ZigBee技術(shù)語音圖像無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在環(huán)境比較惡劣，溫度、壓力、濕度、震動(dòng)、噪聲和電磁等因素時(shí)刻都可能發(fā)生變化的情況下，利用一般的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來組建監(jiān)控系統(tǒng)，可能會(huì)因?yàn)閷?shí)時(shí)性不夠強(qiáng)、靈敏度較小、延遲大、距離短、可靠性較低、受環(huán)境限制明顯等缺陷，無法全面實(shí)時(shí)有效地實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控。而隨著微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其成本低、組網(wǎng)靈活、受地理環(huán)境限制少、隱蔽性強(qiáng)、無人值守等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為監(jiān)控系統(tǒng)的首選。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，低速率短距離的ZigBee技術(shù)是無線通信的首選技術(shù)之一。本設(shè)計(jì)以確保安全實(shí)時(shí)監(jiān)控為出發(fā)點(diǎn)，運(yùn)用Zigbee技術(shù)，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)來進(jìn)行語音和圖像的無線傳輸。

ZigBee技術(shù)語音圖像無線監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)由語音的雙向無線傳輸和圖像的無線傳輸兩部分組成，使工作人員在監(jiān)控中心便可以方便地監(jiān)視到一些環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合，及時(shí)處理各種運(yùn)營(yíng)事故，確保運(yùn)營(yíng)安全。
1 ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)語音無線傳輸

① 語音無線傳輸系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
語音的無線傳輸以嵌入式微處理器和射頻收發(fā)模塊為核心，輔以外部的放大器、濾波電路、音頻編解碼器來實(shí)現(xiàn)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 語音無線傳輸總體框圖

運(yùn)算放大器負(fù)責(zé)對(duì)麥克風(fēng)接收到的語音信號(hào)進(jìn)行放大和消除部分干擾；音頻編解碼器完成對(duì)語音信號(hào)的A/D、D/A轉(zhuǎn)換和音頻信號(hào)的編、解碼；嵌入式微處理器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)與其他節(jié)點(diǎn)之間的通信；射頻收發(fā)模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制信息，完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；功率放大器對(duì)解碼和D/A轉(zhuǎn)換后的模擬語音信號(hào)進(jìn)行放大，恢復(fù)成原來的數(shù)據(jù)信號(hào)后由揚(yáng)聲器輸出。

② 語音無線傳輸系統(tǒng)器件選擇

嵌入式微處理器選用TI公司的低功耗定點(diǎn)高性能TMS320VC5416。該DSP采用雙電源供電，分別為內(nèi)核電源1.6V和I/O電源3.3V兩部分。主要特性有：速率最高達(dá)160MIPS；3條16bit數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線和1條程序存儲(chǔ)器總線；1個(gè)40bit桶形移位器和2個(gè)40bit累加器；1個(gè)17×17乘法器和1個(gè)40bit專用加法器；最大8M×16bit的擴(kuò)展尋址空間，內(nèi)置128K×16bit的RAM和16K×16bit的ROM；3個(gè)多通道緩沖串口(McBSP)；配有PCM 3002低功耗單片立體聲音頻編解碼器，可對(duì)語音進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換。

射頻收發(fā)模塊選用符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的IP-Link 1221-2264，該模塊工作在2.4GHz頻段，通信速率可達(dá)250kb/s，可提供高效能遠(yuǎn)距離聯(lián)機(jī)能力，高輸出功率與低信號(hào)靈敏度，適用于遠(yuǎn)距離及惡劣環(huán)境下的無線通信解決方案。該模塊包含了通用I/O口、異步串行接口、JTAG口、USB口、外部供電接口等。其中，USB口負(fù)責(zé)與PC通信并對(duì)節(jié)點(diǎn)供電，外部供電接口支持  2.7～3.6V直流電源供電，同時(shí)還有兩個(gè)A/D和兩個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器。

音頻編解碼器選用TI公司生產(chǎn)的TLV320AIC23。其內(nèi)核數(shù)字供電電壓1.42～3.6V，模擬供電電壓2.7～3.6V，均與TMS320VC5416兼容，這樣，TLV320AIC23和TMS320VC5416之間就可以直接連接而不需要其他電平轉(zhuǎn)換芯片；內(nèi)置耳機(jī)放大器，支持立體聲線路輸入和麥克風(fēng)輸入兩種方式，且對(duì)輸入輸出都具有可編程增益調(diào)節(jié)；TLV320AIC23的A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換部件集成在芯片內(nèi)部，采用先進(jìn)的sigma-delta過采樣技術(shù)，可在8～96kHz的范圍內(nèi)提供16bit、20bit、24bit和32bit的采樣，ADC和DAC的輸出信噪比分別可達(dá)90dB和100dB。

圖2 系統(tǒng)硬件電路

運(yùn)算放大器由放大電路和濾波電路兩部分組成。放大電路選用低功耗、低成本的LMV324放大器, 外加R和C構(gòu)成的低通濾波電路。

功率放大器選用LM386。它是一種音頻集成功放，具有功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外部元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為20～200之間的任意值。

③語音無線傳輸系統(tǒng)硬件電路實(shí)現(xiàn)

麥克風(fēng)獲得的語音信號(hào)經(jīng)放大后送入TLV320AIC23的麥克風(fēng)輸入端（MICIN），經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和音頻編碼，由兩個(gè)多通道緩沖串行口McBSP0和McBSP1完成控制和通信。TMS320VC5416的McBSP2擴(kuò)展成異步串行接口后將信號(hào)送至射頻收發(fā)模塊的異步串行接口，經(jīng)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，由發(fā)射天線向外發(fā)送。接收過程與上述過程相反。具體硬件電路如圖2所示。

圖3 電源電路

在硬件電路上，使用1.6V和3.3V兩組電源供電，這里選用雙輸出LD0穩(wěn)壓器TPS73HD301（見圖3）。TPS73HD301是TI公司提供的兩路輸出的電源芯片，輸出電壓一路為3.3V，一路為可調(diào)輸出1.2～    9.75V。

2  ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像無線傳輸

圖像的無線傳輸以射頻收發(fā)模塊為核心，輔以外部的攝像頭、電平轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)，總體硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程圖

從攝像頭輸出的圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)得到了較好的壓縮，速率為幾十kb/s，所以本系統(tǒng)使用RS-232串行口進(jìn)行通信。由于RS-232串口的電平較高，必須經(jīng)過MAX3232電平轉(zhuǎn)換后再送至射頻收發(fā)模塊的異步串口上，經(jīng)調(diào)制發(fā)送出去。接收端射頻收發(fā)模塊直接通過USB口插在上位機(jī)上，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信并對(duì)節(jié)點(diǎn)供電。
由于攝像頭的供電電壓為12V，射頻收發(fā)模塊的供電電壓為2.7～3.6V，所以本系統(tǒng)使用12V和3.3V兩組電源供電。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，節(jié)點(diǎn)采用串口通信模式，利用中斷的方法完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。數(shù)據(jù)的傳送采用主從節(jié)點(diǎn)方式，利用USB接口實(shí)現(xiàn)與PC通信。要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照Zigbee協(xié)議規(guī)定的最大幀長(zhǎng)度打包，加上網(wǎng)絡(luò)層、媒質(zhì)訪問控制層和物理層的幀頭，將數(shù)據(jù)通過SPI總線，按用戶要求發(fā)送到接收端的射頻收發(fā)模塊。當(dāng)從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送中斷請(qǐng)求時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)接收信息包和數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收流程如圖5所示。

圖6 圖像無線傳輸仿真結(jié)果

仿真結(jié)果及在工業(yè)控制中應(yīng)用

在監(jiān)控端采用Java編寫的監(jiān)控管理軟件，通過串口、波特率、延時(shí)時(shí)間、紅外燈、圖片尺寸、圖像傳輸時(shí)間等方面調(diào)節(jié)，向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送監(jiān)控命令，接收傳感數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的處理、接收、存儲(chǔ)和顯示等，將來自無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大量感知數(shù)據(jù)，以直觀的方式呈現(xiàn)給工作人員。仿真結(jié)果如圖6所示。
隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)過程中首要強(qiáng)調(diào)的是安全問題。在那些危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境如礦井、核電廠、鋼材加工廠中，可以使用該系統(tǒng)進(jìn)行過程監(jiān)控實(shí)施安全檢查。在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上，利用該系統(tǒng)可以大大改善工廠的運(yùn)作條件，大幅度降低檢查設(shè)備的成本。同時(shí)，由于可以提前發(fā)現(xiàn)問題，能夠減少因生產(chǎn)事故帶來的損失，促進(jìn)生產(chǎn)的順利進(jìn)行，縮短設(shè)備停機(jī)時(shí)間，提高效率，并延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間。

結(jié)語

仿真結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以在隧道、煤礦等環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合很好地實(shí)現(xiàn)語音和圖像的實(shí)時(shí)無線傳輸，工作可靠、性能齊全，總體性價(jià)比較高，有著廣泛的應(yīng)用前景。其還可適用于工廠、銀行、超市、監(jiān)獄、酒店、商場(chǎng)等領(lǐng)域，具有一定的推廣價(jià)值。