无线访客监测系统设计

田维香, 刘忠富, 张 琴, 王明明, 李厚杰

(大连民族大学 信息与通信工程学院， 辽宁 大连 116600)

0 引 言

近年来,随着无线接入技术的需求日益增大，无线通信和无线网络均呈现出指数增加的趋势。无线通信向高速通信方向发展，无线监测系统日益得到广泛的应用,尤其是无线传感器网络越来越受到人们的关注[1]。目前，由于居民住宅呈现愈紧凑、人流愈集中的态势，物业安全管理就显得十分重要。小区、商场、停车场等公共场所依靠传统的人工记录及人员值守的访客管理方式愈发低效耗时，准确性低且造成数据遗漏或丢失，与现代化管理对快捷度、便捷性和安全性的需求相差甚远。本设计监测人员的“进”或“出”状态，同时将状态监测信息无线发送到数据处理中心，实现语音提示和访客记录等功能。开发这种服务质量好、智能化程度高、经济实用的无线访客监测系统，不仅便于统一管理，还能减少人力资源，对环境改善、提高经济效益都有显著的效果。

1 系统方案设计

无线访客监测系统电路由3部分构成：人员进出监测电路、ZigBee数据传输电路、上位机数据处理程序。通过访客监测电路监测访客进出状态， ZigBee发送端电路将访客信息广播发布到组建的网络中，ZigBee接收端从网络中获取访客信息[2]并通过串口发送到上位机PC，PC进行数据处理和显示，实现对访客的无线远程监测。其工作原理为：在门禁两侧各装配一组红外传感器，当有人员经过门禁时，会先后触发传感器1和传感器2。根据触发的先后顺序，可判断出人员的“进”、“出”状态。据此获取访客的访问和离开信息。整体框架如图1所示。

2 系统硬件电路设计

2.1 访客监测电路硬件设计

访客监测电路是访客信息采集端，包括单片机最小系统、电源电路模块、红外传感模块、串口电路模块。单片机模块通过引脚读取红外传感模块的信号，光被遮断时会产生电平跳变，触发外部中断执行中断服务函数[3]，根据不同的触发点，标记并通过串口发送相应的访客信息。由于布设了2路传感器，因此当有人“进”或“出”时2路传感器会分别触发1次，可以根据触发的先后顺序，由程序判断出“进”、“出”状态。最终，得到人员访问或离开的信息。

图1 无线访客系统整体框图

2.1.1 单片机最小系统电路

选择STM32F103RBT6作为核心芯片，最小系统主要由滤波电路、晶振电路和复位电路组成。搭配一个8M晶振和一个32.768晶振，6个滤波电容可以有效地减小电源纹波对系统造成的干扰[4]。

2.1.2 电源电路

STM32F103RBT6芯片需要提供3.3V电源，但市面上大多是5 V的电源适配器，因此需使用NCP1117芯片将5 V的电压转换为3.3 V供STM32F103RBT6单片机使用[5]。本设计既可用圆形插孔供电，也可使用USB供电，方便硬件电路连接。电源电路原理如图2所示。

红外传感器采用对射式光电传感器，E3F-5L作为发射端，E3F-5DN1作为接收端。发送端只需要提供5 V电压即可工作，接收端提供5 V电源，信号线接到单片机的PC2、PC3。接收端是NPN常开型光电传感器，接收端能接受到光束时信号线为高电平，当光束被物体遮挡时，信号线发生电平跳变输出低电平[6]。根据传感器特性将单片机PC2、PC3配置为上拉输入I/O，并且将外部中断触发方式配置为下降沿触发。

图2 电源电路及电压转换模块

2.2 无线传输电路硬件设计

无线传输电路采用2530作为主控芯片，以PL2303芯片作为ZigBee的协调器电路来建立ZigBee网络和接收各个ZigBee终端发来的信息。PL2303与访客监测模块及上位机数据处理程序通过串口来实现通信。

2.2.1 PL2303协调器模块

PL2303是一种高度集成的RS232转USB的接口转换器，提供一个与USB功能接口连接的RS232全双工异步串行通信装置。PL2303在本设计中主要实现与下位机的各种接口对接，帮助协调ZigBee模块需要采集的数据，并且在ZigBee接收模块与上位机实现串行通信[7]。协调器电路原理如图3所示。

图3 PL2303协调器电路图

2.2.2 CC2530应用电路

ZigBee模块主控芯片采用CC2530。CC2530以8051为CPU，拥有8KB RAM。本设计采用CC2530F256，具有256KB闪存。CC2530有多种不同的运行模式，可适应于超低功耗要求的系统。通过运行模式之间的灵活转换，可保证系统在低能源消耗的模式下进行工作。CC2530F256结合ZigBee协议栈，能够轻松满足本设计的功能需求。CC2530电路设计如图4所示。

图4 CC2530电路原理图

3 系统软件设计

3.1 访客监测模块程序设计

监测模块主函数主要进行延时函数初始化、设置中断分组、初始化传感器接口I/O、初始化中断、并一直等待中断到来，当发生中断时，执行中断服务函数。由于光电传感器是NPN常开型，因此将I/O口配置成上拉输入。主程序流程如图5所示。

图5 主程序流程图

3.2 ZigBee部分程序设计

ZigBee发送端程序主要由2部分组成，首先，是与STM32单片机的串行通信部分，需要配置单片机和CC2530的串口参数。例如波特率、数据位、奇偶校验位等。本设计波特率均设置为115 200，相同的串口配置才能实现串行通信。其次，是ZigBee的组网广播部分，将串行通信收到的数据，打包并通过广播的方式发送出去，当接收端接收到广播信息即可实现无线通信。发送端的程序流程如图6所示。ZigBee接收端程序和发送端类似，首先，配置串口参数，需要和上位机VISA串口驱动的串口参数一致。其次，在ZigBee网络中获得发送端广播的信息。最终将收到的信息发送给上位机。接收端的程序流程如图7所示。

3.3 上位机数据处理部分程序设计

上位机数据处理部分基于LabVIEW完成程序设计，设计思路如下：先配置VISA驱动参数，主要用于设置串口的波特率、数据位等参数，和下位机串口参数的配置相同即可[9]。程序运行之后，能连续读取串口的数据。根据下位机发送的字符串结构拆分出传感器的标志数据[10](本设计将传感器1标记为“1”，将传感器2标记为“2”)。将状态标志位进行一定处理即可判断出访客的进出状态。程序流程如图8所示。

图6 ZigBee发送端程序流程图

图7 ZigBee接收端程序流程图

图8 上位机程序流程图

4 结束语

本文设计了一种基于STM32的无线访客检测系统。根据访客监测系统的生活需求，详细阐述了硬件电路的设计思路、各部分电路的功能和具体构成。硬件设计中给出了传感器的功能实现，介绍了各模块电路之间的连接方式，并分别介绍了各部件之间的联系与详细功能。软件设计主要分为3部分：基于STM32的访客监测部分程序设计、ZigBee无线传输部分程序设计和基于LabVIEW的程序设计。根据各部分要实现的功能，给出了软件流程图，并详细阐述了软件的设计思路。本系统总结了目前正在使用的类似系统的优缺点，将访客监测技术和ZigBee技术相结合，并且设计了合适的上位机显示程序，将访客信息集中起来进行管理。对物业安全、访客监测智能化、节约人力成本等起到了重要作用。可以在小区物业管理、商场人流监测、门禁系统等系统中得到广泛的应用，具有较高的实用价值和应用前景。