圖5 位置監測測試圖

4.3視頻監控測試

從圖6可以清晰地看出視頻監控的畫面，并可以根據需要隨時切換監控畫面，或是轉動攝像頭進行視頻的采集。

圖6 視頻監控測試圖

5 結束語

為了實現智能化、信息化的安防需求，設計并實現了一種物體自組無線監測網絡系統。該系統的設計包括結構、節點硬件、Zigbee網絡和視頻監控網絡等。運行測試表明，該系統能夠實時采集溫/濕度、煙霧濃度等環境參數，位置參數等，可實時傳輸監控畫面，還能滿足不同領域的功能拓展需求，并且具有便捷的可維護性。

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DesignofAdHocWirelessMonitoringNetworkTechnology

WANG Ze-kun

(Wuhan Huaxia University of Technology，Wuhan 430223，China)

In order to meet people’s demand for intelligent security system with the constant development of wireless communication technology，a security monitoring system is designed and implemented with contraction technologies of Ad hoc wireless object-monitoring,which uses Zigbee,RFID and WIFI and other technologies to finish the integration of the wireless network sensor,electronic tag,camera etc. and establish the network system for transmission of environmental parameters,position information and video information.It adopts CC2530 as the core and RFID technology to design Zigbee terminal node,applies the star network to realize the Zigbee wireless networking,the functions of which involves establishment of the coordinator network,connections of terminal nodes and disconnection of the established network,and takes STM32 as the core to design the wireless video monitoring module.The status of system operation shows that it has achieved a shorter networking time,a longer wireless communication distance and a faster wireless transmission rate of video compared with traditional object monitoring system,which can efficiently and quickly collect various types of data with fine expandability and convenient maintainability to meet requirements on security of intelligent systems in different fields.

RFID；Zigbee；CC2530；monitor；WIFI

2016-11-01

2017-02-13 < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-07-19

湖北省教育科研計劃指導性項目(B2014279)

王賾坤(1981-)，女，碩士，講師，研究方向為自動識別技術、無線通信網絡。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170719.1109.036.html

TP274

A

1673-629X(2017)11-0154-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.11.034