基于ZigBee的红外远程监控系统设计

杨丙良，陈禹龙，姚英彪

（杭州电子科技大学 通信工程学院，浙江 杭州 310018）

现代安防监控越来越受到重视，它一般由图像采集、传输和存储系统组成。采用高精度的摄像头配合先进的图像处理技术和传输技术，其安防监控性能虽然很好，但也存在投资成本大，实时报警性能差，数据量大，隐蔽性差等缺点。鉴于这些不足，某些应用场合也可以用红外监控作为监控手段。

红外探测器自1800年被首次制作出来以后，经过两百多年的发展，技术已经十分成熟。它是指将不可见的红外辐射光探测出来，并且转化为可测量的信号的技术，具有适应性好，隐蔽性好，保密性强，性能稳定等优点。通过对特定波段的红外射线的探测，就可以实现对物体的实时性探测和跟踪。

文中介绍一种基于ZigBee技术的红外远程监控系统。ZigBee技术是一种短距离无线通信技术，具有低功耗、低成本、网络容量大、可靠性和安全性比较高、开发成本低等特点。整个系统利用红外探测器来监测特定区域是否有人，探测误差小；利用ZigBee技术传输数据，具有功耗低、廉价高效等优点。

1 系统方案

系统主要由3部分构成，分别是数据采集部分，无线数据传输部分和监控部分。数据采集由人体红外探测器模块HC-SR501完成，为了方便控制数据采集是否进行，搭配了一个无线遥控器。HC-SR501的静态电流小于50 μA，适合电池供电，探测角度约为100°锥角，工作距离在7米以内，不穿墙，适合在室内使用，当有人体进入感应范围就输出高电平，自动延时，无人时输出低电平。遥控器采用无线电遥控方式，使用PT2262，PT2267编码、解码芯片制作，在433M公用频带上进行遥控。无线传输部分包括ZigBee终端节点，路由器和协调器。终端节点用来连接红外探测器和无线遥控器，用来接收数据；路由器用来中转数据；协调器负责ZigBee网络的组建和接收到数据以后，利用RS232串口数据线，将数据传递给中央计算机。监控部分的界面采用LabVIEW编写，用来处理和显示接收到的数据信息。系统需要实现的功能是：利用红外探测器进行数据采集，并将采集的数据发送到ZigBee终端节点，通过无线遥控器的手持遥控端，控制ZigBee终端节点是否接收数据。接收到的数据，由终端节点传递给路由器，再由路由器传递给协调器，最终到达中央计算机，并在监控界面上展示出来。

图1 系统架构图Fig.1 System architecture

2 硬件设计

2.1 数据采集模块

在系统中，人体红外探测器要与终端节点相连，以便将采集的数据直接传递给终端节点。遥控器用来控制终端节点内的单片机是否接收红外探测器的信号。这里的信号的接收与否是通过控制单片机是否进入中断状态来完成的。在一个监控端，可以布置多个红外探测器，实现多区域覆盖，所有探测器并联，然后再连接到终端节点，如图2所示。

图2 数据采集端安放图Fig.2 Data collection terminal placement diagram

2.2 无线传输模块

当数据采集完成以后，就要利用无线传输网络，将数据传递给中央计算机。ZigBee无线传输网络主要由ZigBee终端节点，路由器和协调器组成。终端节点是数据采集源，实现加入、退出网络的功能；路由器负责寻找，建立网络路由信息，拓展网络范围；协调器是整个网络的中心，负责网络组建和数据配置。ZigBee网络拓扑结构主要有3种类型[3]，分别是星形结构，网状结构和树状结构，这里我们采用的是树状结构，如图3所示，终端节点的数据传递给路由器或者协调器，路由器的接收到数据以后转发给协调器或者是相邻的路由器，实现数据中转的作用。

ZigBee网络的核心是TI CC2530微处理器，它是一款用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的真正的片上系统解决方案，能够以非常低的成本建立网络。具有不同的运行模式，尤其适应超低功耗要求的系统。集成了增强型8051内核，结合TI Z-STACK协议栈可以方便的组建自己的无线通信网络。

图3 ZigBee簇状拓扑结构Fig.3 ZigBee cluster-like topology

3 软件设计

在软件方面，采用IAR Embedded Workbench集成开发工具作为CC2530的编程工具。终端节点程序流程框图如图4所示。程序开始时，首先进行板载元件初始化以及加入ZigBee网络。然后设置IO端口的外部中断用于检测的人体红外模块监测信号和手持遥控器信号（手持遥控器用来控制系统是否开启监控模式）。系统进入启监控模式之后，终端节点开始接收人体红外传感器发出的信号。人体红外传感器被设置为重复触发方式，也就是说假如人体红外传感器探测到了人体，感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平。终端节点接收到人体红外信号后，设置报警标志位，同时通过ZigBee网络发送警报信息到监控端；此后程序进入等待警报解除状态。用户此时可以通过手持遥控器解除警报或者监控端下发一个解除警报的命令，终端节点解除警报，并将成功解除警报信息上传监控端。在此之后，系统重新开启监控状态，至此程序进行了一个轮回，终端节点就这样如此往复工作。

图4 终端节点程序流程图Fig.4 Program flow chart of terminal node

协调器程序流程框图如5所示。系统上电初始化以后，首先在应用指定的网络信道范围内进行能量扫描，通过在各个信道上进行监听，获取各信道能量水平，选择其中一个干扰和冲突最少的信道建立网络，其流程如图6所示。其次是配置串口，实现协调器与上位机PC的通信。最后进入接收信息状态，等待终端节点上传信息。每接收到一串数据包，立即通过串口向上位机发送整包数据，或者将上位机的命令转发到终端节点。

运行在PC端的上位机软件使用的是LabVIEW软件编写而成。通过PC串口，程序接收到了单片机发送的一串数据包之后，按照预先定义的帧格式，将其中的红外探测数据解析出来。通过界面上的警示灯，告知使用者监控区域的状况。同时，界面上设置有相应的解除警报按钮。在红外传感器已经探测到人体红外信号且发生警报信息之后，可以通过上位机的解除警报按钮，将警报信息解除掉。

图5 协调器程序流程图Fig.5 Program flow chart of coordinator node

图6 ZigBee组网流程图Fig.6 ZigBee networking flow chart

4 结束语

文中介绍了一种使用红外探测实现实时监控的方案，利用红外传感器和无线遥控器相互配合，操作方便实用，系统的价格低廉，技术成熟，性能稳定。探测器可以安置的范围广，对环境的适应性强，隐蔽性好，可以用于一些要求低成本、高实时的监控场景。另外，系统的基础是ZigBee网络，当组网完成后，可以在终端节点搭配不同类型的传感器，可以用来采集不同的数据信息，系统拓展性高。

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