热释电无线传感网在到课情况自动监测中的应用

1.本文刊载于《南京师大学报（自然科学版）》2011年第34卷教育教学研究，2011年12月30日出版2.南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京210044热释电无线传感网在到课情况自动监测中的应用1李正方2，李敏2，肖遥2[摘要]采用ZigBee无线网络技术及热释电红外传感器技术,以无线射频芯片CC2430为核心设计了学生到课情况自动监测系统,对系统的总体设计、硬件电路和软件设计作了说明。实验结果表明，该系统的通信可靠，节点功耗低，能满足长时间工作的要求。[关键词]无线传感器网络ZigBee技术CC2430热释电红外传感器到课情况监测[中图分类号]TP393[文献标识码]A[文章编号]基金项目：2010年江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目ApplicationofWirelessPyroelectricInfraredSensorNetworksintheNumberofStudentsPresentAutomaticMonitoringSystemLIZheng-fang，LIMin,XIAOYao(DepartmentofElectronicEngineering,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China)Abstract:ZigBeewirelesssensornetworktechnologywasusedtodesignanumberofstudentspresentautomaticmonitoringsystembasedonpyroelectricinfraredsensortechnologyandRFCC2430．Theoveralldesignofthesystem,hardwarecircuitsandsoftwaredesignareintroduced．Theexperimentaltestsshowthat,withtheadvantagesoflow-powernodesandstabilizedcommunicationthissystemmeettherequirementoflongtimecredibleworking．Keywords:wirelesssensornetwork;ZigBee;CC2430;pyroelectricinfraredsensor;numberofstudentspresentautomaticmonitoring0引言“到课率”是学生参与学习状态的综合反映。学生到课率低将直接影响到学校的管理和教学秩序，使人才培养质量堪忧。对学生到课情况的掌握是高等院校日常管理中重要的一环。目前，高校一般采用教师点名、学生答到的办法来抓到课率，但这样会占用不少课堂时间；还有的学校一律刷卡上课，以掌握各班学员的出勤情况[1]，这种方法的缺点是无法保证学生刷卡后还留在教室。针对这一问题，本文提出了利用无线传感器网络和热释电红外传感器对学生到课情况自动监测的方案，使课堂点名自动化、智能化：在需要监测的座位附近放置传感器节点，由传感器实时采集各座位上是否有学生的信息，经处理后通过自组织无线网络将信息传输到讲台上的监控终端,由监控终端对采集的信息进行统一管理分析。若某一学号对应的座位在若干次监测中超过一定次数没人，则系统记录下该学号并判定这个学生缺席。教师通过上位机界面掌握这一情况。1到课情况监测系统原理1.1ZigBee无线传感器网络简介ZigBee是ZigBee技术联盟推出的一种新兴的短距离无线通信技术。物理层和媒体接入层构成该项技术体系结构的底层，它们采用IEEE802.15.4协议标准。ZigBee技术具有低速、低耗电、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、可靠、安全等特点。无线传感器网络（WSN,wirelesssensornetworks）是一种超大规模、无人值守、资源受限的全分布系统。采用多跳对等的通信方式,其网络拓扑动态变化具有自组织、自适应等智能属性[2]。ZigBee无线传感器网络融合了ZigBee无线通信、传感器和单片机等技术，是由多个节点组成的面向任务的无线网络。1.2热释电红外传感器工作原理自然界中，温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体都会向外辐射能量，产生辐射光波。其中，波长在0.75～1000μm范围内的光波热效应非常好，称为红外线，可用来测温。不同温度的物体辐射的光波随波长的分布满足普朗克分布定律。因此，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。人的体温平均在37℃左右，代入普朗克分布定律，可得图1所式光谱分布：图137℃时物体的光谱分布由图1可得：人体恒温，所以会发出特定波长10μm左右的红外线，热释电红外传感器探头就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。在学生到课情况自动监测系统中，关键元件有二：1)热释电红外传感器。它的作用是抑制教室内白光的干扰，同时将波长在8～12μm范围内的红外信号变化转变为电信号。因此在安装学生到课情况自动监测系统的座位附近，若没有学生落座，热释电红外传感器感应到的只是教室的室温；如果在该区域内有学生，热释电红外传感器感应到的是学生体温与教室室温的温差（通过菲涅尔透镜）。综上，学生到课情况自动监测系统的工作基础就是感应学生体温与教室室温的温差。2)菲涅尔透镜。菲涅尔透镜有折射式和反射式两种。菲涅尔透镜可将热释的红外信号折射（反射）在热释电红外传感器上，还可以把座位所在的小区域分为若干个明区和暗区，使座位上学生的去留能以温度变化的形式在热释电红外传感器上产生变化的红外信号，再转化成变化的电信号。2系统网络架构ZigBee无线网络定义了协调器(Coordinator)、路由器(Router)和终端设备(End-device)三种设备类型。在本系统中，终端设备节点安装在待测座椅前面座椅的椅背上，并向下倾斜15°角，这样保证体温感测不受前面座椅上同学的干扰（被动红外穿透力不强，前面同学的红外辐射容易被椅背遮挡，不易被探头接收）；路由器节点在硬件上与终端设备节点相同，但在逻辑上具有路由功能；终端节点感测所在小区域的情况，经处理后以无线形式每十分钟一次定时通过IEEE802.15.4标准协议向外发送到ZigBee协调器（全网只有一个）,当终端节点与协调器的距离较远时,可以通过路由节点进行转发。协调器通过RS232串口与讲台上的电脑相连，通过上位机界面将学生到课情况反映给教师，教师可以通过协调器发出命令，直接与终端节点通信。如图2。图2到课情况监测系统结构示意图3网络节点结构无线传感器节点由传感器模块、数据处理模块、无线通信模块和电源模块构成。1）传感器模块。包含热释电红外传感器RE200B和红外热释电处理芯片BIS0001和少量外接原件。2）数据处理模块和无线通信模块集成在CC2430片上系统中，经过综合考虑，本系统采用TinyOS推出的CC2430DK节点，它的闪存容量是128KB，且提供RS232串口可直接与电脑连接，还附带了胶套天线。3）在电源模块方面，路由器节点和终端节点的工作电压都是3.3V，但略有不同：终端设备节点没有特定的维持网络结构的责任，不工作的时候，它可以处于睡眠状态，因此耗电量较少，可直接使用两节AA电池，通过电压转换芯片MCP1259降压。而路由器节点的功能主要是：允许其他设备加入网络，多跳路由和协助终端设备的通讯。所以路由器需要一直供电，故先用变压器把220V交流变成5V左右，再在二次侧接上一个硅整流桥堆，得到直流电（5V）。通过二极管连接到开关，电源开关连接后，5V直流电压经滤波电容到达三端低压降线性稳压器芯片TPS79933将5V直流电压转化为稳定的3．3V直流电压输出供电[3]。（在实际实验中，直接购买了220V交流转3.3V直流输出电源模块），若只需监测学生到课情况有限几次（如上文提出的每十分钟感测一次），则路由器节点也可电池供电。协调器的角色主要涉及网络的启动和配置。协调器节点由无线通信功能模块、微控制器功能模块、串口通信功能模块和电源功能模块构成。[4]一旦这些都完成后，协调器的工作就像一个路由器(或者消失goaway)。网络节点示意图如图3：图3传感器网络节点示意图4节点硬件设计CC2430是挪威Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统，它以Chipcon的前作CC2420芯片为基础，整合了ZigBeeRF前端、内存和微控制器，且具有高性能8051内核，以2.4GHz为工作频率，因而在汽车、工控系统和无线传感器等领域具有广泛的应用前景[5]。CC2430具有8KB的RAM，32KB、64KB或128KB的Flash，还包含模数转换器、定时器、AES128协处理器、看门狗定时器、32KHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18μmCMOS工艺生产，工作时的电流损耗低于27mA，能耗较低[6]。节点电路图如图4所示:图4网络节点电路图CC2430DK模块的P0_1口经1KΩ电阻与红外热释电芯片BIS0001的VO口相连接，VO口平时处于低电平，当传感器探头感测到人体时，输出高电平，CC2430DK模块的P0_1口被上升沿脉冲唤醒，进行数据处理并发送出去。BIS0001的一号引脚A端是可重复触发和不可重复触发控制端。当A=“1”时，允许重复触发，当A=“0”时，不可重复触发。A端与AMS1117稳压芯片的Vout相接，可得稳定的3．3V直流电压。5系统软件设计学生到课情况自动监测系统软件的开发以Z-Stack协议栈为基础，Z-Stack是德州仪器推出的ZigBee标准协议栈，负责网络的建立、节点的加入和退出、电源管理等。协调器节点流程图如图5所示：图5协调器流程图设计中，为减轻电源模块的负担，延长节点寿命，无线传感器节点每十分钟唤醒一次进行感测，其余时间处于休眠状态。在冬季等情况下，体温与室温温差十分明显，此时，可酌情采取阈值触发机制：阈值为设定的温差，在学生到来或离座的短时间内，感测到的温差超出阈值，节点受触发工作。加入阈值机制的目的是进一步省电。在程序设计中，需要定义一个全局变量dianming，定义CC2430的P0_1为感测到的信号的输入端。6结论本文设计的学生到课情况自动监测系统实现简单、布设容易、成本低且使用寿命较长，能够方便地装备到在建和已落成的教学楼，并且有很大的升级空间，例如：未来还可以加入移动设备信号传感器，在监测座位上是否有人的同时还可以监测此人是否带手机，从而保障考场纪律或提高会议的保密性。[参考文献][1]黄宪,曹凤芬.打造“数字校园”[J]．老年教育(老年大学)，2011(5):33.[2]于海斌,曾鹏.智能无线传感器网络系统[M].北京:科学出版社,2006:15-16.[3]TexasInstruments．Low-dropoutvoltageregulatorswithintegrateddelayedresetfunction(TPS79933)[EB/OL]．[2005-02-l0]．http：//．ti．com/wireless．[4]王秀梅,刘乃安.利用2.4GHz射频芯片CC240实现ZigBee无线通信设计[J]．国外电子元器件，2005(3):59-62．[5]蒋挺,赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社,2006:243.[6]李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.