城市小区无线访客监测系统

李雪巍 孟林勤

摘要：在ZigBee无线传感器网络的基础上，设计了城市小区无线访客监测系统，分为监测访客出入的底层传感器模块，底层传感器与协调器之間传送数据的无线传输模块以及显示和记录访客来访记录的上位机数据处理模块。访客监测模块能实时监测到人员的出入情况，由红外传感器、底层数据处理中心STM32单片机以及CC2530模块构成，将得到的访客记录通过协调器节点组建的网络发送到上位机中基于LabVIEW的访客监测中心，实时显示访客进出信息。无线访客监测系统将软件系统与硬件电路相结合，实现了小区实时监测，便于小区统一管理，能够提高小区的安全性以及记录效率。

关键词：访客监测;STM32单片机;ZigBee;LabVIEW;CC2530

中图分类号：TP311        文献标识码：A        文章编号：1009-3044（2019）02-0239-03

1 引言

安全管理在生活中有着越来越重要的位置，在人群出入较为频繁的地方比如城市居民小区等，对于出入人员的记录变得尤为重要。而传统的人员值班模式以及人工记录访客的方式与目前高效率工作需求有着较大的差距。ZigBee技术的发展使得其在远程访客监测方面有着较为广泛的应用。因此本文在从小区的整体构造进行分析后，采用了结合底层传感器模块、无线数据传输模块以及上位机访客记录处理模块的方法，完成了小区无线访客监测系统的设计。该系统能够监测人员进出时间并将出入记录发送给上位机访客记录处理模块，以便管理人员监管。将物联网技术运用在访客监测系统上对于满足高效率和智能化的需求有着重要意义。

针对上述情况，本文从有效性、准确性等方面进行分析，无线访客系统应满足如下的要求：

1） 监测节点较小，在出入口设立监测节点不能影响人员的正常出入，应体积较小。

2） 要求传感器能适应户外环境在小区门口等户外场，所以可能要经常遭受到雨淋、高温、严寒、暴晒等户外环境的影响。

3） 监测传感器的监测距离应控制在1m以内，以防止其他路人或者动物的干扰。数据接收点应在目标节点较近的地方，对于一些突发性事件可以及时得到解决。

2 系统整体设计

通过对于整体结构的综合考虑，城市小区无线访客监测系统的具体实现的结构图如图1所示。无线访客检测系统主要由三个方面构成：底层传感模块、数据传输模块、上位机LabVIEW数据处理模块。底层传感器模块主要负责检测数据并通过布设在不同监测地段的访客监测电路可以监测到访客的进出状态，并把访客信息通过ZigBee发送端电路以广播的方式发布到组建的网络中。协调器节点在收到访客记录数据后通过串口转USB电路将访客记录数据传送给上位机访客监测中心进行访客记录数据处理，访客监测中心读取串口发来的访客记录数据并进行数据处理和显示，可以直观地看到访客进出的记录。

本文中ZigBee网络选择的是TI公司的CC2530单片机，TI公司的该款芯片提供了比较完整的ZigBee系统解决方案[1]。优点是其拥有Z-Stack协议栈，用户只需修改应用层程序即可，能够十分便捷的组建Zigbee网络，可以实现多个点的访客监测;CC2530还拥有多个串口，访客监测电路采集到的数据可以通过串口发送到CC2530单片机，实现访客监测电路、上位数据处理程序与ZigBee网络的对接。

2.1协调器节点

ZigBee协调器节点的硬件构成是：CC2530 无线收发模块和串口电路。Zigbee的协调器模块主要负责建立Zigbee网络以及接收由Zigbee的路由器发来数据，上位机通过串口电路与ZigBee协调器模块连接并通过串口调试软件SSCOM32读取信息并进行数据处理和显示[2]。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[3]。PL2303在本文中主要实现与下位机的各种接口对接，帮助协调ZigBee模块采集访客数据，ZigBee协调器模块在接收到访客记录数据后通过PL2303串口电路将访客记录数据发送给上位机。

2.2 传感器节点

本文中传感器模块是由数据传输CC2530模块、底层核心模块STM32单片机以及监测访客的红外传感器构成。底层核心模块STM32单片机是传感器节点的主控芯片，负责接收监测访客的红外传感器发送来的访客信息以及对访客信息进行处理。底层处理访客信息的STM32单片机通过引脚PA9，PA10与CC2530模块连接的TXD以及RXD引脚相连，将采集到的访客记录数据传送给CC2530模块。CC2530模块将访客记录数据发送给协调器节点。图2为传感器节点的硬件连接框图。

2.3 底层传感器模块

2.3.1 STM32单片机模块

本系统的处理底层传感器模块访客记录数据的核心芯片是STM32。 STM32单片机最小系统由滤波电路，晶振电路和复位电路组成，在最小系统中还包含三个8M晶振和三个32M晶振共同工作，六个滤波电容可以有效地减小电源纹波对系统造成的干扰，STM32F103单片机最小系统原理图如图3所示[4]。

2.3.2 串口通信电路

采用CH340G作为USB转TTL的核心芯片，实现ISP下载和串口通信。本设计中串口1有ISP下载接口和串口通信两个功能，需要手动给设置输入/输出模式，STM32串口设置模式表如表1[5]。在小区无线访客监测系统中将CC2530模块的TXD引脚和RXD引脚分别与STM32单片机的PA9，PA10连接到一起。

2.3.3 传感器电路

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5V电压即可工作，接收端提供5V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。根据传感器特性将单片机PC2，PC3引脚设置为上拉输入I/O，与此同时将外部中断触发方式设置为下降沿触发。传感器模块原理图如图4所示。

3 软件设计

3.1 节点软件设计

ZigBee发送端程序主要由两部分組成，首先是和STM32单片机的串行通信部分，在软件设计之前首先要配置协议栈的串口参数，例如波特率、数据位、奇偶校验位等，本设计波特率均设置为115200，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，将串行通行收到的数据，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。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，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[6]。节点软件流程图如图5所示。

3.2 上位机软件设计

上位机数据处理部分基于LabVIEW完成程序设计，通过调用VISA接口模块来读取数据。首先配置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[7]。程序运行之后，通过VISA Read控制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（本设计将传感器进行数字标记，比如将传感器1号设为为“1”，将传感器2号设为“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。无线访客系统上位机数据处理模块后台程序框图如图6所示。

4 系统测试与分析

无线访客监测电路中STM32的PC2和PC3分别作为两路传感器的信号线接入引脚，当光束被物体遮挡时，STM32触发中断，并通过串口发送传感器标志数据。在串口调试软件SSCOM32中，选择串口COM2，将波特率设为115200，点击打开串口调试助手，就可以看到串口发出的数据[8]。无线传输模块的软件主要为ZigBee部分，ZigBee部分程序设计主要是在应用程序进行编程使得硬件部分呈现出相应的功能[9]。ZigBee组网以及访客记录读取串口模块按以下步骤进行调试：1）给底层传感器模块CC2530上电以及协调器节点的CC2530模块中写入相关程序，两个模块会根据ZigBee协议自动组建ZigBee网络;2）查询ZigBee协调器节点是否组网成功以及传感器节点是否加入网络;3）操作串口调试软件SSCOM32进行数据的发送与接收的调试。上位机无线访客记录处理中心能够显示访客记录说明成功。

LabVIEW用来接收ZigBee发送来的数据信息，并将数据信息进行拆分，根据有用数据信息判断出人员的进出状态。当有访客到访或离开时，上位机界面能够记录访客当前的状态，并且将数据写入文件之中。图7为上位机访客监测中心界面。

5 结论

本文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，设计了一款上位机显示程序，将访客信息集中起来进行管理。对城市小区管理、物业安全、访客监测智能化、节约人力成本等起到了一定作用。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，具有实用价值和应用前景。

参考文献：

[1]Jian Song. Measurement and Control System Based on Wireless Senor Network for Granary[J]. Physics Procedia，2012，24.

[2]俞仁来，谭明皓.基于 ZigBee 的无线传感器网络路由分析[J].通信技术，2011（1）：129-131.

[3]胡家华，徐鹏，郑昌雨，等.PL2303单片机串口转USB口实现串行通信[J].单片机与嵌入式系统应用，2013，13（4）：76-77+81.

[4]李易岐. 基于stm32单片机的智能家居系统设计[D].吉林大学，2017.

[5]邢洋，李立伟，张洪伟.基于STM32单片机的CAN总线分析仪的设计[J].青岛大学学报（工程技术版），2013，28（1）：19-21.

[6]张从鹏，赵康康.基于STM32的串口服务器系统开发[J].仪表技术与传感器，2016（1）：73-75.

[7]P.M. Wrobel，M. Bogovac，H. Sghaier et al.LabVIEW interface with Tango control system for a multi-technique X-ray spectrometry IAEA beamline end-station at Elettra Sincrotrone Trieste.Nuclear Inst. and Methods in Physics Research， A，Elsevier B.V，2016.

[8]张从鹏，赵康康.基于STM32的串口服务器系统开发[J].仪表技术与传感器，2016（1）：73-75.

[9]刘文军，樊建席，李春胜，等.基于ZigBee无线传感器网络的智能交通系统设计[J].传感技术学报，2013，26（12）：1747-1751.