無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在近一兩年開始全面普及，無論是在家庭用戶還是企業(yè)用戶中，我們都能看到無線技術(shù)的影子。 認(rèn)識(shí)無線監(jiān)控，相信大家對(duì)有線監(jiān)控系統(tǒng)比較了解，有線監(jiān)控系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、云臺(tái)、視頻服務(wù)器、監(jiān)控終端等設(shè)備組成。而無線監(jiān)控系統(tǒng)所需要的設(shè)備則比較簡(jiǎn)單，它只需要無線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、無線AP、監(jiān)控終端等設(shè)備組成，如果需要遠(yuǎn)距離無線監(jiān)控，還要增加戶外無線網(wǎng)橋等設(shè)備。

　　在環(huán)境比較惡劣，溫度、壓力、濕度、震動(dòng)、噪聲和電磁等因素時(shí)刻都可能發(fā)生變化的情況下，利用一般的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來組建監(jiān)控系統(tǒng)，可能會(huì)因?yàn)閷?shí)時(shí)性不夠強(qiáng)、靈敏度較小、延遲大、距離短、可靠性較低、受環(huán)境限制明顯等缺陷，無法全面實(shí)時(shí)有效地實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控。而隨著微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其成本低、組網(wǎng)靈活、受地理環(huán)境限制少、隱蔽性強(qiáng)、無人值守等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為監(jiān)控系統(tǒng)的。

　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，低速率短距離的ZigBee技術(shù)是無線通信的技術(shù)之一。本設(shè)計(jì)以確保安全實(shí)時(shí)監(jiān)控為出發(fā)點(diǎn)，運(yùn)用Zigbee技術(shù)，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)來進(jìn)行語音和圖像的無線傳輸。一個(gè)無線局域網(wǎng)的組建要根據(jù)具體環(huán)境來看，無線監(jiān)控系統(tǒng)是基于無線局域網(wǎng)之上組建的一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)。因此，無線監(jiān)控系統(tǒng)的組建同樣要根據(jù)具體的環(huán)境來決定，但總的來說可以，無線監(jiān)控系統(tǒng)具有三種模式，一種是室外無線監(jiān)控系統(tǒng)，一種是室內(nèi)無線監(jiān)控系統(tǒng)，還有一種是室外和室內(nèi)混合監(jiān)控系統(tǒng)。室外無線監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在一些工廠，它們需要對(duì)各個(gè)地方的安全進(jìn)行監(jiān)控等；室內(nèi)的無線監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在如礦井、鋼鐵冶煉、酒店賓館等行業(yè)中；室外和室內(nèi)混合組建的監(jiān)控系統(tǒng)我們就不在敘述，只要能夠?qū)⑹彝夂褪覂?nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)組建成功，這種混合方式也就顯得非常簡(jiǎn)單。

　　ZigBee技術(shù)語音圖像無線監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

　　系統(tǒng)由語音的雙向無線傳輸和圖像的無線傳輸兩部分組成，使工作人員在監(jiān)控中心便可以方便地監(jiān)視到一些環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合，及時(shí)處理各種運(yùn)營(yíng)事故，確保運(yùn)營(yíng)安全。

　　1 ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)語音無線傳輸

　?、?語音無線傳輸系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和"嗡嗡"（zig）地抖動(dòng)翅膀的"舞蹈"來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。

　　語音的無線傳輸以嵌入式微處理器和射頻收發(fā)模塊為，輔以外部的放大器、濾波電路、音頻編解碼器來實(shí)現(xiàn)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 語音無線傳輸總體框圖

　　運(yùn)算放大器負(fù)責(zé)對(duì)麥克風(fēng)接收到的語音信號(hào)進(jìn)行放大和消除部分干擾；音頻編解碼器完成對(duì)語音信號(hào)的A/D、D/A轉(zhuǎn)換和音頻信號(hào)的編、解碼；嵌入式微處理器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)與其他節(jié)點(diǎn)之間的通信；功率放大器對(duì)解碼和D/A轉(zhuǎn)換后的模擬語音信號(hào)進(jìn)行放大，恢復(fù)成原來的數(shù)據(jù)信號(hào)后由揚(yáng)聲器輸出。

　?、?語音無線傳輸系統(tǒng)器件選擇

　　嵌入式微處理器選用TI公司的低功耗定點(diǎn)高性能TMS320VC5416.該DSP采用雙電源供電，分別為內(nèi)核電源1.6V和I/O電源3.3V兩部分。主要特性有：速率達(dá)160MIPS;3條16bit數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線和1條程序存儲(chǔ)器總線；1個(gè)17×17乘法器和1個(gè)40bit專用加法器；8M×16bit的擴(kuò)展尋址空間，內(nèi)置128K×16bit的RAM和16K×16bit的ROM;3個(gè)多通道緩沖串口（McBSP）；配有PCM 3002低功耗單片立體聲音頻編解碼器，可對(duì)語音進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換。

　　射頻收發(fā)模塊選用符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的IP-Link 1221-2264,射頻（RF）是Radio Frequency的縮寫，表示可以輻射到空間的電磁頻率，頻率范圍從300KHz~30GHz之間。射頻簡(jiǎn)稱RF射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡(jiǎn)稱。每秒變化小于1000次的交流電稱為低頻電流，大于10000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。該模塊工作在2.4GHz頻段，通信速率可達(dá)250kb/s,可提供高效能遠(yuǎn)距離聯(lián)機(jī)能力，高輸出功率與低信號(hào)靈敏度，適用于遠(yuǎn)距離及惡劣環(huán)境下的無線通信解決方案。該模塊包含了通用I/O口、異步串行接口、JTAG口、USB口、外部供電接口等。其中，USB口負(fù)責(zé)與PC通信并對(duì)節(jié)點(diǎn)供電，外部供電接口支持  2.7~3.6V直流電源供電，同時(shí)還有兩個(gè)A/D和兩個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器。

　　音頻編解碼器選用TI公司生產(chǎn)的TLV320AIC23.其內(nèi)核數(shù)字供電電壓1.42~3.6V,模擬供電電壓2.7~3.6V,均與TMS320VC5416兼容，這樣，TLV320AIC23和TMS320VC5416之間就可以直接連接而不需要其他電平轉(zhuǎn)換芯片；內(nèi)置耳機(jī)放大器，采用先進(jìn)的sigma-delta過采樣技術(shù)，可在8~96kHz的范圍內(nèi)提供16bit、20bit、24bit和32bit的采樣，ADC和DAC的輸出信噪比分別可達(dá)90dB和100dB.

　　圖2 系統(tǒng)硬件電路

　　運(yùn)算放大器由放大電路和濾波電路兩部分組成。放大電路選用低功耗、低成本的LMV324放大器， 外加R和C構(gòu)成的低通濾波電路。

　　功率放大器選用LM386.它是一種音頻集成功放，具有功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外部元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為20~200之間的任意值。

　?、壅Z音無線傳輸系統(tǒng)硬件電路實(shí)現(xiàn)

　　麥克風(fēng)獲得的語音信號(hào)經(jīng)放大后送入TLV320AIC23的麥克風(fēng)輸入端（MICIN），經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和音頻編碼，由兩個(gè)多通道緩沖串行口McBSP0和McBSP1完成控制和通信。具體硬件電路如圖2所示。

　　圖3 電源電路

　　在硬件電路上，使用1.6V和3.3V兩組電源供電，這里選用雙輸出LD0穩(wěn)壓器TPS73HD301（見圖3）。TPS73HD301是TI公司提供的兩路輸出的電源芯片，輸出電壓一路為3.3V,一路為可調(diào)輸出1.2~ 9.75V.

　　2  ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像無線傳輸

　　ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以它們的通信效率非常高。

　　圖像的無線傳輸以射頻收發(fā)模塊為，輔以外部的攝像頭、電平轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)，總體硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程圖

　　從攝像頭輸出的圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)得到了較好的壓縮，速率為幾十kb/s,所以本系統(tǒng)使用RS-232串行口進(jìn)行通信。由于RS-232串口的電平較高，必須經(jīng)過MAX3232電平轉(zhuǎn)換后再送至射頻收發(fā)模塊的異步串口上，經(jīng)調(diào)制發(fā)送出去。接收端射頻收發(fā)模塊直接通過USB口插在上位機(jī)上，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信并對(duì)節(jié)點(diǎn)供電。

　　由于攝像頭的供電電壓為12V,射頻收發(fā)模塊的供電電壓為2.7~3.6V,所以本系統(tǒng)使用12V和3.3V兩組電源供電。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，節(jié)點(diǎn)采用串口通信模式，利用中斷的方法完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。數(shù)據(jù)的傳送采用主從節(jié)點(diǎn)方式，利用USB接口實(shí)現(xiàn)與PC通信。當(dāng)從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送中斷請(qǐng)求時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)接收信息包和數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收流程如圖5所示。

　　圖5  圖像無線傳輸仿真結(jié)果

　　仿真結(jié)果及在工業(yè)控制中應(yīng)用

　　在監(jiān)控端采用Java編寫的監(jiān)控管理軟件，通過串口、波特率、延時(shí)時(shí)間、紅外燈、圖片尺寸、圖像傳輸時(shí)間等方面調(diào)節(jié)，向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送監(jiān)控命令，接收傳感數(shù)據(jù)信息。仿真結(jié)果如圖6所示。

　　隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)過程中首要強(qiáng)調(diào)的是安全問題。在那些危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境如礦井、核電廠、鋼材加工廠中，可以使用該系統(tǒng)進(jìn)行過程監(jiān)控實(shí)施安全檢查。由于可以提前發(fā)現(xiàn)問題，能夠減少因生產(chǎn)事故帶來的損失，促進(jìn)生產(chǎn)的順利進(jìn)行，縮短設(shè)備停機(jī)時(shí)間，提高效率，并延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間。

　　結(jié)語

　　仿真結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以在隧道、煤礦等環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合很好地實(shí)現(xiàn)語音和圖像的實(shí)時(shí)無線傳輸，工作可靠、性能齊全，總體性價(jià)比較高，有著廣泛的應(yīng)用前景。其還可適用于工廠、銀行、超市、監(jiān)獄、酒店、商場(chǎng)等領(lǐng)域，具有一定的推廣價(jià)值。