ZigBee技術(shù)語音圖像無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

在環(huán)境比較惡劣，溫度、壓力、濕度、震動、噪聲和電磁等因素時刻都可能發(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)，可能會因為實時性不夠強、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，無法全面實時有效地實現(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、無人值守等優(yōu)點，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)計以確保安全實時監(jiān)控為出發(fā)點，運用Zigbee技術(shù)，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為基礎(chǔ)來進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)境比較惡劣的場合，及時處理各種運營事故，確保運營安全。
1 ZigBee技術(shù)實現(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

運算放大器負責對麥克風接收到的語音信號進行放大和消除部分干擾；音頻編解碼器完成對語音信號的A/D、D/A轉(zhuǎn)換和音頻信號的編、解碼；嵌入式微處理器負責存儲、處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)與其他節(jié)點之間的通信；射頻收發(fā)模塊負責與其他節(jié)點進行無線通信，交換控制信息，完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；功率放大器對解碼和D/A轉(zhuǎn)換后的模擬語音信號進行放大，恢復(fù)成原來的數(shù)據(jù)信號后由揚聲器輸出。

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160MIPS；3條16bit數(shù)據(jù)存儲器總線和1條程序存儲器總線；1個40bit桶形移位器和2個40bit累加器；1個17×17乘法器和1個40bit專用加法器；最大8M×16bit的擴展尋址空間，內(nèi)置128K×16bit的RAM和16K×16bit的ROM；3個多通道緩沖串口(McBSP)；配有PCM 3002低功耗單片立體聲音頻編解碼器，可對語音進行A/D和D/A轉(zhuǎn)換。

射頻收發(fā)模塊選用符合IEEE802.15.4標準的IP-Link 1221-2264，該模塊工作在2.4GHz頻段，通信速率可達250kb/s，可提供高效能遠距離聯(lián)機能力，高輸出功率與低信號靈敏度，適用于遠距離及惡劣環(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口負責與PC通信并對節(jié)點供電，外部供電接口支持  2.7～3.6V直流電源供電，同時還有兩個A/D和兩個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)置耳機放大器，支持立體聲線路輸入和麥克風輸入兩種方式，且對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90dB和100dB。

圖2 系統(tǒng)硬件電路

運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，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)硬件電路實現(xiàn)

麥克風獲得的語音信號經(jīng)放大后送入TLV320AIC23的麥克風輸入端（MICIN），經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和音頻編碼，由兩個多通道緩沖串行口McBSP0和McBSP1完成控制和通信。TMS320VC5416的McBSP2擴展成異步串行接口后將信號送至射頻收發(fā)模塊的異步串行接口，經(jīng)載波信號進行調(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口插在上位機上，實現(xiàn)與上位機通信并對節(jié)點供電。
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

在系統(tǒng)軟件設(shè)計時，節(jié)點采用串口通信模式，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)點方式，利用USB接口實現(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。當從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送中斷請求時，自動轉(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、延時時間、紅外燈、圖片尺寸、圖像傳輸時間等方面調(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，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的處理、接收、存儲和顯示等，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。
隨著社會的進步和發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)過程中首要強調(diào)的是安全問題。在那些危險的工業(yè)環(huán)境如礦井、核電廠、鋼材加工廠中，可以使用該系統(tǒng)進行過程監(jiān)控實施安全檢查。在工業(yè)自動化生產(chǎn)線上，利用該系統(tǒng)可以大大改善工廠的運作條件，大幅度降低檢查設(shè)備的成本。同時，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，促進生產(chǎn)的順利進行，縮短設(shè)備停機時間，提高效率，并延長設(shè)備的使用時間。

結(jié)語

仿真結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以在隧道、煤礦等環(huán)境比較惡劣的場合很好地實現(xiàn)語音和圖像的實時無線傳輸，工作可靠、性能齊全，總體性價比較高，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、商場等領(lǐng)域，具有一定的推廣價值。