城市小區(qū)無(wú)線訪客監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

李雪巍 孟林勤

摘要：在ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了城市小區(qū)無(wú)線訪客監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分為監(jiān)測(cè)訪客出入的底層傳感器模塊，底層傳感器與協(xié)調(diào)器之間傳送數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸模塊以及顯示和記錄訪客來(lái)訪記錄的上位機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊。訪客監(jiān)測(cè)模塊能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到人員的出入情況，由紅外傳感器、底層數(shù)據(jù)處理中心STM32單片機(jī)以及CC2530模塊構(gòu)成，將得到的訪客記錄通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組建的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位機(jī)中基于LabVIEW的訪客監(jiān)測(cè)中心，實(shí)時(shí)顯示訪客進(jìn)出信息。無(wú)線訪客監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將軟件系統(tǒng)與硬件電路相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便于小區(qū)統(tǒng)一管理，能夠提高小區(qū)的安全性以及記錄效率。

關(guān)鍵詞：訪客監(jiān)測(cè);STM32單片機(jī);ZigBee;LabVIEW;CC2530

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2019）02-0239-03

1 引言

安全管理在生活中有著越來(lái)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(qū)等，對(duì)于出入人員的記錄變得尤為重要。而傳統(tǒng)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(shù)的發(fā)展使得其在遠(yuǎn)程訪客監(jiān)測(cè)方面有著較為廣泛的應(yīng)用。因此本文在從小區(qū)的整體構(gòu)造進(jìn)行分析后，采用了結(jié)合底層傳感器模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊以及上位機(jī)訪客記錄處理模塊的方法，完成了小區(qū)無(wú)線訪客監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)人員進(jìn)出時(shí)間并將出入記錄發(fā)送給上位機(jī)訪客記錄處理模塊，以便管理人員監(jiān)管。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用在訪客監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上對(duì)于滿(mǎn)足高效率和智能化的需求有著重要意義。

針對(duì)上述情況，本文從有效性、準(zhǔn)確性等方面進(jìn)行分析，無(wú)線訪客系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足如下的要求：

1） 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)較小，在出入口設(shè)立監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)不能影響人員的正常出入，應(yīng)體積較小。

2） 要求傳感器能適應(yīng)戶(hù)外環(huán)境在小區(qū)門(mén)口等戶(hù)外場(chǎng)，所以可能要經(jīng)常遭受到雨淋、高溫、嚴(yán)寒、暴曬等戶(hù)外環(huán)境的影響。

3） 監(jiān)測(cè)傳感器的監(jiān)測(cè)距離應(yīng)控制在1m以?xún)?nèi)，以防止其他路人或者動(dòng)物的干擾。數(shù)據(jù)接收點(diǎn)應(yīng)在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)較近的地方，對(duì)于一些突發(fā)性事件可以及時(shí)得到解決。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的綜合考慮，城市小區(qū)無(wú)線訪客監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。無(wú)線訪客檢測(cè)系統(tǒng)主要由三個(gè)方面構(gòu)成：底層傳感模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、上位機(jī)LabVIEW數(shù)據(jù)處理模塊。底層傳感器模塊主要負(fù)責(zé)檢測(cè)數(shù)據(jù)并通過(guò)布設(shè)在不同監(jiān)測(cè)地段的訪客監(jiān)測(cè)電路可以監(jiān)測(cè)到訪客的進(jìn)出狀態(tài)，并把訪客信息通過(guò)ZigBee發(fā)送端電路以廣播的方式發(fā)布到組建的網(wǎng)絡(luò)中。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在收到訪客記錄數(shù)據(jù)后通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB電路將訪客記錄數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)訪客監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行訪客記錄數(shù)據(jù)處理，訪客監(jiān)測(cè)中心讀取串口發(fā)來(lái)的訪客記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示，可以直觀地看到訪客進(jìn)出的記錄。

本文中ZigBee網(wǎng)絡(luò)選擇的是TI公司的CC2530單片機(jī)，TI公司的該款芯片提供了比較完整的ZigBee系統(tǒng)解決方案[1]。優(yōu)點(diǎn)是其擁有Z-Stack協(xié)議棧，用戶(hù)只需修改應(yīng)用層程序即可，能夠十分便捷的組建Zigbee網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)點(diǎn)的訪客監(jiān)測(cè);CC2530還擁有多個(gè)串口，訪客監(jiān)測(cè)電路采集到的數(shù)據(jù)可以通過(guò)串口發(fā)送到CC2530單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)訪客監(jiān)測(cè)電路、上位數(shù)據(jù)處理程序與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接。

2.1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成是：CC2530 無(wú)線收發(fā)模塊和串口電路。Zigbee的協(xié)調(diào)器模塊主要負(fù)責(zé)建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)以及接收由Zigbee的路由器發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)，上位機(jī)通過(guò)串口電路與ZigBee協(xié)調(diào)器模塊連接并通過(guò)串口調(diào)試軟件SSCOM32讀取信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示[2]。PL2303 是一種高度集成的RS232轉(zhuǎn)USB的接口轉(zhuǎn)換器，提供一個(gè)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(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的各種接口對(duì)接，幫助協(xié)調(diào)ZigBee模塊采集訪客數(shù)據(jù)，ZigBee協(xié)調(diào)器模塊在接收到訪客記錄數(shù)據(jù)后通過(guò)PL2303串口電路將訪客記錄數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)

本文中傳感器模塊是由數(shù)據(jù)傳輸CC2530模塊、底層核心模塊STM32單片機(jī)以及監(jiān)測(cè)訪客的紅外傳感器構(gòu)成。底層核心模塊STM32單片機(jī)是傳感器節(jié)點(diǎn)的主控芯片，負(fù)責(zé)接收監(jiān)測(cè)訪客的紅外傳感器發(fā)送來(lái)的訪客信息以及對(duì)訪客信息進(jìn)行處理。底層處理訪客信息的STM32單片機(jī)通過(guò)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(shù)據(jù)傳送給CC2530模塊。CC2530模塊將訪客記錄數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。圖2為傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件連接框圖。

2.3 底層傳感器模塊

2.3.1 STM32單片機(jī)模塊

本系統(tǒng)的處理底層傳感器模塊訪客記錄數(shù)據(jù)的核心芯片是STM32。 STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)由濾波電路，晶振電路和復(fù)位電路組成，在最小系統(tǒng)中還包含三個(gè)8M晶振和三個(gè)32M晶振共同工作，六個(gè)濾波電容可以有效地減小電源紋波對(duì)系統(tǒng)造成的干擾，STM32F103單片機(jī)最小系統(tǒng)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(zhuǎn)TTL的核心芯片，實(shí)現(xiàn)ISP下載和串口通信。本設(shè)計(jì)中串口1有ISP下載接口和串口通信兩個(gè)功能，需要手動(dòng)給設(shè)置輸入/輸出模式，STM32串口設(shè)置模式表如表1[5]。在小區(qū)無(wú)線訪客監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中將CC2530模塊的TXD引腳和RXD引腳分別與STM32單片機(jī)的PA9，PA10連接到一起。

2.3.3 傳感器電路

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

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee發(fā)送端程序主要由兩部分組成，首先是和STM32單片機(jī)的串行通信部分，在軟件設(shè)計(jì)之前首先要配置協(xié)議棧的串口參數(shù)，例如波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位等，本設(shè)計(jì)波特率均設(shè)置為115200，相同的串口配置才能實(shí)現(xiàn)串行通信。其次，是ZigBee的組網(wǎng)廣播部分，將串行通行收到的數(shù)據(jù)，打包并通過(guò)廣播的方式發(fā)送出去，當(dāng)接收端接收到廣播信息即可。ZigBee接收端程序和發(fā)送端類(lèi)似，首先配置串口參數(shù)，需要和上位機(jī)VISA串口驅(qū)動(dòng)的串口參數(shù)一致，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中獲得發(fā)送端廣播的信息，最終將收到的信息發(fā)送給上位機(jī)[6]。節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖5所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)數(shù)據(jù)處理部分基于LabVIEW完成程序設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)用VISA接口模塊來(lái)讀取數(shù)據(jù)。首先配置VISA驅(qū)動(dòng)參數(shù)，主要用于設(shè)置串口的波特率、數(shù)據(jù)位等參數(shù)，和下位機(jī)串口參數(shù)的配置相同即可[7]。程序運(yùn)行之后，通過(guò)VISA Read控制能連續(xù)讀取串口的數(shù)據(jù)。根據(jù)下位機(jī)發(fā)送的字符串結(jié)構(gòu)拆分出傳感器的標(biāo)志數(shù)據(jù)（本設(shè)計(jì)將傳感器進(jìn)行數(shù)字標(biāo)記，比如將傳感器1號(hào)設(shè)為為“1”，將傳感器2號(hào)設(shè)為“2”）。將狀態(tài)標(biāo)志位進(jìn)行一定處理即可判斷出訪客的進(jìn)出狀態(tài)。無(wú)線訪客系統(tǒng)上位機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊后臺(tái)程序框圖如圖6所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

無(wú)線訪客監(jiān)測(cè)電路中STM32的PC2和PC3分別作為兩路傳感器的信號(hào)線接入引腳，當(dāng)光束被物體遮擋時(shí)，STM32觸發(fā)中斷，并通過(guò)串口發(fā)送傳感器標(biāo)志數(shù)據(jù)。在串口調(diào)試軟件SSCOM32中，選擇串口COM2，將波特率設(shè)為115200，點(diǎn)擊打開(kāi)串口調(diào)試助手，就可以看到串口發(fā)出的數(shù)據(jù)[8]。無(wú)線傳輸模塊的軟件主要為ZigBee部分，ZigBee部分程序設(shè)計(jì)主要是在應(yīng)用程序進(jìn)行編程使得硬件部分呈現(xiàn)出相應(yīng)的功能[9]。ZigBee組網(wǎng)以及訪客記錄讀取串口模塊按以下步驟進(jìn)行調(diào)試：1）給底層傳感器模塊CC2530上電以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的CC2530模塊中寫(xiě)入相關(guān)程序，兩個(gè)模塊會(huì)根據(jù)ZigBee協(xié)議自動(dòng)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò);2）查詢(xún)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是否組網(wǎng)成功以及傳感器節(jié)點(diǎn)是否加入網(wǎng)絡(luò);3）操作串口調(diào)試軟件SSCOM32進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收的調(diào)試。上位機(jī)無(wú)線訪客記錄處理中心能夠顯示訪客記錄說(shuō)明成功。

LabVIEW用來(lái)接收Z(yǔ)igBee發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行拆分，根據(jù)有用數(shù)據(jù)信息判斷出人員的進(jìn)出狀態(tài)。當(dāng)有訪客到訪或離開(kāi)時(shí)，上位機(jī)界面能夠記錄訪客當(dāng)前的狀態(tài)，并且將數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件之中。圖7為上位機(jī)訪客監(jiān)測(cè)中心界面。

5 結(jié)論

本文總結(jié)了目前正在使用的類(lèi)似系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，將訪客監(jiān)測(cè)技術(shù)和ZigBee技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款上位機(jī)顯示程序，將訪客信息集中起來(lái)進(jìn)行管理。對(duì)城市小區(qū)管理、物業(yè)安全、訪客監(jiān)測(cè)智能化、節(jié)約人力成本等起到了一定作用?？梢栽谛^(qū)物業(yè)管理，商場(chǎng)人流監(jiān)測(cè)，門(mén)禁系統(tǒng)等系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，具有實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]Jian Song. Measurement and Control System Based on Wireless Senor Network for Granary[J]. Physics Procedia，2012，24.

[2]俞仁來(lái)，譚明皓.基于 ZigBee 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由分析[J].通信技術(shù)，2011（1）：129-131.

[3]胡家華，徐鵬，鄭昌雨，等.PL2303單片機(jī)串口轉(zhuǎn)USB口實(shí)現(xiàn)串行通信[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013，13（4）：76-77+81.

[4]李易岐. 基于stm32單片機(jī)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].吉林大學(xué)，2017.

[5]邢洋，李立偉，張洪偉.基于STM32單片機(jī)的CAN總線分析儀的設(shè)計(jì)[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2013，28（1）：19-21.

[6]張從鵬，趙康康.基于STM32的串口服務(wù)器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2016（1）：73-75.

[7]P.M. Wrobel，M. Bogovac，H. Sghaier et al.LabVIEW interface with Tango control system for a multi-technique X-ray spectrometry IAEA beamline end-station at Elettra Sincrotrone Trieste.Nuclear Inst. and Methods in Physics Research， A，Elsevier B.V，2016.

[8]張從鵬，趙康康.基于STM32的串口服務(wù)器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2016（1）：73-75.

[9]劉文軍，樊建席，李春勝，等.基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26（12）：1747-1751.