专利名称：基于ZigBee无线技术的座位统计系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种无线传感器网络的应用技术，尤其是能利用压力传感器和ZigBee技术对座位数量信息(已坐座位、剩余座位)进行实时采集、无线传输，再通过微处理器单元将信息实时处理、统计并显示的座位统计系统。
技术背景 目前市场上还没有技术相对成熟、应用范围广的座位统计系统，少数现有的座位管理系统并不能够实时、准确的反映座位的使用情况。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。作为一种无线通信技术，ZigBee具有低功耗、成本低、时延短、网络容量大、安全等特点，非常适合应用到座位统计系统领域。
发明内容本实用新型的目的在于弥补现有的座位数量统计和显示系统采用有线传输的不足，利用压力传感器和ZigBee无线技术将有线连接变为无线连接，从而使座位人数统计和显示系统更加灵活、机动。为实现上述发明目的，本实用新型具体采用如下技术方案一种基于ZigBee无线技术的座位统计系统，其特征在于，该系统由至少一个无线压力传感器节点和一个中心节点构成，每一个无线压力传感器节点由压力传感器模块、处理器模块、天线模块、电源模块A、电源管理模块、功率放大模块、LED指示灯模块和时钟模块组成，中心节点由无线接收模块、微处理器控制模块、LCD显示模块和为中心节点各模块供电的电源模块B组成，电源模块A为处理器模块供电，并在处理器模块的选通作用下通过电源管理模块为压力传感器模块和功率放大模块供电，天线模块、LED指示灯模块和时钟模块分别与处理器模块连接，压力传感器模块采集到压力信息后，经功率放大模块放大并输出到处理器模块进行处理，然后通过天线模块发送至无线接收模块，无线接收模块将信号输出至微处理器控制模块，微处理器控制模块将信号进行A/D转换，存储在存储器中，待收集完网络内所有的压力信息后，微处理器控制模块逐一将所得信号数值与阈值进行比较，根据比较结果进行计数，最后将统计的数字结果输出至LCD显示模块。本实用新型的有益效果是本实用新型的基于ZigBee无线技术的座位统计系统能灵活、机动的采集座位数量信息(已坐座位、剩余座位)，通过无线通信技术传输至微处理器控制中心，经过微控制器控制中心处理、汇总，能够达到将座位人数信息实时显示的目的。整个系统的无线发送、接收半径在能够达到100m，抗干扰能力强，时延短、接收灵敏度高，安装方便，操作简单，能够准确地记录座位人数信息(实际上座率)，在公交、地铁、报告厅、图书馆、体育馆等公众场合具有广阔的应用前景。
图I是整个系统结构示意图。图2是任意一个无线压力传感器节点的各模块连接示意图。图3是压力传感器模块的电路设计图。图4是中心节点的结构示意图。图5是微处理器控制模块与无线接收模块的接口示意图。图6是LCD12864的管脚分布图。图7是ZigBee协议栈结构示意图。图8是无线压力传感器节点应用程序流程图。图9是中心节点应用程序流程图。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步说明。如图I所示为本实用新型的系统结构示意图。为了能够灵活的扩展传输距离、适应长距离传输需求，本实用新型的基于ZigBee无线技术的座位统计系统采用星型网络结构，由至少一个无线压力传感器节点和一个中心节点构成，每一个无线压力传感器节点由压力传感器模块、处理器模块(发送信号时携带本节点的网络地址)、天线模块、电源模块A、电源管理模块、功率放大模块、LED指示灯模块和时钟模块组成。中心节点是整个系统的核心控制单元，由无线接收模块、微处理器控制模块、LCD显示模块和电源模块B构成。通信部分采用ZigBee无线网络协议。整个系统具有低功耗、成本低、时延短、网络容量大、安全等特点。首先，将无线压力传感器安装在座位下方，当有人坐在该位置上时，压力传感器采集到压力信号，通过处理器模块内部集成的微处理器和A/D转换器的处理，处理器模块和该节点的其他模块再将处理后的信号无线传输至中心节点；中心节点的无线接收模块接收到信号(携带不同的网络地址)后送至微处理器控制模块，经过A/D转换，微处理器控制模块将收到的信号数值存储起来(按照网络地址一一对应)，待收集、处理完ZigBee网络内所有无线传感器节点的压力信息后，微处理器控制模块逐个将所得到的信号数值与阈值进行比较，当数值大于阈值，微处理器控制模块进行计数，最后将汇总后的数据信息通过LCD显示模块显示。整个系统每隔30秒归零重置，以此来达到准确、实时统计并显示座位信息的目的。如图2所示为任意一个无线压力传感器节点的各模块连接示意图。无线压力传感器节点由压力传感器模块、处理器模块、天线模块、电源模块A、电源管理模块、功率放大模块、LED指示灯模块、时钟模块组成。压力传感器模块的压力传感器将实时的压力信号送至处理器模块，处理器模块和该节点的其他模块加以分析、处理，将压力信号转换成电信号与中心节点进行数据通信。天线模块、LED指示灯模块和时钟模块分别与处理器模块的对应控制端口连接。LED指示灯由处理器模块的P1_0 口控制，用来显示现在节点的网络状态。电源模块A主要给处理器模块和电源管理模块供电。当需要采集数据时由处理器模块的P0_0口选通电源管理模块，电源管理模块就可以给压力传感器模块和功率放大模块供电了。压力传感器模块负责采集监测区域内的数据，压力传感器采集的数据信号经功率放大模块放大后输出到处理器模块进行下一步处理。处理器模块先把采集的数据信号进行模数转换，然后进行处理，处理后的数据由天线发出。电源模块A采用两节I. 5V碱性电池。处理器模块采用CC2430芯片为核心器件(型号CC2430F128)，它支持ZigBee协议的SoC解决方案，可用于各ZigBee无线节点。该芯片上整合了 ZigBee射频(RF)前端存储器和微控制器，内嵌增强型8051MCU，8KBRAM，128KBFlash，包含8路ADC、3个定时器、AES128加密电路，MAC协处理器、看门狗定时器，以及21个可编程I/O引脚，支持4种不同程度的休眠模式。CC2430芯片采用O. ISymCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27mA，在接收和发送模式下，电流损耗分别低于27 mA或25mA。CC2430芯片的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。如图3所示为压力传感器模块的电路设计图。图中用恒流源来驱动压力传感器。 由于桥路失衡时的输出电压比较小，所以必须用运放IClb和IClc来进行放大。图中VRl为偏置调整，VR2为压力灵敏度调整，VR3为没有加压时输出电压调整，C1、C2用于去除噪声。另外，如果电源电压波动的话，将引起输出电压的变化，所以必须给电路提供一个稳定的电源。如图4所示为中心节点的结构示意图。中心节点是整个无线通信网络的主控单元，由无线接收模块、微处理器控制模块、LCD显示模块、电源模块B组成。电源模块B为无线接收模块、微处理器控制模块和LCD显示模块供电。无线接收模块仍采用CC2430芯片，微处理器控制模块采用MSP430F149芯片，LED显示模块采用LCD12864芯片。MSP430F149单片机拥有8路12位ADC，60K的FLASH和2KRAM，能在-40—+85°C的室外环境下正常工作且超低功耗，该单片机同时具有I种工作模式和5种睡眠模式，通过应用程序能关闭MSP430F149中未使用的模块并能根据需要切换工作模式和睡眠模式。MSP430F149和CC2430的供电电压是3. 3 V，因此，在设计中心节点的电源模块B时，使用LMl117-3. 3提供3. 3V电压。如图5所示为微处理器控制模块与无线接收模块的接口示意图。主控制器MSP430F149通过SPI接口(SI，SO，SCLK，Csn )控制CC2430的工作状态并实现读写缓存数据；FIF0P引脚和FIFO引脚设置发射和接收的缓存器；SFD引脚控制时钟和定时器的输入；CCA管脚控制清除通道估计。如图6所示为IXD12864的管脚分布图。IXD12864是一种图形点阵液晶显示器。它主要采用动态驱动原理由行驱动一控制器和列驱动器两部分组成了128(列)X64(行)的全点阵液晶显示。此显示器采用了 COB的软封装方式，通过导电橡胶和压框连接IXD，使其寿命长，连接可靠。工作电压为+5V±10%，可自带驱动IXD所需的负电压；全屏幕点阵，点阵数为128 (列)X 64 (行)，可显示8 (/行)X 4 (行)个(16 X 16点阵)汉字，也可完成图形，字符的显示；与CPU接口采用5条位控制总线和8位并行数据总线输入输出，适配M6800系列时序；内部有显示数据锁存器；简单的操作指令，显示开关设置，显示起始行设置，地址指针设置和数据读/写等指令。如图7所示为ZigBee协议栈结构示意图。完整的ZigBee协议栈由物理层、MAC层、网络层安全层和应用层组成。无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接入(CSMA-CA)方式避免无线电波之间的冲突。此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议。协议栈使用C语言编写的，协议栈使用内部闪存程序存储器来存储可配置的MAC地址、网络表和绑定表，因此必须使用可自编程的闪存存储器单片机。协议栈根据ZigBee规范的定义将其逻辑分为多个层。实现每个层的代码位于一个独立的源文件中，而服务和应用程序接口(API)则在头文件中定义。要实现抽象性和模块性，顶层的C头文件定义该层所支持的所有API。用户应用程序总是与应用支持子层(APS)和应用层(APL)交互。典型的应用程序总是与应用层(APL)和应用子层(APS)接口，APL模块提供高级协议栈管理功能，用户应用程序使用此模块来管理协议栈功能。APS层主要提供ZigBee端点接口。应用程序将使用该层打开或关闭一个或多个端点并且获取或发送数据。它还为键对值(KVP)和报文(MSG)数据提供了原语。当首次对协调器(中心节点)编程时绑定表为空，主应用程序调用正确的绑定API来创建新的绑定项。APS还有一个间接发送缓冲器RAM，用来存储间接帧，直到目标接收者请求这些帧为止。MAC_ MAX_DATA_REQ_PERIOD编译时间选项定义了确切的请求时间。节点请求数据时间越长，数据包需要保存在间接发送缓存器里的时间业也越长，数据请求时间越长需要的间接缓冲空间越大。网络层(NWK)负责建立和维护网络连接，它独立处理传入数据请求、关联、解除关联和孤立通知请求。介质访问控制层(MAC)实现了IEEE802. 15. 4规范所要求的功能，并负责同物理(PHY)层进行交互。 如图8所示为无线压力传感器节点应用程序流程图。无线压力传感器节点主要负责压力信号采集与发送和与中心节点之间的通信。软件设计中除了考虑功能的实现还需要考虑节能.传感器每隔30s采集一次压力信号，采集完成后关闭传感器电源并初始化无线发送模块的CC2430，先发送本节点数据完成后节点进入睡眠状态，等待下一轮采集。编程采用模块化方式包括数据采集子程序、无线收发子程序和时钟控制子程序。如图9所示为中心节点应用程序流程图。ZigBee无线网络可采用多种类型的网络配置，本系统使用星型网络实现通信，星型网络配置由一个中心节点和多个无线压力传感器节点组成，在星型网络中所有的终端设备都只与中心节点通信，为实现这一功能，中心节点必须知道每个采集节点的网络地址，这就需要每个节点在加入网络后把网络地址发送给中心节点，中心节点收到网络地址后建立地址表存储起来。IEEE802. 15. 4MAC数据包最大长度为127字节，每个数据都由头字节和16CRC值组成，在数据传输中使用应答数据传输机制，设置ACK标志位为I的帧会被接收器应答，如果在一定期限内未收到应答，则证明无线传感器节点发生错误。当中心节点收到信息时，根据数据的第一个标志字符来判断是传感器的网络地址还是传感器采集的数据。若是传感器节点的网络地址，则把该网络地址存储在地址表里；若是传感器采集的数据信息，则把数据处理后上传到微控制器模块，待把整个监测网络的传感器数据采集完毕后，将数据依次与阈值进行比较，若数值大于阈值，则单片机进行计数，最终将统计信息在LCD模块上显示。
权利要求1.一种基于ZigBee无线技术的座位统计系统，其特征在于，该系统由至少一个无线压力传感器节点和一个中心节点构成，每一个无线压力传感器节点由压力传感器模块、处理器模块、天线模块、电源模块A、电源管理模块、功率放大模块、LED指示灯模块和时钟模块组成，中心节点由无线接收模块、微处理器控制模块、LCD显示模块和为中心节点各模块供电的电源模块B组成，电源模块A为处理器模块供电，并在处理器模块的选通作用下通过电源管理模块为压力传感器模块和功率放大模块供电，天线模块、LED指示灯模块和时钟模块分别与处理器模块连接，压力传感器模块采集到压力信息后，经功率放大模块放大并输出到处理器模块进行处理，然后通过天线模块发送至无线接收模块，无线接收模块将信号输出至微处理器控制模块，微处理器控制模块将信号进行A/D转换，存储在存储器中，待收集完网络内所有的压力信息后，微处理器控制模块逐一将所得信号数值与阈值进行比较，根据比较结果进行计数，最后将统计的数字结果输出至LCD显示模块。
2.根据权利要求I所述的基于ZigBee无线技术的座位统计系统，其特征在于所述的处理器模块、无线接收模块均采用CC2430芯片；所述的微处理器控制模块采用MSP430F149芯片；所述的IXD显示模块采用IXD12864芯片。
3.根据权利要求I所述的基于ZigBee无线技术的座位统计系统，其特征在于所述的系统每隔一定的时间周期归零重置。
专利摘要本实用新型公开一种基于ZigBee无线技术的座位统计系统，该系统由至少一个无线压力传感器节点和一个中心节点构成，每一个无线压力传感器节点主要由压力传感器模块、处理器模块和电源模块A等模块构成，中心节点由无线接收模块、微处理器控制模块、LCD显示模块和电源模块B构成。本系统能灵活、机动的采集座位数量信息，通过无线通信技术传输至微处理器控制模块，经过微控制器控制模块处理、汇总，能够达到将座位人数信息实时显示的目的。整个系统的无线发送、接收半径在能够达到100m，抗干扰能力强，时延短、接收灵敏度高，安装方便，操作简单，能够准确地记录座位人数信息，在公交、地铁、报告厅等公众场合具有广阔的应用前景。
文档编号G06M1/27GK202385302SQ201220003800
公开日2012年8月15日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者张思俊, 王乐乐 申请人:张思俊, 王乐乐