ZigBee技術語音圖像無線監控系統的設計與實現

在環境比較惡劣，溫度、壓力、濕度、震動、噪聲和電磁等因素時刻都可能發生變化的情況下，利用一般的網絡技術來組建監控系統，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、受環境限制明顯等缺陷，無法全面實時有效地實現安全監控。而隨著微電子技術、數字技術、網絡和通信技術的飛速發展，無線傳感器網絡以其成本低、組網靈活、受地理環境限制少、隱蔽性強、無人值守等優點，逐漸成為監控系統的首選。

在無線傳感器網絡中，低速率短距離的ZigBee技術是無線通信的首選技術之一。本設計以確保安全實時監控為出發點，運用Zigbee技術，以無線傳感器網絡節點為基礎來進行語音和圖像的無線傳輸。

ZigBee技術語音圖像無線監控系統的構成

系統由語音的雙向無線傳輸和圖像的無線傳輸兩部分組成，使工作人員在監控中心便可以方便地監視到一些環境比較惡劣的場合，及時處理各種運營事故，確保運營安全。
1 ZigBee技術實現語音無線傳輸

① 語音無線傳輸系統總體結構
語音的無線傳輸以嵌入式微處理器和射頻收發模塊為核心，輔以外部的放大器、濾波電路、音頻編解碼器來實現，總體結構如圖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、處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據，協調與其他節點之間的通信；射頻收發模塊負責與其他節點進行無線通信，交換控制信息，完成數據的接收和發送；功率放大器對解碼和D/A轉換后的模擬語音信號進行放大，恢復成原來的數據信號后由揚聲器輸出。

② 語音無線傳輸系統器件選擇

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數據存儲器總線和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轉換。

射頻收發模塊選用符合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轉換器。

音頻編解碼器選用TI公司生產的TLV320AIC23。其內核數字供電電壓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換芯片；內置耳機放大器，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節；TLV320AIC23的A/D轉換和D/A轉換部件集成在芯片內部，采用先進的sigma-delta過采樣技術，可在8～96kHz的范圍內提供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、電壓增益可調整、電源電壓范圍大、外部元件少和總諧波失真小等優點，在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調為20～200之間的任意值。

③語音無線傳輸系統硬件電路實現

麥克風獲得的語音信號經放大后送入TLV320AIC23的麥克風輸入端（MICIN），經A/D轉換和音頻編碼，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模塊的異步串行接口，經載波信號進行調制，由發射天線向外發送。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，一路為可調輸出1.2～    9.75V。

2  ZigBee技術實現圖像無線傳輸

圖像的無線傳輸以射頻收發模塊為核心，輔以外部的攝像頭、電平轉換芯片來實現，總體硬件結構如圖4所示。

圖5 數據發送和接收流程圖

從攝像頭輸出的圖像數據已經得到了較好的壓縮，速率為幾十kb/s，所以本系統使用RS-232串行口進行通信。由于RS-232串口的電平較高，必須經過MAX3232電平轉換后再送至射頻收發模塊的異步串口上，經調制發送出去。接收端射頻收發模塊直接通過USB口插在上位機上，實現與上位機通信并對節點供電。
由于攝像頭的供電電壓為12V，射頻收發模塊的供電電壓為2.7～3.6V，所以本系統使用12V和3.3V兩組電源供電。

系統軟件設計

在系統軟件設計時，節點采用串口通信模式，利用中斷的方法完成數據的接收和發送。數據的傳送采用主從節點方式，利用USB接口實現與PC通信。要發送的數據按照Zigbee協議規定的最大幀長度打包，加上網絡層、媒質訪問控制層和物理層的幀頭，將數據通過SPI總線，按用戶要求發送到接收端的射頻收發模塊。當從節點向主節點發送中斷請求時，自動轉入中斷服務子程序實現接收信息包和數據處理。本系統數據的發送和接收流程如圖5所示。

圖6 圖像無線傳輸仿真結果

仿真結果及在工業控制中應用

在監控端采用Java編寫的監控管理軟件，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節，向無線傳感器網絡發送監控命令，接收傳感數據信息，實現圖像數據的處理、接收、存儲和顯示等，將來自無線傳感器網絡的大量感知數據，以直觀的方式呈現給工作人員。仿真結果如圖6所示。
隨著社會的進步和發展，在工業生產過程中首要強調的是安全問題。在那些危險的工業環境如礦井、核電廠、鋼材加工廠中，可以使用該系統進行過程監控實施安全檢查。在工業自動化生產線上，利用該系統可以大大改善工廠的運作條件，大幅度降低檢查設備的成本。同時，由于可以提前發現問題，能夠減少因生產事故帶來的損失，促進生產的順利進行，縮短設備停機時間，提高效率，并延長設備的使用時間。

結語

仿真結果顯示，該系統可以在隧道、煤礦等環境比較惡劣的場合很好地實現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，有著廣泛的應用前景。其還可適用于工廠、銀行、超市、監獄、酒店、商場等領域，具有一定的推廣價值。