基于ZigBee的人员定位系统设计

第3章基于ZigBee的人员定位系统硬件电路设计3.1CC2530F256单片机最小系统电路设计基于ZigBee的人员定位监测系统设计选用的主控模块是CC2530F256单片机，该单片机采用先进的能源管理技术，能够在保证性能的同时降低功耗。它支持多种低功耗模式，可根据实际需求调整功耗水平，从而延长电池寿命。该单片机的主频最高达32MHz，能够处理相对复杂的控制任务，具有丰富的外设资源，成本较低。显示模块与单片机之间通过接口和引脚连接，实现数据的便捷传输、显示以及实时更新。由于单片机需要处理整合来自多个传感器模块的数据信息，因此其内部存储空间设计得相当大。CC2530F256单片机引脚图如图3-1所示。图3-1CC2530F256单片机引脚图3.2显示接口电路设计本设计利用0.96英寸OLED显示屏构建人机交互界面，硬件部分借助四线制SPI通信方式跟主控芯片相连接，系统采用3.3V电源为显示模块输送电力，还在电源端增设两组容量不同的滤波电容，来消除电压波动对显示效果的干扰，于通信线路所处空间中，时钟信号线跟数据信号线分别接至主控芯片的特定输出端口，复位引脚以及数据指令切换引脚调整为高低电平控制模式。显示模块内部整合了电压转换电路，可直接凭借系统电源驱动屏幕发光单元，电路板设计时聚焦优化信号传输质量，采用缩短信号线距离、保持线路长度相等以及在敏感信号区域设置接地屏蔽层等方式，切实降低信号受干扰的风险，软件范畴采用定时刷新的机制，每秒就把屏幕上的定位坐标、环境数据和警示标识等信息更新一次，若处于无操作时段，就自动关闭显示节省电能，整套方案采用优化接口配置及电源管理策略的方式，在让实时信息可视化的同时极大降低系统能耗，满足定位监测设备对界面友好程度与续航时长的综合需求，从图3-2中可看出。图3-2显示接口电路图3.3温湿度接口电路设计本设计借助DHT11温湿度传感器构建环境参数采集系统，其硬件方案核心围绕单总线通信和节能特性做规划，供电模块采用与主控芯片一起用的3.3V直流电源，采用并联100nF陶瓷电容和10μF电解电容的方式形成滤波电路，能有效抑制电源干扰，维持电压稳定。数据传输线借助4.7kΩ电阻连接到控制器P2.0端口，该端口设置采用特定输入输出模式，采用单线通信协议完成双向数据传输，系统开始工作之际，控制器最先发出持续时间超出18毫秒的低电平启动信号，而后传感器返回的40位数据包包含湿度、温度及校验数值。为加大抗干扰能力，传感器金属外壳跟电路板接地层做直接连接，同时在软件环节添加10毫秒延时检测机制防止信号出现冲突，就节能优化而言，设置传感器每隔30分钟执行一次数据收集的间歇工作模式，配合控制器的休眠功能，极大降低整体能耗，采用精简电路元件并优化通信流程的方式，该方案在维持温湿度测量精度的同时，成功实现无线传感网络终端对环境参数持续监测的应用标准，设计呈现如图3-3所示。图3-3温湿度接口电路图3.4烟雾接口电路设计本设计依靠MQ-2烟雾传感器搭建起气体检测系统，硬件设计聚焦于功能模块整合和节能优化工作：系统采用5V的直流电源进行供电，采用3.3V稳压模块为传感器加热单元供给稳定的电压，加热回路采用可调电阻和固定电阻相组合的调节电路，实现对灵敏度的调整，同时保证约20秒的预热准备时间；传感器模拟输出的信号经阻容滤波单元把干扰消除后，接入主控芯片对应模拟信号采集的端口，通过内置高精度模数转换模块，以每秒500次的采样频次，把0-3.3V的电压信号转换为数字数值，对应可实现300至10000ppm浓度范围的检测；传感器检测单元借助负载电阻把电流信号变换为电压信号，保证输出范围与主控芯片输入要求相吻合；系统专门设置了电源控制单元，依靠主控芯片的通用输出端口连接晶体管开关，以周期性形式控制传感器供电状态，切实降低设备运行时的能耗；整体方案采用信号净化处理办法、动态电源管理措施和硬件接口匹配手段，保障气体浓度检测结果的可靠性，同时兼顾主控芯片在环境监测及无线通信功能协同配合的需要，该电路设计在确保测量精度这一基础上，做到了硬件资源的合理规划与系统功耗的有效掌控，从图3-4可以看出。图3-4烟雾接口电路图3.5甲烷接口电路设计本设计凭借MQ-4甲烷传感器搭建气体检测系统，重点对信号采集及节能控制做优化，电源部分采用5V的直流电源，经由稳压芯片向传感器输送稳定电压，加热模块借助限流电阻、滤波电容保证工作电流为150mA，设定48秒预热时长让传感器充分激活。信号处理部分采用滤波电路消除干扰，借助分压电阻把传感器输出的0-5V电压线性调节成适合单片机处理的0-3.3V范围，接入主控芯片的模拟信号通道实施数字化转换，系统依靠MOS管控制传感器间歇性地工作，配合低功耗设计把平均电流降到5mA以下。于电路板布局中对模拟和数字信号路径进行隔离，采用星型接地和去耦电容抑制干扰，从软件层面将滑动滤波和温湿度补偿算法融合以修正传感器数据，经由无线通信模块把检测结果实时传输，该方案在维持甲烷浓度检测精度的基础之上，实现了检测设备低功耗及紧凑型的设计愿景，从图3-5中可见。图3-5MQ-4接口电路图3.6蜂鸣器驱动电路设计蜂鸣器驱动电路的核心组件有蜂鸣器、PNP型晶体管，还增添一个1KΩ的电阻，主控器PB5引脚经1KΩ电阻与晶体管的基极相连接，以达成控制信号的转送，当电信号进入驱动的电路时，它会诱发晶体管产生高频振荡，进而输出对应频率的交流电流至蜂鸣器，进而带动蜂鸣器发出声响。要是晶体管接收到低电平信号，它会达成导通状态，集电极的电压跟着下降，让蜂鸣器里有电流流过，进而产生磁场，作用到其内部的振片上，振片随后振动且发出声音，要是晶体管接收到高电平信号，集电极处电压上升，蜂鸣器中无电流的流动，于是结束发声，该机制保证了蜂鸣器可依据输入信号的状态发声或静音，蜂鸣器电路设计如图3-6所示。图3-6蜂鸣器驱动电路图3.7本章小结本章重点详细说明煤矿环境监测系统当中各模块与电路设计的关键内容，在着手硬件设计的阶段，详细剖析各个硬件模块电路的组成，用心挑选契合需求的组件型号，并细致研讨它们各自的特点与所需达成的功能，为让硬件设计既精准又高效，对各个元器件的设计方案以及型号选择都进行了严格比较与筛选，正是借助这样严谨的态度与认真的工作，才得以顺利把整个硬件设计任务完成。

第四章ZigBee软件流程设计4.1ZigBee终端节点软件流程设计4.1.1显示程序流程设计OLED显示程序流程设计从终端节点完成上电启动后，先完成OLED屏幕硬件的初始化，接着加载预先准备好的字体库与图标资源，之后进入主循环，一直监测传感器数据与网络状态，程序优先采集DHT11传感器的温湿度值和MQ-2/MQ-4气体的浓度数值，同时接收协调器借Zigbee网络下发的实时定位坐标数据，把上述信息按照预设格式开展数据融合处理。显示界面采用的是分层布局设计法：顶部的状态栏能动态展示网络信号强度以及SOS紧急状态标识，主显示区左半部分把温度、湿度、甲烷浓度参数及其单位符号显示出来，右半部分始终显示终端节点在直角坐标系里的X/Y坐标数值，底部功能区依靠图标动画反馈LED照明状态及按键操作的响应情况。若检测到环境参数超过上位机设定的安全临界值时，屏幕中央弹出闪烁警示图标，紧接着触发显示锁定机制维持告警的可见度，当接收到用户按键操作的指令，立刻更新对应功能状态的显示样式，要是出现异常断网现象，自动切换到离线模式，在坐标显示区叠加通信中断提示符号，具体程序流程图的具体展示如图4-1所示。图4-1OLED显示控制流程设计图4.1.2温湿度程序流程设计终端节点启动后初始化DHT11传感器GPIO引脚并配置单总线通信时序，随后进行周期性触发温湿度数据采集，每次检测时主控芯片向传感器发送开始信号并切换为输入模式等待响应，成功接收数据后通过CRC校验验证有效性，校验失败则丢弃数据10ms后重测，校验通过后将二进制数据转换为物理量值，处理后的数据存入临时缓存区，与MQ系列气体浓度数据打包为结构化数据帧，通过Zigbee模块发送至协调器的同时调用OLED显示接口更新当前温湿度数值，系统持续监测上位机下发的温湿度阈值参数，实时数据超阈值时激活本地LED警示灯闪烁并置位异常状态标志。具体显示程序流程图如图4-2所示。图4-2温湿度程序流程图4.1.3甲烷程序流程设计甲烷检测程序流程设计从终端节点上电后，首先初始化MQ-4甲烷传感器的模拟量采集通道并配置ADC模块的参考电压与采样精度，随后固定周期读取传感器输出电平。每次检测时，主控芯片启动ADC转换获取原始电压值，连续采样三次进行中位滤波后，结合预设的甲烷浓度-电压特性曲线进行线性插值计算，将电压值转换为实际甲烷浓度值（单位为ppm），同时根据环境温度补偿系数对结果进行动态修正以提高测量精度。处理后的浓度数据与校验码组合为数据包，通过Zigbee网络发送至协调器，并同步更新OLED屏的甲烷浓度显示页。当上位机下发的浓度阈值被突破时，立即激活蜂鸣器高频报警并在数据帧中标记超限状态。流程设计如图4-3所示。图4-3甲烷程序流程图4.1.4瓦斯程序流程设计终端节点上电后初始化MQ-2传感器模拟输入引脚及ADC模块（12位分辨率），建立标定曲线查找表，随后开始周期执行检测任务，每次检测时主控芯片启动ADC连续采集三次电压，经中值滤波后，通过分段线性插值转换为标准瓦斯浓度值（%LEL），数据经CRC校验并附时间戳打包后通过Zigbee发送至协调器，同时刷新OLED显示界面。系统实时比对爆炸下限阈值，超标时立即触发蜂鸣器脉冲报警、点亮红色LED并在数据帧嵌入紧急标志位，持续10秒超限则激活SOS协议发送红色警报包。瓦斯程序流程设计如图4-4所示。图4-4瓦斯程序流程图4.2ZigBee协调器节点软件流程设计ZigBee协调器节点软件流程设计从设备上电开始，首先初始化CC2530芯片的ZigBee协议栈与CH340串口模块，配置网络参数并建立以自身为原点的ZigBee网络，随后进入主循环持续监听网络接入请求。当检测到路由节点与终端节点入网时，记录各节点的短地址与物理位置信息，通过UART向上位机发送网络拓扑结构数据。协调器实时接收终端节点上传的温湿度、瓦斯浓度数据包及路由节点转发的RSSI定位信息，对RSSI值进行加权滤波处理后，基于三边定位算法计算终端节点的实时坐标，将坐标数据与传感器数据整合为复合数据帧，添加时间戳后通过串口发送至C#上位机。同时接收上位机下发的报警阈值参数与指令，转发至对应终端节点并监控执行状态，当检测到传感器数据超限或SOS紧急信号时，立即激活本地蜂鸣器报警并向所有节点广播预警指令。系统内置数据缓存队列，在网络通信异常时暂存最多200条数据记录，每隔5秒向上位机发送心跳包维持连接状态，自动维护设备在线列表并标记离线节点，所有操作日志与网络事件均以ASCII格式存入外部FLASH存储器，支持通过上位机指令触发历史数据批量回传与系统参数重置功能。ZigBee协调器节点软件流程设计如图4-4所示。图4-5ZigBee协调器节点软件流程图4.3上位机APP工作流程设计ZigBee上位机APP工作流程设计从程序启动、初始化CH340串口通信模块以及加载历史配置文件起始，首先搭建起与协调器的UART连接，实时接收协调器发送的复合数据帧然后解析，获取终端节点的坐标、温湿度、瓦斯浓度与设备状态这些信息。主界面采用多线程设计方案，左侧先动态绘制二维坐标系，再对各ZigBee节点的实时位置图标加以渲染，右侧面板分区显示传感器数据的曲线图、当前报警状态的列表以及网络拓扑结构的示意图，当察觉到环境数据超过预设阈值，又收到SOS紧急信号时，即刻引发声音报警并弹出闪烁警示框，同时把事件记录存入SQLite数据库，且生成包含时间戳的日志文件。用户可以利用参数设置界面修改报警阈值、调整坐标显示的比例以及导出历史数据报表，系统每隔5秒给协调器发送心跳包，以此维持通信链路，自动检测设备是否离线，在拓扑图上标记红色断线标识，一切接收的数据经校验后存入内存缓冲池，按分钟为单位把数据批量写入CSV文件，且支持时间范围检索与轨迹回放功能，若接收到手动截图指令，便自动将当前界面保存为PNG图像，然后关联至对应时间点的数据记录，异常退出时会自动把未保存数据备份，重启时恢复到最近的工作情形，图4-6呈现了ZigBee上位机APP工作流程的设计。图4-6上位机程序流程图4.4本章小结本章小结围绕基于ZigBee的定位及环境监测系统展开论述，系统借助四节点网络架构搭建了完整的无线传感体系，协调器作为网络核心，部署在了坐标系原点，两个路由节点分别把自己固定在X/Y轴端点，以形成定位基准，移动终端节点搭载多种类传感器来实现环境参数采集及定位功能。系统以RSSI三边定位算法结合直角坐标系模型为手段，把信号强度转化为空间里的坐标，运用ZigBee协议达成终端节点坐标数据、温湿度、瓦斯浓度的实时递送，协调器把数据整合起来，然后经串口上传到上位机，由C#开发出来的上位机软件具有动态坐标系渲染、传感器数据可视化、阈值报警及历史数据存储功能，造就“感知-传输-处理-显示”的全链路闭环格局。各节点软件设计包含了硬件驱动、数据滤波、异常处理与通信协议范畴，上位机借助多线程架构实现数据解析和界面交互的同步操作，系统集成了诸如传感器校准、离线存储、故障自诊断的机制，验证了ZigBee技术在环境监测跟人员定位领域的可行程度与实用效果，为后续工业场景应用铺就了技术基础。

第5章基于ZigBee的煤矿环境监测系统调试5.1系统硬件测试系统硬件测试主要针对各模块功能及系统协同工作性能展开。首先进行ZigBee组网功能测试，给作为协调器的CC2530开发板加电，观察其是否成功建立ZigBee网络，随后将两块路由节点分别置于直角坐标系X轴和Y轴末端并加电，查看路由是否正确加入网络，最后给终端节点加电，确认其能否作为盲节点成功接入网络，通过串口助手查看协调器是否显示各节点加入信息，验证组网功能正常。定位功能测试时，移动终端节点，利用RSSI信号距离算法获取终端与协调器、两路由节点间的距离，通过定位算法计算坐标，观察OLED12864屏幕是否显示实时坐标，同时查看电脑上位机是否实时显示各设备坐标值及图形位置，验证RSSI直角坐标系定位法的有效性。传感器模块测试中，使用DHT11温湿度传感器和MQ-2、MQ4气体传感器采集环境数据，通过终端节点的OLED屏幕和上位机查看温湿度、瓦斯及甲烷浓度数据，人为改变环境温湿度和气体浓度，测试上位机是否在数据超过预设阈值时启动告警功能，蜂鸣器是否正常报警，验证传感器采集与告警功能正常。按键功能测试时，操作终端节点的按键，观察LED照明灯能否正常开关，触发SOS紧急呼叫按键，查看上位机是否接收到紧急情况通知，验证按键控制功能有效。串口通信测试中，通过CH340串口转USB模块连接协调器与电脑，利用上位机软件查看数据上传是否稳定，是否存在数据丢失或乱码现象，同时测试上位机的数据记录功能是否正常。整体测试过程中，各硬件模块功能均能按设计要求正常工作，ZigBee网络稳定，定位坐标计算准确，传感器数据采集与上传实时可靠，按键控制和告警功能响应灵敏，系统硬件部分满足设计需求。硬件调试如图5-1所示。图5-1硬件测试过程5.2系统软件测试系统软件代码测试以核心功能模块为中心开展，ZigBee组网测试用来验证协调器建网、路由以及终端节点入网及通信的稳定性，采用串口助手观察网络状态以及节点表，统计丢包的占比，实施RSSI定位算法测试，在已知坐标点部署终端，把计算得到的坐标与实际值对比，为优化精度而调整模型参数。图5-2硬件代码调试过程传感器数据采集测试通过串口输出验证终端对数据的读取，上位机实现解析显示的功能，调整环境参数测试响应的灵敏性，阈值告警测试在上位机设置警戒界限，构建超限场景以验证报警触发及日志记录，进行紧急呼叫测试时按下SOS按键，检查数据包是否发送及上位机报警显示，上位机功能测试涉及实时展示坐标、存储查询历史数据及大数据量性能验证，测试表明系统各模块功能无异常，定位精度满足既定要求，数据采集扎实可靠，告警反应迅速，上位机界面亲和又稳定可靠。图5-3上位机调试过程参考文献夏青,康国华,成婧,等.基于ZigBee的室内手持定位系统的设计[J].四川兵工学报,2023.夏书娟,苗曙光,李晨晨,等.基于ZigBee的井下巷道人员定位系统[J].洛阳理工学院学报:自然科学版,2023,33(4):64-69.付颜龙,祁静,王佳雨.基于ZigBee技术的井下无线定位系统设计[J].2023(23):40-42.汝彦冬,刘鑫,孙振翔,等.基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统设计[J].2022(4).徐怀芹,黄坤,杨义,等.基于ZigBee的井下定位系统研究与设计[J].电脑知识与技术：学术交流,2022(004):018.徐怀芹黄坤杨义朱素娜.基于ZigBee的井下定位系统研究与设计[J].电脑知识与技术:学术版,2022.刘艳,吴蒙.基于ZigBee技术的室内定位系统的研究[J].2022(4).韩世杰.基于无线传感技术的多维度定位系统研究与设计[D].吉林建筑大学,2023.车巍.基于射频识别技术的智能设施监测系统设计与开发[J].信息记录材料,2023,24(11):164-166.曹鹏飞.基于ZigBee网络的室内定位系统设计[J].信息与电脑,2022,34(20):123-125.彭熙,潘磊,夏珺,等.双足人形机器人定位及运动规划系统的设计与实现[J].计算机与数字工程,2024,52(2):399-402.王苏洁.煤峪口煤矿基于WSN井下人员定位系统设计研究[J].山东煤炭科技,2023,41(3):202-204.陈光辉.基于ZigBee的救援机器人无线通信系统设计和实现[J].信息记录材料,2023,24(3):153-155.曹鹏飞.基于RSSI的WSN定位系统设计[J].无线互联科技,2023,20(16):87-89.樊强.基于STM32的矿工安全无线监测系统的设计[D].淮北师范大学,2022.HongmeiM,WeiningX.ResearchontheSystemofMineIntelligentPositioning[J].Wirelesspersonalcommunications:AnInternaionalJournal,2023(4):131.XuZ,LiJ,LiW.TheElectricPowerEquipmentOnlineMonitoringSystemBasedonZigBee[J].2022.JiM,RenG,ZhangH,etal.CollaborativepositioningforemergencyrescuersbasedonINS,GPSandZigBee[J].IOPPublishingLtd,2024.DebbicheA,MsadaaIC,GrayaaK.EIPSO:AnEnergyEfficientIndoorPositioningSystembasedonGameTheory[J].Mobilenetworks&applications,2023,28(1):85-96.MengX.DesignandImplementationofElectricalParameterMonitoringSystemBasedonZigBeeWirelessCommunication[J].Mobileinformationsystems,2022,2022(Pt.2):4189774.1-4189774.12.

附录1图1基于ZigBee的煤矿环境监测系统电路原理图附录2图2基于ZigBee的煤矿环境监测系统电路PCB图附录3图3基于ZigBee的煤矿环境监测系统实物图附录4主要代码如下：#include"app.h"/**********User_Statement**********/unsignedcharAPP_TASKS;//轮询任务IDunsignedcharrf_temp[rf_temp_max];//无线数据接收缓存unsignedintindex;//公共累加数unsignedchartemp_flash[11];//flash缓存unsignedintread_adc;//adc缓存unsignedchartx_temp[10];//发送缓存unsignedintcnt_link[3];//联网计数unsignedcharmode=0;//控制模式，0：自动，1：手动unsignedcharstatus_fan[3];//风扇开关标志unsignedcharflag_beep;//蜂鸣器告警标志unsignedintcnt_report;//串口数据轮流上报计时器unsignedcharpoint_report;//串口上报进程计数unsignedcharflag_report=1;//串口上报节点数据切换标志unsignedchartemperature[3];//温度值缓存unsignedcharhumidity[3];//湿度值缓存unsignedchargas[3];//气体值缓存unsignedcharlight[3]={0};//光线值缓存unsignedcharmin_wendu=10,max_wendu=30;//温度阈值unsignedcharmin_shidu=30,max_shidu=80;//湿度阈值unsignedcharmin_gas=30,max_gas=80;//气体阈值unsignedcharmin_light=30,max_light=80;//光线阈值voidApp_Report(void)//串口数据轮流上报函数{if(cnt_report>100){//cnt_report在定时器中断中1毫秒加1，大于100相当于100毫秒执行一次本函数point_report++;//串口上报进程计数切换到下一条switch(point_report){case1://联网计数为0表示中断未连接协调器，cnt_link在定时器中断1毫秒非0自减一次。收到终端数据则设置为非0值if(cnt_link[0]==0){printf("link1=0\r\n");//link1=0表示终端联网中}else{printf("temperature=%d\r\n",temperature[0]);//上报温度值printf("humidity=%d\r\n",humidity[0]);//上报湿度值printf("gas1=%d\r\n",gas[0]);//上报气体值printf("light1=%d\r\n",light[0]);//上报光线值printf("link1=1\r\n");//link1=1表示终端联网成功}break;case2:printf("alarm1=%d\r\n",flag_beep);//上报报警状态break;case3:printf("switch1=%d\r\n",status_fan[0]);//上报风扇开关状态break;case4:printf("mode=%d\r\n",mode);//上报模式break;case5:printf("t=%d-%d\r\n",min_wendu,max_wendu);//上报温度阈值printf("h=%d-%d\r\n",min_shidu,max_shidu);//上报湿度阈值printf("g=%d-%d\r\n",min_gas,max_gas);//上报气体阈值printf("l=%d-%d\r\n",min_light,max_light);//上报光线阈值break;case6://空操作break;case7://空操作break;default:point_report=0;//上报超过7条后，将串口上报进程计数清0,下一次进入本函数将从第一条开始上报break;}cnt_report=0;//发完一条清除一次计数，方便下一个100毫秒后进入本函数}}voidAPP_Config(void){usart_config();//串口初始化配置timer_config();//定时器初始化配置gpio_config();//IO口初始化配置/**********协议栈采用宏定义区分协调器或终端或路由的程序*************关于宏定义在何处，可参考此博客提供的分析/uid-20788636-id-1841415.html*************************************