基于ZigBee技術的紅外人體探測系統(tǒng)測試

摘要：為減少城市戰(zhàn)傷亡率，提出了一種基于ZigBee和藍牙技術的紅外人體探測系統(tǒng)方案。以星型網絡為原型，對系統(tǒng)的探測距離及靈敏度、抗干擾能力、節(jié)點功耗、穿透能力進行了測試，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、縮小探測距離及角度、部署在關鍵點、增加關鍵點路由等改進方法，從而提高系統(tǒng)實戰(zhàn)穩(wěn)定性。測試表明，ZigBee紅外人體探測系統(tǒng)功耗低、抗干擾、組網速度快、穿透能力強。半徑為6 m，圓心角為80°的扇形是其理想的探測區(qū)域。
關鍵詞：ZigBee；人體探測；協調器；城市戰(zhàn)；測試

    隨著全球范圍內的恐怖襲擊、局部戰(zhàn)爭不斷升級，城市已成為21世紀的主戰(zhàn)場。運用無線傳感器網絡技術能有效地提高城市戰(zhàn)中精確打擊、重點防御能力，ZigBee作為現存的最適合于搭建無線傳感器網絡的新興技術，已經受到國內外普遍關注，探索其城市戰(zhàn)應用對提高我軍戰(zhàn)技水平跨躍式發(fā)展具有重大的現實意義。筆者以紅外人體探測這一典型應用為突破口，對基于ZigBee技術的紅外人體探系統(tǒng)進行了測試，為實戰(zhàn)應用提供了參考。

1 原型系統(tǒng)
    由于應用背景為戰(zhàn)場人體探測，設定ZigBee終端節(jié)點之間不通信，只與路由節(jié)點或協調器節(jié)點進行數據傳輸。鑒于星型網的簡單結構，首先從星型網入手，實現一個小型ZigBee星型網的組網。原型系統(tǒng)使用成都無線龍公司生產的ZigBee網絡開發(fā)平臺和深圳商斯達公司生產的SS-101紅外人體探測模塊。3個ZigBee終端節(jié)點與紅外探測模塊相連，協調器節(jié)點與藍牙串口通信模塊相連，上位機上運行監(jiān)視界面。各節(jié)點及模塊使用電池或外接電源供電，系統(tǒng)加電后協調器自動建立網絡，終端節(jié)點加入后系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，當有人靠近某一終端節(jié)點時，紅外人體探測模塊輸出電平信號喚醒終端節(jié)點，將報警信號傳送到協調器，協調器通過藍牙串口模塊與上位機串口連接并發(fā)送報警數據至上位機。實物連接示意圖如圖1所示。

2 穩(wěn)定性測試及改進
2．1 測試說明
    在系統(tǒng)測試過程中，盡可能全面地營造出城市戰(zhàn)中可能出現的探測場景和無線信號干擾源，采取實際測試與定量分析相結合的方法，提出了改進系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。但在普通室外環(huán)境下，電磁干擾強度不夠，實戰(zhàn)復雜電磁環(huán)境不易構建，加之建筑物的反射不易控制、人為測量誤差等因素，導致測試結果可能有一定的偏差。
2．2 通信距離測試
2．2．1 測試過程
    考慮到城市戰(zhàn)應用環(huán)境，將測試地點選在室外樓房之間，使用外接電源和堿性電池兩種方式為終端節(jié)點和協調器節(jié)點供電，以實現節(jié)點不同的發(fā)射、接收功率。協調器加電后完成初始化并自動建立網絡，終端節(jié)點加電后自動搜索網絡，成功加入后終端節(jié)點上的LED每秒閃爍一次，在無法搜尋到網絡或發(fā)現網絡鏈路丟失后該LED保持常亮，同時繼續(xù)搜尋網絡。在不同的距離上每組測試做10次，測試統(tǒng)計結果如表1所示。

    通過實際測試發(fā)現，在室外環(huán)境下如果Zigaee節(jié)點均使用電池供電，節(jié)點間通信實際距離可以超過30 m，甚至在45 m之外的地方也能保持良好的通信狀態(tài)，但偶爾會有中斷現象。如果加大收發(fā)功率，用外接電源來維持模塊的供電，則可以實現60m的通訊距離。[!--empirenews.page--]
2．2．2 結果分析
    測試中只有距離和功率的變化，我們知道無線信號在自由空間傳輸過程中隨著傳播距離的增大而產生一定的衰減，稱為信道衰減。根據Friis自由空間方程(Friis Free-space Equation)，則協調器距終端節(jié)點的距離為d(d>d0)的接收信號功率表達式為：
   
    式(1)中Ptx為發(fā)送功率，Gt和Gr分別為終端節(jié)點和協調器的天線增益(Anterma Gains)，d0稱為遠場距離，是一個取決于天線技術的參數距離，d是終端節(jié)點與協調器之間的距離，λ為信號的波長，L表示從發(fā)射到接收的損失。對于非自由空間的信號傳播，接收信號的功率表達式為：
   
    式(2)中r是信道損失指數(Path-loss Exponent)，其取值在2～6之間。信道損失定義為信號的發(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數形式：
  
    式(3)稱為對數距離信道損失，PL(d0)是在已知參考點的信道損失。
2．2．3 改進方法
    從式(1)、式(2)以及式(3)可以看出，接收信號的功率與信號的傳播距離有關，如果增大接收信號的功率，則信號的發(fā)送功率必須呈指數狀增大。通常情況下，協調器的誤碼率是接收信號功率Pr的單調減函數。因此，要減小協調器的誤碼率就必須增大信號的發(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功率放大器，或者減小信號的傳輸距離。城市戰(zhàn)應用中，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重要的參數，可提高天線功率放大倍數。實戰(zhàn)中協調器、路由節(jié)點可加裝全向天線，擴大信號接收范圍；終端節(jié)點加裝定向天線，減少信道損失。從而增大信號接收發(fā)送的距離。
2．3 同頻干擾測試
2．3．1 測試過程
    城市戰(zhàn)中雷達、無線電臺頻段一般不使用通用的2．4 GHz。ZigBee技術的抗干擾測試主要針對同頻干擾，即來自共用相同頻段的其他技術的干擾?，F代城市生活中，藍牙、Wi-Fi、無線USB(WirelessUSB)、無繩電話和微波爐廣泛使用，可能對ZigBee造成同頻干擾。因此在距離測試的基礎上，分別選用藍牙手機、無線路由器、無線USB、無繩電話和微波爐在工作狀態(tài)下，對協調器節(jié)點進行干擾。不同距離上分別進行10次測試。測試結果如表2所示?？梢钥闯鰺o繩電話、微波爐兩個大功率設備對ZigBee的干擾性較大，其他設備對其干擾不明顯。

2．3．2 結果分析
    城市生活中，用于無線個人區(qū)域網(Wireless Personal Area Network，WPAN)范圍的短距離無線通信技術標準得到了迅猛發(fā)展，2．4 GHz(2．4～2．483 GHz)ISM頻段日益擁擠。各種信號帶寬如圖2所示。

    ZigBee在2．4 GHz頻段內具備強抗干擾能力，并不會對其他設備的工作造成威脅。具體分析如下：
    1)ZigBee與藍牙共存戰(zhàn)場紅外人體探測系統(tǒng)中同時使用了ZigBee和藍牙技術，藍牙采用FHSS并將2．4 GHzISM頻段劃分成79個1 MHz的信道，藍牙設備以偽隨機碼方式在這79個信道間每秒鐘跳1 600次。ZigBee系統(tǒng)是非跳頻系統(tǒng)，所以藍牙在79次通信中才有1次會和ZigBee的通信頻率產生重疊，且將會迅速跳至另一個頻率。而ZigBee對藍牙系統(tǒng)的影響可以忽略不計。
    2)ZigBee與Wi-Fi共存 Wi-Fi主要是針對高速率數據傳輸和無線接入局域網，與ZigBee技術面向的是完全不同的兩個領域。由于ZigBee信號帶寬只有3 MHz，相對于Wi-Fi的22 MHz帶寬屬于窄帶干擾源，通過擴頻技術IEEE 802．11b可以充分地抑制干擾信號。ZigBee設備天線的輸出功率被限制在0 dBm (1mW)以下，相對于IEEE802．11b的20 dBm(100 mW)相差甚遠，不足以構成干擾威脅。
    3)ZigBee與無線USB共存 每一個WirelessUSB信道寬1 MHz，將2．4．GHz ISM頻段分割成為79個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量變得不理想，則會動態(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主設備可以選擇一個新信道，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無繩電話不采用標準聯網技術，多數2．4 GHz無繩電話均采用5～10 MHz的信道寬度，所有無繩電話都會在ISM頻帶產生出相當高的能量，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ZigBee網絡的工作。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頻帶中最常見的干擾來源，而且是最難以預測和最分散的RF來源。每個微波爐輸出的能源強度不盡相同，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計會優(yōu)于其他幾種。實驗證明微波爐和ZigBee設備距離小于1 m時，約0．5％～2％的ZigBee數據幀被破壞，但當微波爐和ZigBee設備距離大于1 m時，微波爐的影響就基本不存在了。
2．3. 3 改進方法
    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和其他設備的共存。在應用環(huán)境中盡量關閉或遠離高頻大功率設備等干擾源。戰(zhàn)場中在敵方有意識的電子干擾情況下，可改變天線材質和結構，如采用高增益、方向性強的天線，或提高自身信號發(fā)射功率，改變自身信道。
2．4 探測靈敏度測試
2．4．1 測試過程
    在抗干擾測試的基礎上，對紅外人體探測模塊的靈敏度進了測試。為減少信號終端節(jié)點與協調器節(jié)點距離2 m，確保ZigBee信號穩(wěn)定傳送。系統(tǒng)加電后完成初始化組網過程，終端節(jié)點進入休眠狀態(tài)。由于人體紅外源受著裝影響，為盡可能貼近戰(zhàn)場環(huán)境，測試者著迷彩服，在紅外人體探測模塊前以走和跑兩種戰(zhàn)術動作移動，分別進行探測距離和探測角度測試。測試模擬場景如圖3所示，場地內標示出主要的距離和角度，距離測試以人體到達探測模塊正前方觸發(fā)信號的距離為準。角度測試以人體剛進入探測區(qū)域即觸發(fā)信號的角度為準。在不同的探測距離上分別進行了10次測試。

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    最大探測距離測試結果如表3所示。

    最大探測角度測試結果如表4所示。
2．4．2 結果分析
    將兩組測試數據進行整理，生成探測靈敏度曲線如圖4所示。由此可以看出，紅外人體探測模塊對快速移動的人體感應靈敏更高。6 m之內是其理想的探測距離，80°圓錐角內是其最佳探測范圍。

2．4．3 改進方法
    在實戰(zhàn)應用中，為有效提高人體探測靈敏度，在硬件方面可安裝頻率倍增系數更高的菲涅耳透鏡，優(yōu)化內部信號放大電路。另外探測模塊還可能會因為某些意外的情況或受環(huán)境因素的影響而觸發(fā)，從而發(fā)生誤報警。為此，應采用多個探測元、多技術復合探測以及智能化的數據分析等方法，提高探測器的性能和功能，降低誤漏報警。實戰(zhàn)部署時，以普通樓房平均層高3 m計算，應裝在門窗入口正前方1 m的天花板上，樓梯拐角的正上方，以保證人體在必經通路上有效觸發(fā)紅外信號。
2．5 工作時間測試
2．5．1 測試過程
    在城市戰(zhàn)應用中，由于工作的協調器節(jié)點只有一個，考慮到其數據收發(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網絡生存時間主要由終端節(jié)點確定。在室內環(huán)境下，使用兩節(jié)普通7號堿性電池為終端節(jié)點供電，休眠狀態(tài)以無法喚醒為判斷依據，工作狀態(tài)以協調器接收不到信號為判斷依據。經測試，終端節(jié)點在純休眠狀態(tài)耗電量極小，休眠6個月后仍可正常喚醒；在定時5 s間隔休眠狀態(tài)下，可持續(xù)工作35天以上；在信號持續(xù)發(fā)送狀態(tài)下，可持續(xù)工作10天以上。
2．5．2 結果分析
    因紅外傳感器工作狀態(tài)下，最大功耗小于0．000 05 W，遠遠小于ZigBee終端節(jié)點模塊功耗，可忽略。設電池容量為Qb節(jié)點工作電流為Iw，每次節(jié)點工作時長為tw，節(jié)點休眠時電流為Is，每次休眠時長為ts。則，預測最大工作天數Td為：
   
    將從CC2430數據手冊和實際測量得到的電壓、電流數據代入公式整理得：
   
    根據式(5)，如使用容量為1 000 mAh電池供電，電壓3V，休眠時長為5 s，計算最長工作天數為55．41天。比測試結果長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 改進方法
    從式(4)可以看出電池容量Qb，節(jié)點工作電流Iw，每次節(jié)點工作時長tw，節(jié)點休眠時電流Is，每次休眠時長ts均可決定工作天數的長短。因此，城市戰(zhàn)應用中延長終端節(jié)點壽命的方法主要有：使用大容量電池(最好是電壓穩(wěn)定性高的鋰電池)、增加休眠時長、減少電流消耗，減小工作時間。另外還可考慮對終端節(jié)點進行加固，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間。
2．6 信號穿透測試
    由于探測系統(tǒng)主要在城市建筑物使用，信號穿透只考慮建主要結構的影響。經測試在電池供電狀態(tài)下，ZigBee信號可以分別穿透1堵鋼筋混凝土墻、2堵磚墻、2扇5 cm厚的實木門、3層中空玻璃、2 cm厚的鋼板。從理論上分析波長越短穿透力越強，雖然2．4GHz微波信號穿透力很強，但易受發(fā)射功率和傳輸介質吸收的影響。數據表明ZigBee信號衰減率與傳輸介質的密度基本成正比，在空氣中衰減率最低。因此實際應用中可在建筑物門窗入口、通道拐角處設置路由節(jié)點，盡可能地減少信號穿透墻體、門窗的概率。

3 結束語
    測試表明基于ZigBee技術的紅外人體探測系統(tǒng)穩(wěn)定性高，探測距離和角度適中，ZigBee無線傳感器網絡具有低功耗、抗干擾、易部署等特點，節(jié)點組網速度快、容錯能力強，特別適合城市戰(zhàn)中低速率、長時間、大范圍的無線監(jiān)控應用。通過增大發(fā)射功率、使用穩(wěn)定鋰電池、縮小探測距離及角度、部署在關鍵點、增加關鍵點路由等改進方法?？蛇M一步提高系統(tǒng)實戰(zhàn)穩(wěn)定性。