基于ZigBee技術(shù)的紅外人體探測(cè)系統(tǒng)測(cè)試

摘要：為減少城市戰(zhàn)傷亡率，提出了一種基于ZigBee和藍(lán)牙技術(shù)的紅外人體探測(cè)系統(tǒng)方案。以星型網(wǎng)絡(luò)為原型，對(duì)系統(tǒng)的探測(cè)距離及靈敏度、抗干擾能力、節(jié)點(diǎn)功耗、穿透能力進(jìn)行了測(cè)試，做出了定量分析，提出了增大發(fā)射功率、使用穩(wěn)定鋰電池、縮小探測(cè)距離及角度、部署在關(guān)鍵點(diǎn)、增加關(guān)鍵點(diǎn)路由等改進(jìn)方法，從而提高系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)穩(wěn)定性。測(cè)試表明，ZigBee紅外人體探測(cè)系統(tǒng)功耗低、抗干擾、組網(wǎng)速度快、穿透能力強(qiáng)。半徑為6 m，圓心角為80°的扇形是其理想的探測(cè)區(qū)域。
關(guān)鍵詞：ZigBee；人體探測(cè)；協(xié)調(diào)器；城市戰(zhàn)；測(cè)試

    隨著全球范圍內(nèi)的恐怖襲擊、局部戰(zhàn)爭(zhēng)不斷升級(jí)，城市已成為21世紀(jì)的主戰(zhàn)場(chǎng)。運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能有效地提高城市戰(zhàn)中精確打擊、重點(diǎn)防御能力，ZigBee作為現(xiàn)存的最適合于搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新興技術(shù)，已經(jīng)受到國內(nèi)外普遍關(guān)注，探索其城市戰(zhàn)應(yīng)用對(duì)提高我軍戰(zhàn)技水平跨躍式發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。筆者以紅外人體探測(cè)這一典型應(yīng)用為突破口，對(duì)基于ZigBee技術(shù)的紅外人體探系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，為實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用提供了參考。

1 原型系統(tǒng)
    由于應(yīng)用背景為戰(zhàn)場(chǎng)人體探測(cè)，設(shè)定ZigBee終端節(jié)點(diǎn)之間不通信，只與路由節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。鑒于星型網(wǎng)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，首先從星型網(wǎng)入手，實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型ZigBee星型網(wǎng)的組網(wǎng)。原型系統(tǒng)使用成都無線龍公司生產(chǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺(tái)和深圳商斯達(dá)公司生產(chǎn)的SS-101紅外人體探測(cè)模塊。3個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)與紅外探測(cè)模塊相連，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與藍(lán)牙串口通信模塊相連，上位機(jī)上運(yùn)行監(jiān)視界面。各節(jié)點(diǎn)及模塊使用電池或外接電源供電，系統(tǒng)加電后協(xié)調(diào)器自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)加入后系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)有人靠近某一終端節(jié)點(diǎn)時(shí)，紅外人體探測(cè)模塊輸出電平信號(hào)喚醒終端節(jié)點(diǎn)，將報(bào)警信號(hào)傳送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過藍(lán)牙串口模塊與上位機(jī)串口連接并發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)至上位機(jī)。實(shí)物連接示意圖如圖1所示。

2 穩(wěn)定性測(cè)試及改進(jìn)
2．1 測(cè)試說明
    在系統(tǒng)測(cè)試過程中，盡可能全面地營造出城市戰(zhàn)中可能出現(xiàn)的探測(cè)場(chǎng)景和無線信號(hào)干擾源，采取實(shí)際測(cè)試與定量分析相結(jié)合的方法，提出了改進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。但在普通室外環(huán)境下，電磁干擾強(qiáng)度不夠，實(shí)戰(zhàn)復(fù)雜電磁環(huán)境不易構(gòu)建，加之建筑物的反射不易控制、人為測(cè)量誤差等因素，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果可能有一定的偏差。
2．2 通信距離測(cè)試
2．2．1 測(cè)試過程
    考慮到城市戰(zhàn)應(yīng)用環(huán)境，將測(cè)試地點(diǎn)選在室外樓房之間，使用外接電源和堿性電池兩種方式為終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)供電，以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)不同的發(fā)射、接收功率。協(xié)調(diào)器加電后完成初始化并自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)加電后自動(dòng)搜索網(wǎng)絡(luò)，成功加入后終端節(jié)點(diǎn)上的LED每秒閃爍一次，在無法搜尋到網(wǎng)絡(luò)或發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路丟失后該LED保持常亮，同時(shí)繼續(xù)搜尋網(wǎng)絡(luò)。在不同的距離上每組測(cè)試做10次，測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

    通過實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在室外環(huán)境下如果Zigaee節(jié)點(diǎn)均使用電池供電，節(jié)點(diǎn)間通信實(shí)際距離可以超過30 m，甚至在45 m之外的地方也能保持良好的通信狀態(tài)，但偶爾會(huì)有中斷現(xiàn)象。如果加大收發(fā)功率，用外接電源來維持模塊的供電，則可以實(shí)現(xiàn)60m的通訊距離。
2．2．2 結(jié)果分析
    測(cè)試中只有距離和功率的變化，我們知道無線信號(hào)在自由空間傳輸過程中隨著傳播距離的增大而產(chǎn)生一定的衰減，稱為信道衰減。根據(jù)Friis自由空間方程(Friis Free-space Equation)，則協(xié)調(diào)器距終端節(jié)點(diǎn)的距離為d(d>d0)的接收信號(hào)功率表達(dá)式為：
   
    式(1)中Ptx為發(fā)送功率，Gt和Gr分別為終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的天線增益(Anterma Gains)，d0稱為遠(yuǎn)場(chǎng)距離，是一個(gè)取決于天線技術(shù)的參數(shù)距離，d是終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的距離，λ為信號(hào)的波長(zhǎng)，L表示從發(fā)射到接收的損失。對(duì)于非自由空間的信號(hào)傳播，接收信號(hào)的功率表達(dá)式為：
   
    式(2)中r是信道損失指數(shù)(Path-loss Exponent)，其取值在2～6之間。信道損失定義為信號(hào)的發(fā)射功率與接收功率的比值，即Ptx／Pr-cvd(d)，上式也可以改寫為對(duì)數(shù)形式：
  
    式(3)稱為對(duì)數(shù)距離信道損失，PL(d0)是在已知參考點(diǎn)的信道損失。
2．2．3 改進(jìn)方法
    從式(1)、式(2)以及式(3)可以看出，接收信號(hào)的功率與信號(hào)的傳播距離有關(guān)，如果增大接收信號(hào)的功率，則信號(hào)的發(fā)送功率必須呈指數(shù)狀增大。通常情況下，協(xié)調(diào)器的誤碼率是接收信號(hào)功率Pr的單調(diào)減函數(shù)。因此，要減小協(xié)調(diào)器的誤碼率就必須增大信號(hào)的發(fā)送功率，如在發(fā)射器的輸出端和發(fā)射天線之間增加一個(gè)功率放大器，或者減小信號(hào)的傳輸距離。城市戰(zhàn)應(yīng)用中，通常使用電池供電，在電源不變的情況下天線增益和方向性是其兩個(gè)重要的參數(shù)，可提高天線功率放大倍數(shù)。實(shí)戰(zhàn)中協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)可加裝全向天線，擴(kuò)大信號(hào)接收范圍；終端節(jié)點(diǎn)加裝定向天線，減少信道損失。從而增大信號(hào)接收發(fā)送的距離。
2．3 同頻干擾測(cè)試
2．3．1 測(cè)試過程
    城市戰(zhàn)中雷達(dá)、無線電臺(tái)頻段一般不使用通用的2．4 GHz。ZigBee技術(shù)的抗干擾測(cè)試主要針對(duì)同頻干擾，即來自共用相同頻段的其他技術(shù)的干擾。現(xiàn)代城市生活中，藍(lán)牙、Wi-Fi、無線USB(WirelessUSB)、無繩電話和微波爐廣泛使用，可能對(duì)ZigBee造成同頻干擾。因此在距離測(cè)試的基礎(chǔ)上，分別選用藍(lán)牙手機(jī)、無線路由器、無線USB、無繩電話和微波爐在工作狀態(tài)下，對(duì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行干擾。不同距離上分別進(jìn)行10次測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2所示。可以看出無繩電話、微波爐兩個(gè)大功率設(shè)備對(duì)ZigBee的干擾性較大，其他設(shè)備對(duì)其干擾不明顯。

2．3．2 結(jié)果分析
    城市生活中，用于無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(Wireless Personal Area Network，WPAN)范圍的短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)得到了迅猛發(fā)展，2．4 GHz(2．4～2．483 GHz)ISM頻段日益擁擠。各種信號(hào)帶寬如圖2所示。

    ZigBee在2．4 GHz頻段內(nèi)具備強(qiáng)抗干擾能力，并不會(huì)對(duì)其他設(shè)備的工作造成威脅。具體分析如下：
    1)ZigBee與藍(lán)牙共存戰(zhàn)場(chǎng)紅外人體探測(cè)系統(tǒng)中同時(shí)使用了ZigBee和藍(lán)牙技術(shù)，藍(lán)牙采用FHSS并將2．4 GHzISM頻段劃分成79個(gè)1 MHz的信道，藍(lán)牙設(shè)備以偽隨機(jī)碼方式在這79個(gè)信道間每秒鐘跳1 600次。ZigBee系統(tǒng)是非跳頻系統(tǒng)，所以藍(lán)牙在79次通信中才有1次會(huì)和ZigBee的通信頻率產(chǎn)生重疊，且將會(huì)迅速跳至另一個(gè)頻率。而ZigBee對(duì)藍(lán)牙系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)。
    2)ZigBee與Wi-Fi共存 Wi-Fi主要是針對(duì)高速率數(shù)據(jù)傳輸和無線接入局域網(wǎng)，與ZigBee技術(shù)面向的是完全不同的兩個(gè)領(lǐng)域。由于ZigBee信號(hào)帶寬只有3 MHz，相對(duì)于Wi-Fi的22 MHz帶寬屬于窄帶干擾源，通過擴(kuò)頻技術(shù)IEEE 802．11b可以充分地抑制干擾信號(hào)。ZigBee設(shè)備天線的輸出功率被限制在0 dBm (1mW)以下，相對(duì)于IEEE802．11b的20 dBm(100 mW)相差甚遠(yuǎn)，不足以構(gòu)成干擾威脅。
    3)ZigBee與無線USB共存 每一個(gè)WirelessUSB信道寬1 MHz，將2．4．GHz ISM頻段分割成為79個(gè)1 MHz信道，具有頻率捷變特性，它們雖采用“固定”信道，但如果最初信道的鏈路質(zhì)量變得不理想，則會(huì)動(dòng)態(tài)地改變信道，為減少干擾，WimMssUSB至少每50 ms檢查一次信道的噪聲水平，如果和ZigBee信道重疊，WirelessUSB主設(shè)備可以選擇一個(gè)新信道，所以WirelessUSB完全可以和ZigBee系統(tǒng)和平共處。
    4)ZigBee與無繩電話共存 2．4 GHz無繩電話不采用標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，多數(shù)2．4 GHz無繩電話均采用5～10 MHz的信道寬度，所有無繩電話都會(huì)在ISM頻帶產(chǎn)生出相當(dāng)高的能量，所以它是許多RF系統(tǒng)的干擾源。如果無繩電話采用FHSS，因其占用更寬的信道(5～10 MHz)，具有更高的功率。它發(fā)出的干擾可完全中斷一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作。如果無繩電話采用DSSS，則可將無繩電話與ZigBee系統(tǒng)所使用的信道配置成互不重疊，以消除干擾。
    5)ZigBee與微波爐共存微波爐也是這個(gè)頻帶中最常見的干擾來源，而且是最難以預(yù)測(cè)和最分散的RF來源。每個(gè)微波爐輸出的能源強(qiáng)度不盡相同，且在頻帶上的分布狀況也不一樣，某些微波爐阻隔電磁波的設(shè)計(jì)會(huì)優(yōu)于其他幾種。實(shí)驗(yàn)證明微波爐和ZigBee設(shè)備距離小于1 m時(shí)，約0．5％～2％的ZigBee數(shù)據(jù)幀被破壞，但當(dāng)微波爐和ZigBee設(shè)備距離大于1 m時(shí)，微波爐的影響就基本不存在了。
2．3. 3 改進(jìn)方法
    通常正確選擇信道，增大頻偏以及和干擾源保持一定距離，可以保證ZigBee和其他設(shè)備的共存。在應(yīng)用環(huán)境中盡量關(guān)閉或遠(yuǎn)離高頻大功率設(shè)備等干擾源。戰(zhàn)場(chǎng)中在敵方有意識(shí)的電子干擾情況下，可改變天線材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，如采用高增益、方向性強(qiáng)的天線，或提高自身信號(hào)發(fā)射功率，改變自身信道。
2．4 探測(cè)靈敏度測(cè)試
2．4．1 測(cè)試過程
    在抗干擾測(cè)試的基礎(chǔ)上，對(duì)紅外人體探測(cè)模塊的靈敏度進(jìn)了測(cè)試。為減少信號(hào)終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)距離2 m，確保ZigBee信號(hào)穩(wěn)定傳送。系統(tǒng)加電后完成初始化組網(wǎng)過程，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)。由于人體紅外源受著裝影響，為盡可能貼近戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，測(cè)試者著迷彩服，在紅外人體探測(cè)模塊前以走和跑兩種戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作移動(dòng)，分別進(jìn)行探測(cè)距離和探測(cè)角度測(cè)試。測(cè)試模擬場(chǎng)景如圖3所示，場(chǎng)地內(nèi)標(biāo)示出主要的距離和角度，距離測(cè)試以人體到達(dá)探測(cè)模塊正前方觸發(fā)信號(hào)的距離為準(zhǔn)。角度測(cè)試以人體剛進(jìn)入探測(cè)區(qū)域即觸發(fā)信號(hào)的角度為準(zhǔn)。在不同的探測(cè)距離上分別進(jìn)行了10次測(cè)試。

    最大探測(cè)距離測(cè)試結(jié)果如表3所示。

    最大探測(cè)角度測(cè)試結(jié)果如表4所示。
2．4．2 結(jié)果分析
    將兩組測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，生成探測(cè)靈敏度曲線如圖4所示。由此可以看出，紅外人體探測(cè)模塊對(duì)快速移動(dòng)的人體感應(yīng)靈敏更高。6 m之內(nèi)是其理想的探測(cè)距離，80°圓錐角內(nèi)是其最佳探測(cè)范圍。

2．4．3 改進(jìn)方法
    在實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用中，為有效提高人體探測(cè)靈敏度，在硬件方面可安裝頻率倍增系數(shù)更高的菲涅耳透鏡，優(yōu)化內(nèi)部信號(hào)放大電路。另外探測(cè)模塊還可能會(huì)因?yàn)槟承┮馔獾那闆r或受環(huán)境因素的影響而觸發(fā)，從而發(fā)生誤報(bào)警。為此，應(yīng)采用多個(gè)探測(cè)元、多技術(shù)復(fù)合探測(cè)以及智能化的數(shù)據(jù)分析等方法，提高探測(cè)器的性能和功能，降低誤漏報(bào)警。實(shí)戰(zhàn)部署時(shí)，以普通樓房平均層高3 m計(jì)算，應(yīng)裝在門窗入口正前方1 m的天花板上，樓梯拐角的正上方，以保證人體在必經(jīng)通路上有效觸發(fā)紅外信號(hào)。
2．5 工作時(shí)間測(cè)試
2．5．1 測(cè)試過程
    在城市戰(zhàn)應(yīng)用中，由于工作的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)，考慮到其數(shù)據(jù)收發(fā)量大，可事先為其配備高容量電池，甚至配有備用電源，因此ZigBee網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間主要由終端節(jié)點(diǎn)確定。在室內(nèi)環(huán)境下，使用兩節(jié)普通7號(hào)堿性電池為終端節(jié)點(diǎn)供電，休眠狀態(tài)以無法喚醒為判斷依據(jù)，工作狀態(tài)以協(xié)調(diào)器接收不到信號(hào)為判斷依據(jù)。經(jīng)測(cè)試，終端節(jié)點(diǎn)在純休眠狀態(tài)耗電量極小，休眠6個(gè)月后仍可正常喚醒；在定時(shí)5 s間隔休眠狀態(tài)下，可持續(xù)工作35天以上；在信號(hào)持續(xù)發(fā)送狀態(tài)下，可持續(xù)工作10天以上。
2．5．2 結(jié)果分析
    因紅外傳感器工作狀態(tài)下，最大功耗小于0．000 05 W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊功耗，可忽略。設(shè)電池容量為Qb節(jié)點(diǎn)工作電流為Iw，每次節(jié)點(diǎn)工作時(shí)長(zhǎng)為tw，節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)電流為Is，每次休眠時(shí)長(zhǎng)為ts。則，預(yù)測(cè)最大工作天數(shù)Td為：
   
    將從CC2430數(shù)據(jù)手冊(cè)和實(shí)際測(cè)量得到的電壓、電流數(shù)據(jù)代入公式整理得：
   
    根據(jù)式(5)，如使用容量為1 000 mAh電池供電，電壓3V，休眠時(shí)長(zhǎng)為5 s，計(jì)算最長(zhǎng)工作天數(shù)為55．41天。比測(cè)試結(jié)果長(zhǎng)20天左右。分析原因，主要是因普通堿性電池電脈沖放電反應(yīng)較快，電壓線性下降，外圍電路存在電量損耗等原因造成。
2．5．3 改進(jìn)方法
    從式(4)可以看出電池容量Qb，節(jié)點(diǎn)工作電流Iw，每次節(jié)點(diǎn)工作時(shí)長(zhǎng)tw，節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)電流Is，每次休眠時(shí)長(zhǎng)ts均可決定工作天數(shù)的長(zhǎng)短。因此，城市戰(zhàn)應(yīng)用中延長(zhǎng)終端節(jié)點(diǎn)壽命的方法主要有：使用大容量電池(最好是電壓穩(wěn)定性高的鋰電池)、增加休眠時(shí)長(zhǎng)、減少電流消耗，減小工作時(shí)間。另外還可考慮對(duì)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，避免直接暴露在惡劣環(huán)境中，減少自然因素造成的電量損耗。在其他條件基木確定的情況下，最便捷的方式就是增加休眠間隔時(shí)間。
2．6 信號(hào)穿透測(cè)試
    由于探測(cè)系統(tǒng)主要在城市建筑物使用，信號(hào)穿透只考慮建主要結(jié)構(gòu)的影響。經(jīng)測(cè)試在電池供電狀態(tài)下，ZigBee信號(hào)可以分別穿透1堵鋼筋混凝土墻、2堵磚墻、2扇5 cm厚的實(shí)木門、3層中空玻璃、2 cm厚的鋼板。從理論上分析波長(zhǎng)越短穿透力越強(qiáng)，雖然2．4GHz微波信號(hào)穿透力很強(qiáng)，但易受發(fā)射功率和傳輸介質(zhì)吸收的影響。數(shù)據(jù)表明ZigBee信號(hào)衰減率與傳輸介質(zhì)的密度基本成正比，在空氣中衰減率最低。因此實(shí)際應(yīng)用中可在建筑物門窗入口、通道拐角處設(shè)置路由節(jié)點(diǎn)，盡可能地減少信號(hào)穿透墻體、門窗的概率。

3 結(jié)束語
    測(cè)試表明基于ZigBee技術(shù)的紅外人體探測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性高，探測(cè)距離和角度適中，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、抗干擾、易部署等特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)速度快、容錯(cuò)能力強(qiáng)，特別適合城市戰(zhàn)中低速率、長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的無線監(jiān)控應(yīng)用。通過增大發(fā)射功率、使用穩(wěn)定鋰電池、縮小探測(cè)距離及角度、部署在關(guān)鍵點(diǎn)、增加關(guān)鍵點(diǎn)路由等改進(jìn)方法。可進(jìn)一步提高系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)穩(wěn)定性。