基于ZigBee技術的智能盲杖設計

周若倫 李卓倫 王佳偉 尹杰 楊旺春

摘 要：為了解決復雜場景下交通燈信號的采集、辨識困難等問題，并能實現對交通燈信號的實時獲取，提出了一種基于ZigBee技術的智能盲杖設計。利用CC2530芯片和外圍接口搭建系統(tǒng)硬件，使用Z-Stack協(xié)議棧編制系統(tǒng)底層軟件。

關鍵詞：智能盲杖;ZigBee技術;Z-Stack協(xié)議棧;語音轉換模塊

城市交叉口是道路交通系統(tǒng)的重要組成部分，也是目前城市交通態(tài)勢最為復雜、交通事故頻發(fā)的區(qū)域。為此，本文提出基于ZigBee無線通信技術將交通燈信號的視覺信息傳給導盲杖，使其能及時獲取交通控制信號，從而有效幫助盲人提高道路通行能力、減少交通事故的發(fā)生。

1 總體結構及工作原理

基于ZigBee技術的智能導盲手杖，是信號燈控制系統(tǒng)與智能手杖支持系統(tǒng)的有機結合，它可以實現將視覺交通信號信息向盲人語音傳輸的功能，該系統(tǒng)由交通信號燈控制器、ZigBee無線通信網絡和語音轉換模塊組成。

ZigBee模塊A與ZigBee模塊B主要由CC2530芯片組成。ZigBee模塊A與交通燈信號控制器安裝在路口交通設備中，ZigBee模塊B與語音轉換模塊在智能盲杖內部安裝。ZigBee模塊A中的CC2530芯片上的串口與交通燈信號控制器相連，獲取交通燈信號。ZigBee模塊A與ZigBee模塊B構成無線通信網絡，負責交通燈信號的實時傳輸。當智能盲杖進入交通信號發(fā)射半徑內時，智能盲杖上的ZigBee模塊B會自動作為終端節(jié)點加入到該網絡中，并實時獲取路口交通信號燈的狀態(tài)。這樣就可以使智能盲杖對前方路口交通信號的獲取，而不受天氣和其他外界環(huán)境的限制。

2 軟件設計

（1）Z-Stack系統(tǒng)。ZigBee協(xié)議棧建立在IEEE802.15.4的物理層（PHY）和介質接入控制子層（MAC）規(guī)范之上，實現了網絡層和應用層，在應用層內提供了應用支持子層（APS）和ZigBee設備對象（ZDO），應用框架中則加入了自定義的應用對象。具有Z-StackTM協(xié)議棧系統(tǒng)的CC2530設備上電之后會自動形成或加入網絡。其中作為協(xié)調器、終端路由設備的ZigBee模塊內均移植了Z-StackTM協(xié)議棧。Z-StackTM協(xié)議棧采用小型OS操作系統(tǒng)的思想構建，基于事件輪詢機制。當各層初始化之后，系統(tǒng)便可以判斷優(yōu)先級，逐次處理事件。

在對Z-StackTM協(xié)議棧移植的過程中，首先通過函數MT_UartInit（）; MT_UartInit（）; MT_UartRegisterTaskID（task_id）; 對串口部分進行初始化。然后在協(xié)議棧的無線數據處理部分添加將無線信號轉換為串口信號的處理函數。在實際應用中，還需要在數據處理部分添加相應的信號分類和處理等內容。

（2）軟件實現。發(fā)射端的模塊主要作為協(xié)調器來使用，協(xié)調器節(jié)點主要有兩個任務：一是負責建立新網絡并允許其它節(jié)點加入到該網絡中;二是能夠發(fā)送交通燈信號的數據信息。網絡建立成功后，LCD上會顯示該節(jié)點配置為協(xié)調器，然后協(xié)調器會自動進入允許綁定模式，來響應終端節(jié)點的綁定請求。這部分的軟件實現主要包括設備的初始化、協(xié)調器組網、節(jié)點加入網絡、數據信息的處理和發(fā)送等。

工作在路由器模式的終端節(jié)點會自動搜尋附近的網絡并申請加入。終端節(jié)點通過ZDO_StarDevice（）函數自動加入網絡，由zb_BindDevice（）發(fā)出綁定請求，如果沒有發(fā)現網絡或父節(jié)點沒有應答，終端節(jié)點會移除本次綁定，重新進行發(fā)現網絡和綁定過程。

3 硬件設計

3.1 ZigBee模塊

基于ZigBee技術的導盲手杖中與交通信號燈控制器相連的ZigBee模塊A和智能盲杖ZigBee模塊B都采用了遵循2.4GHz IEEE802.15.4標準的CC2530芯片[1]，同時集成了8051內核，TI公司提供的Z-StackTM協(xié)議棧，一個高性能的RF收發(fā)器，內置8KB的RAM和256KB閃存，2個USART、8位和16位定時器、8路輸入可配置的12位ADC、21個GPIO、AES128協(xié)同處理器等。它具有硬件設計簡單、自組織、功耗低、魯棒性好等優(yōu)點[2-3]，能較好的滿足低功耗系統(tǒng)的要求。

3.2 發(fā)射端設計

發(fā)射端ZigBee協(xié)調器采用標準串口協(xié)議與交通信號燈控制器相連，電源模塊通過電壓轉換模塊為節(jié)點提供3.3v的電壓，LCD主要用來顯示節(jié)點狀態(tài)，LED則用來指示網絡的連接情況。

3.3 接收端設計

接收端作為終端節(jié)點，電源模塊從盲杖電源竊電。語音轉換模塊以ATmega128L單片機為核心，輔以放大電路與濾波電路實現。AVR系列的ATmega128L單片機具有先進的RISC架構，單指令周期和豐富的外設，可以輕易地滿足設計需求。放大電路與濾波器電路的放大器選用LMV324。

4 硬件測試

根據上一部分的理論分析，用圖1所示的CC2530系統(tǒng)板對接近路口交通燈，并自動加入路口的ZigBee信號網絡，接收交通信號信息的情景進行模擬。模擬測試中，用其中一塊CC2530系統(tǒng)板作為協(xié)調器，模擬路口交通燈信號發(fā)射基站。另一塊作為路由器，模擬智能盲杖搭載的信號接收模塊。

5 結語

本文設計了基于CC2530的智能盲杖實現的基本原理及硬、軟件開發(fā)流程，并對系統(tǒng)進行了測試。測試結果表明：該設計可以對復雜環(huán)境下多類型交通信號燈進行辨識，實現交通燈信號的實時傳輸，自動識別，且不受地域、時域的影響。這種新技術具有外界環(huán)境影響小，辨識精度高等特點。

參考文獻：

[1]任秀麗，于海斌.ZigBee無線通信協(xié)議實現技術的研究[J].計算機工程與應用，2007，43（06）：143-145.

[2]包長春，李志紅，張立山，等.基于ZigBee技術的糧庫監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].農業(yè)工程學報，2009，25（09）：197-201.

[3]Vuran M C，Akyildiz I F，Al-Dhelaan A M. Channel model and analysis for wireless underground sensor networks in soil medium[J].Physical Communication，2010，3（04）：245-254.

作者簡介：周若倫（2001-），女，遼寧阜新人，本科，主要研究方向：主動安全。