基于Zigbee超聲波的距離報(bào)警系統(tǒng)

趙培鈞 張文豪 張新宇

摘 要：傳統(tǒng)距離檢測(cè)的方法在某些特殊場(chǎng)合有一定的缺陷，這些缺陷是很難攻克的。例如，頁(yè)面測(cè)量。測(cè)量是一種距離測(cè)量。傳統(tǒng)的電極方法使用不同分布的電極，通過(guò)施加電流或脈沖來(lái)檢測(cè)。電極長(zhǎng)時(shí)間浸沒(méi)在水或其他液體中，容易腐蝕、電解和丟失。而超聲波測(cè)量化解這些問(wèn)題非常簡(jiǎn)單。多年來(lái)，對(duì)于超聲波技術(shù)的探索和研究不斷深入，憑借超聲波精度高、無(wú)損、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，超聲波的應(yīng)用越來(lái)越普及。已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、電子冶金、導(dǎo)航、航空航天、石化、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域。在一些特定情況下，超聲波測(cè)距擁有其他測(cè)距無(wú)法超越的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@種方法使用的計(jì)算之間的超聲波傳輸測(cè)量對(duì)象和超聲波探頭來(lái)測(cè)量距離，所以它是一種非接觸式測(cè)量可用于一些特殊場(chǎng)合或在嚴(yán)酷的環(huán)境下。

關(guān)鍵詞：Zigbee，超聲波模塊

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

本設(shè)計(jì)是基于cc2530單片機(jī)超聲波傳感器的報(bào)警系統(tǒng)。超聲波傳感器的工作原理是利用超聲波發(fā)射， 通過(guò)被測(cè)物體的反射、回波接收后的時(shí)差來(lái)測(cè)量被測(cè)距離的，當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)接收到傳感器測(cè)量的距離，通過(guò)雙機(jī)通信把所測(cè)量的距離傳到協(xié)調(diào)器，通過(guò)協(xié)調(diào)器根據(jù)不同的測(cè)距距離來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器響與不響的情況，來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的基于超聲波傳感器測(cè)距的警報(bào)系統(tǒng)。

（二）總體設(shè)計(jì)

防盜報(bào)警系統(tǒng)一個(gè)應(yīng)用，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)（含一個(gè)網(wǎng)關(guān)、一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)）組成星型拓?fù)洌玫絻蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)：超聲波節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。超聲波節(jié)點(diǎn)采集距離信息后傳給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)顯屏上顯示出采集信息。如果物體進(jìn)入20cm測(cè)距范圍內(nèi)，蜂鳴器會(huì)報(bào)警。

（三）系統(tǒng)總流程

終端節(jié)點(diǎn)：按動(dòng)按鍵，觸發(fā)終端節(jié)點(diǎn)的發(fā)送事件，發(fā)送事件調(diào)用超聲波函測(cè)定距離函數(shù)，將數(shù)據(jù)反饋并且傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。

協(xié)調(diào)器：接收數(shù)據(jù)觸接受事件，顯示器顯示數(shù)據(jù)并且判斷數(shù)據(jù)是否大于20，若大于20，不觸發(fā)蜂鳴器，若小于20，觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)

（四）數(shù)據(jù)流程

數(shù)據(jù)發(fā)送流程：Generic_ProcessEvent→Generic_HandleKeys事件→osal_start_timerEX→GenericApp_SendTheMessage→AF_DataRequest→osal_start_timerEX→GenericApp_SendTheMessage（循環(huán)）

數(shù)據(jù)接收流程：GenericApp_ProcessEvent→osal_msg_receive→AF_INCOMING_MSG_CMD事件→GenericApp_MessaGeMSGCB_→if（pkt→cmd.Data[1]<’2’）→蜂鳴器模塊→事件完成

二、ZigBee介紹

（一）ZigBee物理信道

信道技術(shù)在物理層中扮演者重要的角色。一般來(lái)說(shuō)，信道技術(shù)包括隨機(jī)信息訪問(wèn)技術(shù)和時(shí)分復(fù)用技術(shù)。ZigBee技術(shù)暫時(shí)沒(méi)有用到時(shí)分復(fù)用技術(shù)。因此，隨機(jī)信道技術(shù)是目前ZigBee需要考慮的最優(yōu)先技術(shù)之一。隨機(jī)接入技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸之前，節(jié)點(diǎn)首先監(jiān)視信道，如果有合適的時(shí)間傳輸數(shù)據(jù)。不合適的情況下，可以隨機(jī)退出。信道通過(guò)兩種模式接入信標(biāo)。ZigBee主要采用非信標(biāo)模式。這主要是因?yàn)樵撃Ｊ礁屿`活，并且不需要定期發(fā)射信標(biāo)幀。所有節(jié)點(diǎn)都是為了訪問(wèn)信道而競(jìng)爭(zhēng)的方法。

（二） ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c設(shè)備類(lèi)型

ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞譃槿N。星型，網(wǎng)絡(luò)，樹(shù)。ZigBee技術(shù)設(shè)備按照節(jié)點(diǎn)劃分，也可以分為三種類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)。分別是路由器節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。三種類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)側(cè)重不同，各自都有自己的焦點(diǎn)，為了完成各種網(wǎng)絡(luò)行動(dòng)，可以進(jìn)行組合。

（三） ZigBee協(xié)議棧概述

ZigBee協(xié)議棧建立的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，定義了協(xié)議的PHY和MAC層。ZigBee 協(xié)議棧體系中包含了許多層的元件，如堆棧層以及PHY、MAC層的元件。

（四）CC2530簡(jiǎn)介

市場(chǎng)上許多芯片制造商如捷力、美國(guó)微芯科技都提高工作在2.4GHZ的Zigbee芯片，但是分析上述公司的芯片發(fā)現(xiàn)，只有TI公司的CC2430/CC2530采用標(biāo)準(zhǔn)的8051 處理器，使用起來(lái)比較方便。CC253是TI 09年推出的在CC2430的基礎(chǔ)上根據(jù)CC2430實(shí)際應(yīng)用的一些問(wèn)題做了一些改進(jìn)，CC2530支持最新的2007/PRO協(xié)議棧。故本系統(tǒng)采用CC2530芯片作為核心部件。

CC2530的微控制器內(nèi)核為增強(qiáng)型的8051，因此對(duì)于有51單片機(jī)基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)者來(lái)很容易掌握CC2530。除了8051 單片機(jī)內(nèi)核外它還結(jié)合了具有靈敏度和抗干擾性的先進(jìn)RF收發(fā)器。CC2530 提供了32KB、64KB、128KB、256KB四種不同版本內(nèi)存的Flash存儲(chǔ)器。

三、超聲波傳感器介紹

（一）超聲波模塊簡(jiǎn)介

超聲波傳感器模塊使用接收反射波的方式來(lái)進(jìn)行距離的測(cè)量，傳感器有一個(gè)發(fā)射波的模塊和一個(gè)接收波的模塊組成。

超聲波傳感器由于是采用發(fā)射接收方式，所以在時(shí)間計(jì)算上有一個(gè)盲區(qū)，即MCU的最小反應(yīng)時(shí)間，我們的模塊的盲區(qū)在6cm。

（二）超聲波模塊主要技術(shù)參數(shù)

1：使用電壓：DC5V

2：靜態(tài)電流：小于2mA

3：電平輸出：高5V

4：電平輸出：底0V

5：感應(yīng)角度：不大于15度

6：探測(cè)距離：6cm-80cm

（三）超聲波模塊工作原理

（1）觸發(fā)距離測(cè)試的方式為IO，最少需要給10us的高電平信號(hào);

（2）超聲波會(huì)發(fā)送40khz的方波8個(gè)，并且檢測(cè)返回的信號(hào);

（3）檢測(cè)到返回信號(hào)時(shí)，IO口輸出一高電平，超聲波歷經(jīng)的時(shí)間就是接收到電平所使用的過(guò)程時(shí)間.測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340M/S））/2。

結(jié)語(yǔ)：

經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)zigbee的相關(guān)知識(shí)以及所完成的超聲波警報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，我們完成了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的課程的學(xué)習(xí)。通過(guò)學(xué)習(xí)這門(mén)課程，我們學(xué)會(huì)了利用IRA軟件來(lái)建立工程，編寫(xiě)，調(diào)試，下載程序。并通過(guò)CC2530單片機(jī)來(lái)調(diào)試分析程序功能。初期我們學(xué)習(xí)了基礎(chǔ)理論，后期主要學(xué)習(xí)了部分代碼以及如何將其拓展形成功能更加完善的程序。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐振福. ZigBee技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的研究應(yīng)用[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程與信息科學(xué)研究所，2014：13-14

[2]王斯琪.基于ZigeBee的超聲波車(chē)位檢測(cè)誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].石家莊鐵道大學(xué)，2015：13-15

[3]耿寸召. 基于ZigBee技術(shù)的停車(chē)場(chǎng)車(chē)位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].內(nèi)蒙古大學(xué)，2013：28-30

臨沂大學(xué)， 山東 臨沂 276000