基于ZigBee的无线室内人数统计系统设计

[导读]摘要：随着我国人口的增长，室内公共资源(如图书馆、商场、教室等)的有限，性变得日益突出。因此，对于资源有限的公共场所进行实时的人数统计，有助于人们做出更加合理的资源分配，节约人们在排队和寻找空间上消耗的大量时间。针对上述需求，设计了基于ZigBee的无线室内人数统计系统。该系统采用多组红外传感器组成人数信息的感知模块，然后通过ZigBee无线组网来实时收集传感器数据，并根据这些数据分析室内人数的变化情况，从而计算得到室内实时人数。实验结果表明，该系统能够有效统计室内人数信息，并具有低成本、低功耗、实时，性强等特点。

祁国鹏，何伟东，徐哲壮

(福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350108)

摘要：随着我国人口的增长，室内公共资源(如图书馆、商场、教室等)的有限，性变得日益突出。因此，对于资源有限的公共场所进行实时的人数统计，有助于人们做出更加合理的资源分配，节约人们在排队和寻找空间上消耗的大量时间。针对上述需求，设计了基于ZigBee的无线室内人数统计系统。该系统采用多组红外传感器组成人数信息的感知模块，然后通过ZigBee无线组网来实时收集传感器数据，并根据这些数据分析室内人数的变化情况，从而计算得到室内实时人数。实验结果表明，该系统能够有效统计室内人数信息，并具有低成本、低功耗、实时，性强等特点。

关键词：ZigBee；无线传感器网络；室内人数统计；红外传感器

文章编号:2095-1302(2014)09-0010-03中图分类号:TP393文献标识码：A

0引言

随着人口的增长，我国城市室内空间有限性与人口众多的矛盾日益突出，这个问题在公共场所的资源利用方面尤其严重。因此，在图书馆、博物馆、商场、高校教室等资源有限且人员流动性强的公共场所进行人数统计显得尤为重要：一方面，用户可以根据各个场所的实时人数统计信息为自己的行程做出安排，节约了宝贵的时间；另一方面，公共场所管理人员也可以利用人数统计系统掌控各个场所的使用情况，做出更加合理的资源分配和场所安全等管理措施叫根据上述需求，本文的研究工作设计了基于ZigBee技术的无线被动式红外传感器,并通过ZigBee网络收集多个传感器的检测信息，由此作出室内人数的精确统计。相比于现有的人数统计系统，本文设计的基于ZigBee的无线室内人数统计系统具有低成本、低功耗、实时性强等优点。

1系统的整体架构与功能

基于ZigBee的室内人数统计系统如图1所示，主要包括感知系统、ZigBee网络和上位机。系统利用部署在房间门口的两个被动式红外传感器检测人员进出信号，并通过ZigBee网络将传感器数据发送给协调器节点；协调器节点通过对比两个传感器检测信号接收的先后顺序，得到该房间人员出入情况，并由此计算出室内人数，并将实时人数统计结果通过串口发送到上位机进行保存和显示。

2硬件设计

2.1传感器采集模块

传感器采集模块的设计是系统能否准确感知人员进出的基础，该模块主要由被动式红外传感器、BISS0001芯片、外部电路模块、菲涅尔透镜等部分组成。图1所示是基于ZigBee的无线人数统计系统架构图。

基于ZigBee的无线室内人数统计系统设计

图1中，被动式红外传感器能够将探测到人体发出的红外热辐射信号并转换为电信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。被动式红外传感器已被证明能够较好地探测到活动的人体，同时具有价格低廉、功耗低、安装简单等特点。

BISS0001是CMOS数模混合专用集成电路，具有独立的高输入阻抗运算放大器，内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，双向鉴幅器可有效抑制干扰信号。BISS0001可与被动式红外传感器完美匹配，对采集的电信号进行处理。通过调节外接电路的电容和电阻可以得到适合各种场合的延时时间和高电平锁存时间，由此保证统计结果的精确度。

表1传感器模块感知区域
状态	感知区域形状感知区域角度	感知区域半径
改造前	扇形	116.4°	5.3m
改造后	扇形	28.2°	4.1m

由于被动式红外传感器本身可以感知的红外热信号距离通常在1m左右，难以满足应用的需求。因此需要通过菲涅尔透镜和放大电路的结合将信号放大70dB以上，由此扩大传感器的检测范围。然而由于菲涅尔透镜的外形和光学特性使得被动式红外传感器的感知范围是具有较大角度的扇形区域，这使得传感器极易受到周围环境的干扰，同时也会影响两个传感器感知顺序的判断，因此本系统的传感器模块在菲涅尔透镜的外围包裹了不透光的物体，使得传感器模块能够具有近似直线的感知区域。感知区域的实验数据见表1所列。

2.2ZigBee通信模块

ZigBee通信模块主要由CC2530芯片、电源以及外围模块组成，具有数据收集、数据处理和无线通信等功能。基于ZigBee的无线通信模块具有组网便捷、能耗低、实时性强等特点叫

（1）CC2530芯片

CC2530是由TI公司推出的，适用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE等协议的标准芯片四。其结合了性能优良的RF收发器、工业增强型8051CPU、系统内可编程闪存、8KBRAM和许多其他强大的功能，同时还提供了业界领先的Z-Stacktm协议栈吧为用户提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。

（2）电源

本系统的电源采用1300mAh、3.7V的主流锂电池，相比一般干电池具有能量高、使用寿命长、额定电压高、自放电率低、充电快速、质量轻等优点，预期使用寿命在1年以上,能够有效减小经常更换电池带来的不便。

（3）ZigBee通信模块

ZigBee通信模块的主要外围模块包括：传感器采集模块（用于采集被动式红外传感器的数据）;按键模块（主要用于模块的现场调试和维护）；运行状态显示模块（即液晶屏幕，用于显示ZigBee节点的实时数据以及现场调试和维护）；SCI串行通信模块（用于完成ZigBee模块与上位机之间的数据传输）。图2是无线传感器的硬件框图。

3软件设计

本系统的软件设计主要包括：数据收发、数据分析、上位机数据显示三个部分：

3.1数据收发流程

本系统的数据收发流程如图3所示，通常在启动ZigBee模块后，系统首先进行初始化，由协调器建立、维护ZigBee网络，而终端设备和路由节点则捜索并加入该网络，成为子节点。子节点周期性地监听传感器模块的信号，当采样电平发生变化，子节点把本地网络地址和采样的传感器数据打包，调用消息发送函数，将数据包发送给协调器节点，向协调器通知本地传感器数据变化。协调器节点接收到数据帧，在MAC层校验数据帧正确后，解析数据包，把提取出来的数据存储到消息队列，并上传到应用层，产生信息接收事件，等待系统处理该事件。

图2无线传感器＞硬件框图

图3数据收发流程

3.2数据分析流程

协调器在接收到子节点发送的数据包后，提取并存储信号帧中的数据。系统读取数据帧中节点的网络地址，判断是A节点或是B节点的数据，随后将传感器的电平变化数据存储到相应的FIFO队列中。系统根据队列中采样数据变化的情况,将两个节点的采样结果和先后顺序进行对比，由此判断室内人员的进出，并修改系统当前的统计人数。人数统计的具体算法如图4所示。

图4室内人数统计算法

3.3上位机数据显示

每当人数发生变化时，协调器节点便会通过串口将当前人数统计信息发送给上位机PC机。上位机软件则对这些信息进行存储和处理、并将信息显示在上位机的监视窗口。

4系统实验

根据公共场所人流的典型特征，我们选取容量大约为70人的高校教室作为实验对象，在该教室前后门两个进出口通道安装本文所设计的无线人数统计系统进行实验。实验时间从18点44分开始到22点20分结束，在实验过程中利用笔记本电脑做为上位计算机，分别通过人工和系统同时记录室内人员的流动情况，实验记录的数据包括：实际教室人数、上位机显示的教室人数、人数发生变化的时刻等。测试数据结果如图5所示。由实验数据可知，本系统在近4个小时的实验过程中运行稳定，测量结果和实际数据基本吻合。