城市小區無線訪客監測系統

李雪巍 孟林勤

摘要：在ZigBee無線傳感器網絡的基礎上，設計了城市小區無線訪客監測系統，分為監測訪客出入的底層傳感器模塊，底層傳感器與協調器之間傳送數據的無線傳輸模塊以及顯示和記錄訪客來訪記錄的上位機數據處理模塊。訪客監測模塊能實時監測到人員的出入情況，由紅外傳感器、底層數據處理中心STM32單片機以及CC2530模塊構成，將得到的訪客記錄通過協調器節點組建的網絡發送到上位機中基于LabVIEW的訪客監測中心，實時顯示訪客進出信息。無線訪客監測系統將軟件系統與硬件電路相結合，實現了小區實時監測，便于小區統一管理，能夠提高小區的安全性以及記錄效率。

關鍵詞：訪客監測;STM32單片機;ZigBee;LabVIEW;CC2530

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）02-0239-03

1 引言

安全管理在生活中有著越來越重要的位置，在人群出入較為頻繁的地方比如城市居民小區等，對于出入人員的記錄變得尤為重要。而傳統的人員值班模式以及人工記錄訪客的方式與目前高效率工作需求有著較大的差距。ZigBee技術的發展使得其在遠程訪客監測方面有著較為廣泛的應用。因此本文在從小區的整體構造進行分析后，采用了結合底層傳感器模塊、無線數據傳輸模塊以及上位機訪客記錄處理模塊的方法，完成了小區無線訪客監測系統的設計。該系統能夠監測人員進出時間并將出入記錄發送給上位機訪客記錄處理模塊，以便管理人員監管。將物聯網技術運用在訪客監測系統上對于滿足高效率和智能化的需求有著重要意義。

針對上述情況，本文從有效性、準確性等方面進行分析，無線訪客系統應滿足如下的要求：

1） 監測節點較小，在出入口設立監測節點不能影響人員的正常出入，應體積較小。

2） 要求傳感器能適應戶外環境在小區門口等戶外場，所以可能要經常遭受到雨淋、高溫、嚴寒、暴曬等戶外環境的影響。

3） 監測傳感器的監測距離應控制在1m以內，以防止其他路人或者動物的干擾。數據接收點應在目標節點較近的地方，對于一些突發性事件可以及時得到解決。

2 系統整體設計

通過對于整體結構的綜合考慮，城市小區無線訪客監測系統的具體實現的結構圖如圖1所示。無線訪客檢測系統主要由三個方面構成：底層傳感模塊、數據傳輸模塊、上位機LabVIEW數據處理模塊。底層傳感器模塊主要負責檢測數據并通過布設在不同監測地段的訪客監測電路可以監測到訪客的進出狀態，并把訪客信息通過ZigBee發送端電路以廣播的方式發布到組建的網絡中。協調器節點在收到訪客記錄數據后通過串口轉USB電路將訪客記錄數據傳送給上位機訪客監測中心進行訪客記錄數據處理，訪客監測中心讀取串口發來的訪客記錄數據并進行數據處理和顯示，可以直觀地看到訪客進出的記錄。

本文中ZigBee網絡選擇的是TI公司的CC2530單片機，TI公司的該款芯片提供了比較完整的ZigBee系統解決方案[1]。優點是其擁有Z-Stack協議棧，用戶只需修改應用層程序即可，能夠十分便捷的組建Zigbee網絡，可以實現多個點的訪客監測;CC2530還擁有多個串口，訪客監測電路采集到的數據可以通過串口發送到CC2530單片機，實現訪客監測電路、上位數據處理程序與ZigBee網絡的對接。

2.1協調器節點

ZigBee協調器節點的硬件構成是：CC2530 無線收發模塊和串口電路。Zigbee的協調器模塊主要負責建立Zigbee網絡以及接收由Zigbee的路由器發來數據，上位機通過串口電路與ZigBee協調器模塊連接并通過串口調試軟件SSCOM32讀取信息并進行數據處理和顯示[2]。PL2303 是一種高度集成的RS232轉USB的接口轉換器，提供一個與USB 功能接口連接的RS232全雙工異步串行通信裝置[3]。PL2303在本文中主要實現與下位機的各種接口對接，幫助協調ZigBee模塊采集訪客數據，ZigBee協調器模塊在接收到訪客記錄數據后通過PL2303串口電路將訪客記錄數據發送給上位機。

2.2 傳感器節點

本文中傳感器模塊是由數據傳輸CC2530模塊、底層核心模塊STM32單片機以及監測訪客的紅外傳感器構成。底層核心模塊STM32單片機是傳感器節點的主控芯片，負責接收監測訪客的紅外傳感器發送來的訪客信息以及對訪客信息進行處理。底層處理訪客信息的STM32單片機通過引腳PA9，PA10與CC2530模塊連接的TXD以及RXD引腳相連，將采集到的訪客記錄數據傳送給CC2530模塊。CC2530模塊將訪客記錄數據發送給協調器節點。圖2為傳感器節點的硬件連接框圖。

2.3 底層傳感器模塊

2.3.1 STM32單片機模塊

本系統的處理底層傳感器模塊訪客記錄數據的核心芯片是STM32。 STM32單片機最小系統由濾波電路，晶振電路和復位電路組成，在最小系統中還包含三個8M晶振和三個32M晶振共同工作，六個濾波電容可以有效地減小電源紋波對系統造成的干擾，STM32F103單片機最小系統原理圖如圖3所示[4]。

2.3.2 串口通信電路

采用CH340G作為USB轉TTL的核心芯片，實現ISP下載和串口通信。本設計中串口1有ISP下載接口和串口通信兩個功能，需要手動給設置輸入/輸出模式，STM32串口設置模式表如表1[5]。在小區無線訪客監測系統中將CC2530模塊的TXD引腳和RXD引腳分別與STM32單片機的PA9，PA10連接到一起。

2.3.3 傳感器電路

紅外傳感器采用對射式光電傳感器，E3F-5L作為發射端，E3F-5DN1作為接收端。發送端只需要提供5V電壓即可工作，接收端提供5V電源，信號線接到單片機的PC2、PC3。接收端是NPN常開型光電傳感器，接收端能接受到光束時信號線為高電平，當光束被物體遮擋時，信號線發生電平跳變輸出低電平。根據傳感器特性將單片機PC2，PC3引腳設置為上拉輸入I/O，與此同時將外部中斷觸發方式設置為下降沿觸發。傳感器模塊原理圖如圖4所示。

3 軟件設計

3.1 節點軟件設計

ZigBee發送端程序主要由兩部分組成，首先是和STM32單片機的串行通信部分，在軟件設計之前首先要配置協議棧的串口參數，例如波特率、數據位、奇偶校驗位等，本設計波特率均設置為115200，相同的串口配置才能實現串行通信。其次，是ZigBee的組網廣播部分，將串行通行收到的數據，打包并通過廣播的方式發送出去，當接收端接收到廣播信息即可。ZigBee接收端程序和發送端類似，首先配置串口參數，需要和上位機VISA串口驅動的串口參數一致，在ZigBee網絡中獲得發送端廣播的信息，最終將收到的信息發送給上位機[6]。節點軟件流程圖如圖5所示。

3.2 上位機軟件設計

上位機數據處理部分基于LabVIEW完成程序設計，通過調用VISA接口模塊來讀取數據。首先配置VISA驅動參數，主要用于設置串口的波特率、數據位等參數，和下位機串口參數的配置相同即可[7]。程序運行之后，通過VISA Read控制能連續讀取串口的數據。根據下位機發送的字符串結構拆分出傳感器的標志數據（本設計將傳感器進行數字標記，比如將傳感器1號設為為“1”，將傳感器2號設為“2”）。將狀態標志位進行一定處理即可判斷出訪客的進出狀態。無線訪客系統上位機數據處理模塊后臺程序框圖如圖6所示。

4 系統測試與分析

無線訪客監測電路中STM32的PC2和PC3分別作為兩路傳感器的信號線接入引腳，當光束被物體遮擋時，STM32觸發中斷，并通過串口發送傳感器標志數據。在串口調試軟件SSCOM32中，選擇串口COM2，將波特率設為115200，點擊打開串口調試助手，就可以看到串口發出的數據[8]。無線傳輸模塊的軟件主要為ZigBee部分，ZigBee部分程序設計主要是在應用程序進行編程使得硬件部分呈現出相應的功能[9]。ZigBee組網以及訪客記錄讀取串口模塊按以下步驟進行調試：1）給底層傳感器模塊CC2530上電以及協調器節點的CC2530模塊中寫入相關程序，兩個模塊會根據ZigBee協議自動組建ZigBee網絡;2）查詢ZigBee協調器節點是否組網成功以及傳感器節點是否加入網絡;3）操作串口調試軟件SSCOM32進行數據的發送與接收的調試。上位機無線訪客記錄處理中心能夠顯示訪客記錄說明成功。

LabVIEW用來接收ZigBee發送來的數據信息，并將數據信息進行拆分，根據有用數據信息判斷出人員的進出狀態。當有訪客到訪或離開時，上位機界面能夠記錄訪客當前的狀態，并且將數據寫入文件之中。圖7為上位機訪客監測中心界面。

5 結論

本文總結了目前正在使用的類似系統的優缺點，將訪客監測技術和ZigBee技術相結合，設計了一款上位機顯示程序，將訪客信息集中起來進行管理。對城市小區管理、物業安全、訪客監測智能化、節約人力成本等起到了一定作用。可以在小區物業管理，商場人流監測，門禁系統等系統中得到廣泛的應用，具有實用價值和應用前景。

參考文獻：

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