一种具有语音报警功能的ZigBee传感平台的设计

摘 要：无线ZigBee传感器网络已经应用于防爆、救灾、环境、医疗、家居、工业等众多领域，具有广阔的应用前景。文中设计了一种具有语音报警功能的ZigBee传感平台，该平台利用CC2530作为核心处理器，通过处理器提供的SPI，I2C等总线接口可方便的连接温度、湿度、瓦斯等相关传感器，完成相关检测。该传感平台周期性采集传感器数据，并与设定的警戒阈值进行比较，大于阈值时发出语音报警，同时将预警信号和节点位置信息通过Z-Stack协议栈提供的网络功能，向网络中的其他设备进行数据传输，从而实现全区域的报警与监控。

关键词：ZigBee协议；无线传感网络；语音报警

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）01-00-04

0 引 言

随着集成电路、传感器以及微机电系统（Micro-Electro-MechanismSystem，MEMS）等技术的飞速发展和日益成熟，各种功能的传感器已经应用于防爆、救灾、环境、医疗、家居、工业等众多领域，但是由于传感器检测到的信号大多非常微弱，为数据的远距离传输和处理带来了很大困难，而且在地震、空气质量检测等需要多节点、多类型传感器数据综合分析的大范围应用场景中，传感器设备的部署以及各节点之间的连接将变得非常复杂。

基于以上应用需求与实际问题，本文提出了一种基于ZigBee技术的无线传感器平台设计，该平台利用CC2530作为核心处理器，通过处理器提供的SPI，I2C等总线接口方便的连接温度、湿度、瓦斯等相关传感器，以完成相关检测，通过ZigBee协议自组网，实现多节点之间的通信与数据转发，并以WT588D为语音控制芯片，实现语音播报。

該系统主要工作网络架构及工作过程如图1所示。平台A，B，C放在数据采集现场，可以选择性的挂载不同的传感器以及扬声器，平台之间可以相互通信，以实现紧急情况的广播；平台D，E，F则主要提供数据转发，同时也可以选择性的挂载扬声器，使语音预警的范围更大；数据最终可以送到PDA、控制室或者通过以太网传输到远程数据中心。

1 平台的组成

平台的组成如图2所示。平台以8051CPU为中心，对外提供数字信号输入、模拟信号输入以及GPIO等接口，通过这些接口，平台可以挂载各种输出数字信号和模拟信号的传感器，其中模拟信号先经过内置的ADC（模数转换）后再传递到CPU，而直接输出数字信号的传感器可以与CPU之间通过I2C等总线进行通信；CPU在接收到传感器发送过来的数据后，根据不同的应用需求将数据按照ZigBee协议通过RF收发器转发出去，也可以直接通过CPU处理，然后通过语音模块以语音的形式向周围播报信息。

语音模块由语音控制芯片和Flash存储芯片组成，语音控制芯片与主控芯片之间通过三线串口进行通信，接收控制指令，实现语音的播放、暂停以及音量控制等；Flash的数据地址线直接与语音控制芯片的对应脚相连，用于提供需要播放的语音数据，语音文件通过串口工具已经预先写入Flash中。

语音控制芯片采用WT588D，与其他芯片相比，WT588D具有以下显著优点：

（1）电路简单，应用广泛，可靠性好，功耗低；

（2）最高支持32 Mb容量的Flash、220段可控地址位，每个地址最多可加载128段语音；

（3）支持DAC和PWM两种输出，内置13 b DA转换器和12 b PWM音频处理，可直接驱动0.5 W/8 Ω的扬声器；

（4）有配套的上位机软件，接口简单，使用方便。

2 硬件实现

根据设计功能的要求，系统的硬件电路分为无线电模块、控制核心CC2530基本工作电路、传感器接口电路、语音模块电路、程序及语音烧写电路、电源模块。

本次设计采用将射频模块和控制核心集于一体的SoC模块，其实物图如图3（a）所示，金属外壳能够最大限度屏蔽电磁干扰，基本工作电路如图3（b）所示。同时，本设计充分利用了CC2530丰富的接口（SPI，I2C，UART等），可根据现实需要设计相应的接口电路。语音模块采用WT588D系列语音单片机，该单片机提供了丰富的控制模式，如MP3控制模式、按键控制模式、按键组合控制模式、并口控制模式、一线串口控制模式、三线串口控制模式以及三线串口控制端口扩展输出模式。本设计中采用了三线串口控制模式，WT558D基本工作电路如图4所示。为实现在不同环境，不同情况下播报不同的语音，添加了Flash芯片W25Q64BV，该25Q系列提供了灵活性和性能极好的串行闪存器件。映射到RAM中的代码，直接从双路/四路SPI执行代码（XIP），存储语音、文本和数据。可根据需要下载不同的音频，接口电路如图5所示。程序及语音烧写电路如图6所示。电源模块由AMS11175V转3.3 V模块和去耦电容组成，供电电路如图7所示。

3 软件结构设计

3.1 软件结构

程序主流程图如图8所示，该程序主要实现以下三个功能：

（1）平台初始化；

（2）通过总线接口采集、处理数据；

（3）通过RF收发器和ZigBee协议组网转发数据。

3.2 平台软件设计

3.2.1 平台初始化程序

程序执行的开始需要加载ZigBee协议栈，然后配置系统环境，如系统时钟、工作模式等。之后初始化接口，例如将串口配置成UART或SPI模式，然后初始化用户自定义任务，初始化网络实现无线组网。初始化程序流程图如图9所示。

3.2.2 数据采集子程序

采集数据程序流程如图10所示。在采集数据时，如果有其他节点发送数据，则响应RF接收终端读取数据，否则采集传感器的数据；如果传感器使用SPI通信协议UART，可以在初始化接口时通过配置CC2530的寄存器来启用内部串行通信接口的对应工作模式；若通过I2C总线发送，则需要通过软件来模拟I2C的通信协议以采集数据（CC2530硬件不提供I2C通信模式）。

3.2.3 数据转发子程序

由于在采集数据子程序的过程中，传递来的数据可以是本地传感器的数据，也可以是网络中其他节点转发的数据，如果是网络中的数据就进行转发，如果是本地数据就先进行相应的处理再判断是否转发。如果数据超出阈值则发出对应的语音预警信息。数据转发子程序如图11所示。

3.3 平台软件的实现

ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。是ZigBee联盟和IEEE802.15.4工作组合作共同制定的一种通信协议标准。其中，ZigBee联盟定义了API层和NWK层，IEEE802.15.4规范定义了MAC层和PHY层。

市场上TI公司推出的完全支持ZigBee协议的SOC芯片CC2530只需要10元左右，同时IT公司推出的支持ZigBee协议的Z-Stack可免费使用。Z-Stack协议栈结构如图12所示。

3.3.1 Z-Stack协议栈添加用户任务

在API层添加周期性采集传感器数据的用户任务，实现步骤如下所示：

（1）用户任务初始化。在osalInitTasks（）中添加Mytask_Init（taskID），Mytask_Init（）包含对传感器、IO设置等的初始化操作。

（2）修改任务处理调用的数据结钩。在pTaskEventHandlerFn（是一个指向函数的指针）型数组tasksArr[]中添加任务的事件处理函数名Mytask_ProcessEvent，Mytask_ProcessEvent中包含传感器数据采集函数、数据处理函数、语音触发函数等。

（3）添加osalInitTasks（）和Mytask_ProcessEvent（）的具体实现。

3.3.2 Z-Stack协议栈上广播通信的实现

为实现监控区域的全区域报警，可采用组播或者广播的方式通信。本设计采用广播方式通信，实现示例如下所示：

（1）在SampleApp函数中，配置广播模式，设定目标地址变量为广播地址：

SampleApp_Periodic_DstAddr.addrMode=（afAddrMode_t）AddrBroadcast；

SampleApp_Periodic_DstAddr.endPoint=SAMPLEAPP_ENDPOINT；

SampleApp_Periodic_DstAddr.addr.shortAddr=0xFFFF；

（2）修改数据发送函数。SampleApp_SendPeriodic Mess -age（） 中AF_DataRequest（）的相应参数为&SampleApp_Periodic_DstAddr，SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID。并在SampleApp.h文件中添加宏定义#define SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID 1

（3）在SampleApp_ProcessEvent（）中添加用户事件触发的发送函数SampleApp_ProcessEvent（）。

4 测试结果

在实际测试中，采用加速度计作为实际应用中的传感器，本设计模拟现实中的检测碰撞系统，预先设定碰撞的加速度阈值为2g，警报信息编码为0X00，普通减速信息编码为0X01，将采集的数据经均值滤波后与设定好的阈值比较，当X轴方向的加速度值大于阈值时触发语音报警，并将报警信息0X00向周围节点广播。图13所示为采集到的加速度计X轴数据，通过串口助手软件在PC上显示结果。图14所示为本地监控室节点接收到的信息，通过串口助手在PC机显示结果。当加速度计静止时，接收到0X01，摇动加速度计来模拟碰撞时接收到0X00，并且语音模塊发出语音报警。

5 结 语

本文实现了一种基于ZigBee协议的无线语音报警平台。综合考虑成本、功耗、实用性等因素设计了硬件电路。同时在TI官方提供的Z-Stack协议栈的基础上进行了软件的修改与设计。配置不同的接口使用户可以根据特定环境选用特定的传感器（如温湿度传感器，烟雾传感器等）实现环境参数检测，当参数异常时触发语音报警，并将报警信号向周围节点广播实现全区域预警。根据不同环境选择不同拓扑结构的无线传感网络，如网络中节点过多时使用多跳路由方式。该系统可应用于智能家居、火灾险情探测、安保、国防等领域。实验结果表明，该系统具有低成本、低功耗、响应速度快，使用环境多样化等优点。

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