ZigBee語(yǔ)音圖像無(wú)線(xiàn)監控系統的設計實(shí)現

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(lái)組建監控系統，可能會(huì )因為實(shí)時(shí)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(wú)法全面實(shí)時(shí)有效地實(shí)現安全監控。而隨著(zhù)微電子技術(shù)、數字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)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(wú)人值守等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為監控系統的首選。

在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，低速率短距離的ZigBee技術(shù)是無(wú)線(xiàn)通信的首選技術(shù)之一。本設計以確保安全實(shí)時(shí)監控為出發(fā)點(diǎn)，運用Zigbee技術(shù)，以無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)為基礎來(lái)進(jìn)行語(yǔ)音和圖像的無(wú)線(xiàn)傳輸。

ZigBee技術(shù)語(yǔ)音圖像無(wú)線(xiàn)監控系統的構成

系統由語(yǔ)音的雙向無(wú)線(xiàn)傳輸和圖像的無(wú)線(xiàn)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(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合，及時(shí)處理各種運營(yíng)事故，確保運營(yíng)安全。
1 ZigBee技術(shù)實(shí)現語(yǔ)音無(wú)線(xiàn)傳輸

① 語(yǔ)音無(wú)線(xiàn)傳輸系統總體結構
語(yǔ)音的無(wú)線(xiàn)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(lái)實(shí)現，總體結構如圖1所示。

圖1 語(yǔ)音無(wú)線(xiàn)傳輸總體框圖

運算放大器負責對麥克風(fēng)接收到的語(yǔ)音信號進(jìn)行放大和消除部分干擾；音頻編解碼器完成對語(yǔ)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(diǎn)發(fā)來(lái)的數據，協(xié)調與其他節點(diǎn)之間的通信；射頻收發(fā)模塊負責與其他節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，交換控制信息，完成數據的接收和發(fā)送；功率放大器對解碼和D/A轉換后的模擬語(yǔ)音信號進(jìn)行放大，恢復成原來(lái)的數據信號后由揚聲器輸出。

② 語(yǔ)音無(wú)線(xiàn)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(diǎn)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(xiàn)和1條程序存儲器總線(xiàn)；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(zhuān)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(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，可對語(yǔ)音進(jìn)行A/D和D/A轉換。

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(wú)線(xiàn)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(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轉換器。

音頻編解碼器選用TI公司生產(chǎn)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(xiàn)路輸入和麥克風(fēng)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(jìn)的sigma-delta過(guò)采樣技術(shù)，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(yōu)點(diǎn)，在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調為20～200之間的任意值。

③語(yǔ)音無(wú)線(xiàn)傳輸系統硬件電路實(shí)現

麥克風(fēng)獲得的語(yǔ)音信號經(jīng)放大后送入TLV320AIC23的麥克風(fēng)輸入端（MICIN），經(jīng)A/D轉換和音頻編碼，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(jìn)行調制，由發(fā)射天線(xiàn)向外發(fā)送。接收過(guò)程與上述過(guò)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(jiàn)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(shù)實(shí)現圖像無(wú)線(xiàn)傳輸

圖像的無(wú)線(xiàn)傳輸以射頻收發(fā)模塊為核心，輔以外部的攝像頭、電平轉換芯片來(lái)實(shí)現，總體硬件結構如圖4所示。

圖5 數據發(fā)送和接收流程圖

從攝像頭輸出的圖像數據已經(jīng)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(jìn)行通信。由于RS-232串口的電平較高，必須經(jīng)過(guò)MAX3232電平轉換后再送至射頻收發(fā)模塊的異步串口上，經(jīng)調制發(fā)送出去。接收端射頻收發(fā)模塊直接通過(guò)USB口插在上位機上，實(shí)現與上位機通信并對節點(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(shí)，節點(diǎn)采用串口通信模式，利用中斷的方法完成數據的接收和發(fā)送。數據的傳送采用主從節點(diǎn)方式，利用USB接口實(shí)現與PC通信。要發(fā)送的數據按照Z(yǔ)igbee協(xié)議規定的最大幀長(cháng)度打包，加上網(wǎng)絡(luò )層、媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層和物理層的幀頭，將數據通過(guò)SPI總線(xiàn)，按用戶(hù)要求發(fā)送到接收端的射頻收發(fā)模塊。當從節點(diǎn)向主節點(diǎn)發(fā)送中斷請求時(shí)，自動(dòng)轉入中斷服務(wù)子程序實(shí)現接收信息包和數據處理。本系統數據的發(fā)送和接收流程如圖5所示。

圖6 圖像無(wú)線(xiàn)傳輸仿真結果

仿真結果及在工業(yè)控制中應用

在監控端采用Java編寫(xiě)的監控管理軟件，通過(guò)串口、波特率、延時(shí)時(shí)間、紅外燈、圖片尺寸、圖像傳輸時(shí)間等方面調節，向無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )發(fā)送監控命令，接收傳感數據信息，實(shí)現圖像數據的處理、接收、存儲和顯示等，將來(lái)自無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的大量感知數據，以直觀(guān)的方式呈現給工作人員。仿真結果如圖6所示。

隨著(zhù)社會(huì )的進(jìn)步和發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中首要強調的是安全問(wèn)題。在那些危險的工業(yè)環(huán)境如礦井、核電廠(chǎng)、鋼材加工廠(chǎng)中，可以使用該系統進(jìn)行過(guò)程監控實(shí)施安全檢查。在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上，利用該系統可以大大改善工廠(chǎng)的運作條件，大幅度降低檢查設備的成本。同時(shí)，由于可以提前發(fā)現問(wèn)題，能夠減少因生產(chǎn)事故帶來(lái)的損失，促進(jìn)生產(chǎn)的順利進(jìn)行，縮短設備停機時(shí)間，提高效率，并延長(cháng)設備的使用時(shí)間。

結語(yǔ)

仿真結果顯示，該系統可以在隧道、煤礦等環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合很好地實(shí)現語(yǔ)音和圖像的實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)傳輸，工作可靠、性能齊全，總體性?xún)r(jià)比較高，有著(zhù)廣泛的應用前景。其還可適用于工廠(chǎng)、銀行、超市、監獄、酒店、商場(chǎng)等領(lǐng)域，具有一定的推廣價(jià)值。