基于ZigBee技術(shù)的兒童追蹤器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉如冰 魯久玲 王莉 廖文昭 吳望龍

摘要：ZigBee技術(shù)是一種用于無線設(shè)備之間的，借助無線通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)短距離無線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送的通信方式。隨著我國人民的生活水平逐步提高，社會越來越關(guān)注和重視有關(guān)兒童安全的問題。本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的兒童追蹤器，它采用GPS定位技術(shù)和ZigBee無線通信技術(shù)，以達(dá)到在PC機(jī)上對兒童定位實(shí)時追蹤的功能。在本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)中，ZigBee終端拓展的定位模塊用于對兒童所在位置進(jìn)行定位數(shù)據(jù)的采集，并借助傳輸節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位信息到PC端的上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有低功耗、電路簡單等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：兒童追蹤器;ZigBee;定位;低功耗

中圖分類號：TN919? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）13-0231-04

1引言

隨著時代的發(fā)展，市面上運(yùn)用的通信方式大多是有線通信方式，但是有線通信方式價格昂貴，且不利于兒童追蹤，故本文采用無線通信的方式，無線通信的方式不用考慮地理環(huán)境對信息傳輸?shù)挠绊?，可以隨時實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的采集。目前運(yùn)用最多的無線通信技術(shù)有：ZigBee、Wi-Fi和藍(lán)牙技術(shù)等。而本文采用了GPS定位模塊和ZigBee無線通信技術(shù)。該設(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)的有線通信方式，它具有簡單和便攜的優(yōu)勢，且ZigBee技術(shù)的發(fā)展前景廣泛，在短距離低功耗信息傳輸方面的運(yùn)用已趨于主流。

2總體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用了9V電池供電，ASM1117-3.3穩(wěn)壓，為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)供電，使用ZigBee組建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送與接收，使用了以CC2530芯片為核心板的ZigBee終端模塊和ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，還使用了ATGM336H-5N定位模塊，該定位模塊可以選用北斗+GPS定位雙模模式對ZigBee終端進(jìn)行定位。

2.1電源模塊電路設(shè)計(jì)

電源模塊由電池、電池盒、穩(wěn)壓器組成，本文中選擇的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)所需的電壓是3.3V的電壓，因此可以選擇9V的電池和與此配套的電池盒，穩(wěn)壓器選擇市面上常用的電壓轉(zhuǎn)換模塊，該模塊的核心芯片為ASM1117-3.3，通過ASM1117-3.3將9V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓，以供電給采集節(jié)點(diǎn)。PC端就采用民用220V電壓供電。表1為電壓轉(zhuǎn)換模塊引腳描述。

2.2 ZigBee終端模塊設(shè)計(jì)

本文中，ZigBee終端的作用是連接定位模塊并加入由ZigBee協(xié)調(diào)器組建的組網(wǎng)中以進(jìn)行無線通信，該模塊的核心是CC2530芯片，其P0、P1、P2組引腳有通用IO口的作用，其中P2口只有5個IO口。在ZigBee終端模塊中，核心板CC2530的P0_2和P0_3引腳被設(shè)置為RX和TX功能，分別用杜邦線連接定位模塊的TX和RX端口，VCC和GND引腳為電源接入端口和信號地端口，分別用杜邦線接電源的電壓輸出端口和電源的信號地。表2為ZigBee終端模塊與電源模塊的接口說明。

2.3 定位模塊電路設(shè)計(jì)

本文的定位模塊用的是GPS+北斗定位系統(tǒng)，GPS+北斗定位模塊采用的是ATGM336H-5N雙模定位模塊。該模塊電路用于對隨身攜帶ZigBee終端模塊的兒童進(jìn)行定位，該模塊引腳描述如表3所示，定位模塊的TX口連接ZigBee模塊的RX端口，定位模塊的RX端口連接ZigBee模塊的TX端口。

2.4 ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器的作用是組建和維護(hù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，并接收ZigBee終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送給上位機(jī)[1]，其通信方式是串行通信，該模塊與ZigBee終端模塊電路大致相同，都是以CC2530芯片為核心，但在本文中ZigBee協(xié)調(diào)器模塊通過數(shù)據(jù)線直接與電腦相連，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和為ZigBee協(xié)調(diào)器模塊供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

本文是基于ZigBee技術(shù)的兒童追蹤器的設(shè)計(jì)，其軟件部分是ZigBee的程序編寫，需在IAR編譯環(huán)境下，利用Z-stack協(xié)議棧，用C語言采取模塊化的方法編寫程序，即將本文的軟件部分，分解成幾個簡單的功能模塊，然后對這些簡單的模塊進(jìn)行程序的編寫，然后再將這些編寫好的簡單模塊組裝成本文所需的系統(tǒng)。所有編寫好的軟件程序都要在IAR開發(fā)環(huán)境中編譯通過。其中ZigBee協(xié)調(diào)器以及ZigBee終端的功能可以借助ZigBee的協(xié)議棧編程實(shí)現(xiàn)，協(xié)議棧是ZigBee供應(yīng)商將各層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以函數(shù)的形式整合而成的集合，用戶只需對協(xié)議棧的應(yīng)用層進(jìn)行編程就可以完成ZigBee終端和協(xié)調(diào)器的功能。

3.1 Z-stack協(xié)議棧工作

Z-stack協(xié)議棧的工作流程如圖2所示。在本文中，需要借助協(xié)議棧完成對ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee終端功能的設(shè)置，然后在協(xié)議棧的應(yīng)用層分別對ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee終端所需完成的功能進(jìn)行程序編寫。對于每個Z-stack協(xié)議棧來講，Z-stack協(xié)議棧由主函數(shù)main（）函數(shù)開始執(zhí)行，而在main（）函數(shù)中協(xié)議棧只做了兩件事，其中之一是系統(tǒng)初始化，另一件是開始執(zhí)行輪訓(xùn)查詢式操作系統(tǒng)。系統(tǒng)初始化除了協(xié)議棧自帶的各種初始化，用戶可根據(jù)自身應(yīng)用的情況添加初始化函數(shù)。執(zhí)行輪訓(xùn)查詢式操作系統(tǒng)的目的是：按照優(yōu)先級處理各個事件，防止優(yōu)先級錯亂以及漏掉未處理的事件，且當(dāng)程序運(yùn)行至執(zhí)行操作系統(tǒng)時，一旦進(jìn)入執(zhí)行操作系統(tǒng)函數(shù)，程序?qū)⒉粫俜祷刂骱瘮?shù)main（）。

3.2 ZigBee協(xié)調(diào)器模塊

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備類型有協(xié)調(diào)器：協(xié)調(diào)器有組建網(wǎng)絡(luò)的功能，且ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中有且僅有一個協(xié)調(diào)器;還有路由器和終端這兩種類型。協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)的功能只體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)建立階段，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組建完成，協(xié)調(diào)器功能便如路由器一般。設(shè)備類型由協(xié)議棧中f8wCoord.cfg定義，具體操作是在IAR編譯環(huán)境的workspace下選擇不同功能的選項(xiàng)卡，如：coordinatorEB、EndDeviceEB、EndDeviceEB-Pro等選項(xiàng)卡。

在本文中，ZigBee協(xié)調(diào)器的功能除了建立網(wǎng)絡(luò)，還有接收ZigBee終端發(fā)送出的定位信息，當(dāng)有ZigBee終端成功入網(wǎng)后，協(xié)調(diào)器會通過無線網(wǎng)絡(luò)接收終端發(fā)來的定位信息[2]，并將該定位信息放入定位信息解析函數(shù)中，當(dāng)定位信息解析完成后將解析完成的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機(jī)。圖3為ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程圖。

3.3 ZigBee終端程序

本文中終端的作用是采集定位模塊的定位信息，以及將采集到的定位信息發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，總而言之，終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)定位信息的采集和發(fā)送[3]。ZigBee終端的具體工作流程為：ZigBee終端初始化并加入網(wǎng)絡(luò)后，開始等待對定位模塊配置的事件發(fā)生，事件發(fā)生后對定位模塊進(jìn)行配置，配置完成后ZigBee終端開始采集數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。圖4為ZigBee終端程序的流程圖。

3.4 定位信息解析函數(shù)

本文中定位模塊輸出的是最簡定位信息，最簡定位信息中包含有維度、維度方向、經(jīng)度、經(jīng)度方向等信息，這些信息都以逗號隔開。在最簡定位信息中對本文有用的數(shù)據(jù)是：經(jīng)緯度以及維度方向和經(jīng)度方向，因此解析函數(shù)的作用是解析出經(jīng)緯度、維度方向和經(jīng)度方向。

以定位模式為雙模為例，最簡定位信息以$GNRMC即消息ID開頭，因此解析函數(shù)首先判斷接收的數(shù)據(jù)是否以GNRMC開頭。在以GNRMC開頭的條件下，本文所需的緯度數(shù)據(jù)在最簡定位信息的第三個逗號和第四個逗號之間，緯度方向在第四個逗號和第五個逗號之間，經(jīng)度數(shù)據(jù)在第五個逗號和第六個逗號之間，經(jīng)度方向在第六個逗號和第七個逗號之間;因此，解析出所需的數(shù)據(jù)可以用查找逗號位置的方式，以GNRMC為基準(zhǔn)找到相應(yīng)的逗號位置，提取出信息;經(jīng)緯度信息提取出后通過運(yùn)算將數(shù)據(jù)換算成所需的格式，以方便定位。圖5為定位信息解析函數(shù)流程圖。

4 系統(tǒng)仿真與調(diào)試

4.1 軟件環(huán)境

本文完成的是基于ZigBee技術(shù)的兒童追蹤器的設(shè)計(jì)，其中軟件部分主要是ZigBee程序。因此為了檢驗(yàn)完整的系統(tǒng)功能，需對上述軟件部分進(jìn)行調(diào)試。軟件調(diào)試是在IAR編譯環(huán)境下完成的。

4.2 硬件連接

在數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)即ZigBee終端模塊及定位模塊中，ZigBee終端模塊需要接入天線，并且按照硬件電路的要求，定位模塊的輸入輸出端口與ZigBee終端的對應(yīng)引腳相連;ZigBee終端模塊和定位模塊的電源和地與電源電路的電源和地相連;兩者的連接方法都是采用杜邦線連接兩個模塊，因?yàn)榻K端和定位模塊的通信方式是串口通信，因此需將兩個模塊的地相連接，使串口通信時穩(wěn)定。在傳輸節(jié)點(diǎn)即ZigBee協(xié)調(diào)器中，ZigBee協(xié)調(diào)器使用USB數(shù)據(jù)線與電腦USB口相連，用以ZigBee協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。

4.3 系統(tǒng)調(diào)試

4.3.1不同定位模式在室內(nèi)外測試結(jié)果的分析及對比

在系統(tǒng)調(diào)試的過程中，分別測試了在GPS定位模式、BD定位模式以及在GPS+BD定位模式下的定位情況，并在室內(nèi)和室外分別進(jìn)行了定位，在這種情況下定位的對比結(jié)果如表4所示。當(dāng)定位模塊位于室內(nèi)時，由于建筑物的遮擋，定位模塊無法定位，只有增強(qiáng)定位模塊接收信號的能力以及將定位模塊放置遮擋物較少的地方時，才能在室內(nèi)接收到定位信息，但是此時的狀態(tài)與在室外定位沒有什么差別。當(dāng)定位模塊位于室外定位時，分別采用三種不同的模式進(jìn)行定位，然后在同一地點(diǎn)定位10次，比較定位信息以及定位時間的均值，由于室內(nèi)無法獲取定位信息，故下表中的定位時間為室外定位時間，可以發(fā)現(xiàn)三種模式下獲取的定位信息差距不大，在地圖上搜索三種模式下的經(jīng)緯度，其中GPS+BD模式的定位最精準(zhǔn)，且GPS+BD定位模式定位相對更快。

4.3.2不同定位模式在晴雨天測試結(jié)果的分析及對比

用三種不同的定位模式分別在晴天和雨天進(jìn)行實(shí)驗(yàn)晴天和雨天時分別在同一地點(diǎn)定位10次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示，其中定位時間為10次定位時間的均值。根據(jù)表格可以看出晴雨天對定位模塊的影響不大，也就是說只要天氣不是在極端的變化的情況下，定位模塊受天氣的影響較小。且三種模式下得到的定位信息都比較準(zhǔn)確，其中在晴天時GPS定位模式下的定位信息最為準(zhǔn)確。

4.3.3無線傳輸距離與定位信息關(guān)系的對比及分析

將zigbee終端按照1米為單位進(jìn)行移動，遠(yuǎn)離zigbee協(xié)調(diào)器，獲取定位信息，并繪制出折線圖，如圖6所示。根據(jù)前面所做實(shí)驗(yàn)以及測試時情況的分析，本文所用定位模塊的三種定位模式獲取的定位信息差距不大，故在無線傳輸距離與定位信息關(guān)系的對比中選用BD+GPS定位模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析。由圖6可知，兩個zigbee之間的最大傳輸距離為15米，當(dāng)傳輸距離超過15米后，協(xié)調(diào)器將接收不到終端發(fā)送的無線數(shù)據(jù)，且在15米的傳輸范圍內(nèi)，經(jīng)緯度變化量較小，定位信息反應(yīng)的具體位置總保持在一個較小范圍內(nèi)。

5總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的兒童追蹤器的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對兒童實(shí)時定位的功能。本文采用了基于zigbee技術(shù)的CC2530芯片，不僅降低了功率消耗，提高了追蹤效率和追蹤能力，方便程序的修改和編寫，為擴(kuò)展功能的實(shí)現(xiàn)提供了軟件上的保證。

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【通聯(lián)編輯：梁書】