1、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
2、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Application of Wireless Pyroelectric Infrared Sensor Networks in the Number of Students Present Automatic Monitoring SystemLI Zheng-fang，LI Min ,XIAO Yao(Department of Electronic Engineering ,Nanjing University of Information Science ZigBee; CC2430; pyroel
3、ectric infrared sensor; number of students present automatic monitoring0 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
4、：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1.1 ZigBee 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 IEEE 802.15.4 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
5、种网络拓扑、低复杂度、可靠、安全等特点。无线传感器网络（WSN, wireless sensor networks）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 1000 m 范 围 内 的 光 波 热 效 应 非 常 好 ， 称为 红 外 线 ， 可 用 来 测
6、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 1 37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 10 m 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 10 m 左右的红外线而进行工作的。在
7、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 12 m 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
8、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IEEE 802
9、.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
10、 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，5
11、V 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 5 V 直流电压转化为稳定的 33V 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 go away)。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 Chi
12、pcon 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 ZigBee RF 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 0.18m CMOS 工艺生产，
13、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 1K 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 33V 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
14、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
15、 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 .3Texas Instruments Low-dropout voltage regulators with integrated delayed reset function(TPS79933)EB/OL2005-02-l0http：/wwwticom/wireless4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 .
