基于ZigBee技术的红外人体探测系统测试

摘要：为减少城市战伤亡率，提出了一种基于ZigBee和蓝牙技术的红外人体探测系统方案。以星型网络为原型，对系统的探测距离及灵敏度、抗干扰能力、节点功耗、穿透能力进行了测试，做出了定量分析，提出了增大发射功率、使用稳定锂电池、缩小探测距离及角度、部署在关键点、增加关键点路由等改进方法，从而提高系统实战稳定性。测试表明，ZigBee红外人体探测系统功耗低、抗干扰、组网速度快、穿透能力强。半径为6 m，圆心角为80°的扇形是其理想的探测区域。
关键词：ZigBee；人体探测；协调器；城市战；测试

    随着全球范围内的恐怖袭击、局部战争不断升级，城市已成为21世纪的主战场。运用无线传感器网络技术能有效地提高城市战中精确打击、重点防御能力，ZigBee作为现存的最适合于搭建无线传感器网络的新兴技术，已经受到国内外普遍关注，探索其城市战应用对提高我军战技水平跨跃式发展具有重大的现实意义。笔者以红外人体探测这一典型应用为突破口，对基于ZigBee技术的红外人体探系统进行了测试，为实战应用提供了参考。

1 原型系统
    由于应用背景为战场人体探测，设定ZigBee终端节点之间不通信，只与路由节点或协调器节点进行数据传输。鉴于星型网的简单结构，首先从星型网入手，实现一个小型ZigBee星型网的组网。原型系统使用成都无线龙公司生产的ZigBee网络开发平台和深圳商斯达公司生产的SS-101红外人体探测模块。3个ZigBee终端节点与红外探测模块相连，协调器节点与蓝牙串口通信模块相连，上位机上运行监视界面。各节点及模块使用电池或外接电源供电，系统加电后协调器自动建立网络，终端节点加入后系统进入休眠状态，当有人靠近某一终端节点时，红外人体探测模块输出电平信号唤醒终端节点，将报警信号传送到协调器，协调器通过蓝牙串口模块与上位机串口连接并发送报警数据至上位机。实物连接示意图如图1所示。

2 稳定性测试及改进
2．1 测试说明
    在系统测试过程中，尽可能全面地营造出城市战中可能出现的探测场景和无线信号干扰源，采取实际测试与定量分析相结合的方法，提出了改进系统稳定性的方法。但在普通室外环境下，电磁干扰强度不够，实战复杂电磁环境不易构建，加之建筑物的反射不易控制、人为测量误差等因素，导致测试结果可能有一定的偏差。
2．2 通信距离测试
2．2．1 测试过程
    考虑到城市战应用环境，将测试地点选在室外楼房之间，使用外接电源和碱性电池两种方式为终端节点和协调器节点供电，以实现节点不同的发射、接收功率。协调器加电后完成初始化并自动建立网络，终端节点加电后自动搜索网络，成功加入后终端节点上的LED每秒闪烁一次，在无法搜寻到网络或发现网络链路丢失后该LED保持常亮，同时继续搜寻网络。在不同的距离上每组测试做10次，测试统计结果如表1所示。

    通过实际测试发现，在室外环境下如果Zigaee节点均使用电池供电，节点间通信实际距离可以超过30 m，甚至在45 m之外的地方也能保持良好的通信状态，但偶尔会有中断现象。如果加大收发功率，用外接电源来维持模块的供电，则可以实现60m的通讯距离。
2．2．2 结果分析
    测试中只有距离和功率的变化，我们知道无线信号在自由空间传输过程中随着传播距离的增大而产生一定的衰减，称为信道衰减。根据Friis自由空间方程(Friis Free-space Equation)，则协调器距终端节点的距离为d(d>d0)的接收信号功率表达式为：
   
    式(1)中Ptx为发送功率，Gt和Gr分别为终端节点和协调器的天线增益(Anterma Gains)，d0称为远场距离，是一个取决于天线技术的参数距离，d是终端节点与协调器之间的距离，λ为信号的波长，L表示从发射到接收的损失。对于非自由空间的信号传播，接收信号的功率表达式为：
   
    式(2)中r是信道损失指数(Path-loss Exponent)，其取值在2～6之间。信道损失定义为信号的发射功率与接收功率的比值，即Ptx／Pr-cvd(d)，上式也可以改写为对数形式：
  
    式(3)称为对数距离信道损失，PL(d0)是在已知参考点的信道损失。
2．2．3 改进方法
    从式(1)、式(2)以及式(3)可以看出，接收信号的功率与信号的传播距离有关，如果增大接收信号的功率，则信号的发送功率必须呈指数状增大。通常情况下，协调器的误码率是接收信号功率Pr的单调减函数。因此，要减小协调器的误码率就必须增大信号的发送功率，如在发射器的输出端和发射天线之间增加一个功率放大器，或者减小信号的传输距离。城市战应用中，通常使用电池供电，在电源不变的情况下天线增益和方向性是其两个重要的参数，可提高天线功率放大倍数。实战中协调器、路由节点可加装全向天线，扩大信号接收范围；终端节点加装定向天线，减少信道损失。从而增大信号接收发送的距离。
2．3 同频干扰测试
2．3．1 测试过程
    城市战中雷达、无线电台频段一般不使用通用的2．4 GHz。ZigBee技术的抗干扰测试主要针对同频干扰，即来自共用相同频段的其他技术的干扰。现代城市生活中，蓝牙、Wi-Fi、无线USB(WirelessUSB)、无绳电话和微波炉广泛使用，可能对ZigBee造成同频干扰。因此在距离测试的基础上，分别选用蓝牙手机、无线路由器、无线USB、无绳电话和微波炉在工作状态下，对协调器节点进行干扰。不同距离上分别进行10次测试。测试结果如表2所示。可以看出无绳电话、微波炉两个大功率设备对ZigBee的干扰性较大，其他设备对其干扰不明显。

2．3．2 结果分析
    城市生活中，用于无线个人区域网(Wireless Personal Area Network，WPAN)范围的短距离无线通信技术标准得到了迅猛发展，2．4 GHz(2．4～2．483 GHz)ISM频段日益拥挤。各种信号带宽如图2所示。

    ZigBee在2．4 GHz频段内具备强抗干扰能力，并不会对其他设备的工作造成威胁。具体分析如下：
    1)ZigBee与蓝牙共存战场红外人体探测系统中同时使用了ZigBee和蓝牙技术，蓝牙采用FHSS并将2．4 GHzISM频段划分成79个1 MHz的信道，蓝牙设备以伪随机码方式在这79个信道间每秒钟跳1 600次。ZigBee系统是非跳频系统，所以蓝牙在79次通信中才有1次会和ZigBee的通信频率产生重叠，且将会迅速跳至另一个频率。而ZigBee对蓝牙系统的影响可以忽略不计。
    2)ZigBee与Wi-Fi共存 Wi-Fi主要是针对高速率数据传输和无线接入局域网，与ZigBee技术面向的是完全不同的两个领域。由于ZigBee信号带宽只有3 MHz，相对于Wi-Fi的22 MHz带宽属于窄带干扰源，通过扩频技术IEEE 802．11b可以充分地抑制干扰信号。ZigBee设备天线的输出功率被限制在0 dBm (1mW)以下，相对于IEEE802．11b的20 dBm(100 mW)相差甚远，不足以构成干扰威胁。
    3)ZigBee与无线USB共存 每一个WirelessUSB信道宽1 MHz，将2．4．GHz ISM频段分割成为79个1 MHz信道，具有频率捷变特性，它们虽采用“固定”信道，但如果最初信道的链路质量变得不理想，则会动态地改变信道，为减少干扰，WimMssUSB至少每50 ms检查一次信道的噪声水平，如果和ZigBee信道重叠，WirelessUSB主设备可以选择一个新信道，所以WirelessUSB完全可以和ZigBee系统和平共处。
    4)ZigBee与无绳电话共存 2．4 GHz无绳电话不采用标准联网技术，多数2．4 GHz无绳电话均采用5～10 MHz的信道宽度，所有无绳电话都会在ISM频带产生出相当高的能量，所以它是许多RF系统的干扰源。如果无绳电话采用FHSS，因其占用更宽的信道(5～10 MHz)，具有更高的功率。它发出的干扰可完全中断一个ZigBee网络的工作。如果无绳电话采用DSSS，则可将无绳电话与ZigBee系统所使用的信道配置成互不重叠，以消除干扰。
    5)ZigBee与微波炉共存微波炉也是这个频带中最常见的干扰来源，而且是最难以预测和最分散的RF来源。每个微波炉输出的能源强度不尽相同，且在频带上的分布状况也不一样，某些微波炉阻隔电磁波的设计会优于其他几种。实验证明微波炉和ZigBee设备距离小于1 m时，约0．5％～2％的ZigBee数据帧被破坏，但当微波炉和ZigBee设备距离大于1 m时，微波炉的影响就基本不存在了。
2．3. 3 改进方法
    通常正确选择信道，增大频偏以及和干扰源保持一定距离，可以保证ZigBee和其他设备的共存。在应用环境中尽量关闭或远离高频大功率设备等干扰源。战场中在敌方有意识的电子干扰情况下，可改变天线材质和结构，如采用高增益、方向性强的天线，或提高自身信号发射功率，改变自身信道。
2．4 探测灵敏度测试
2．4．1 测试过程
    在抗干扰测试的基础上，对红外人体探测模块的灵敏度进了测试。为减少信号终端节点与协调器节点距离2 m，确保ZigBee信号稳定传送。系统加电后完成初始化组网过程，终端节点进入休眠状态。由于人体红外源受着装影响，为尽可能贴近战场环境，测试者着迷彩服，在红外人体探测模块前以走和跑两种战术动作移动，分别进行探测距离和探测角度测试。测试模拟场景如图3所示，场地内标示出主要的距离和角度，距离测试以人体到达探测模块正前方触发信号的距离为准。角度测试以人体刚进入探测区域即触发信号的角度为准。在不同的探测距离上分别进行了10次测试。

    最大探测距离测试结果如表3所示。

    最大探测角度测试结果如表4所示。
2．4．2 结果分析
    将两组测试数据进行整理，生成探测灵敏度曲线如图4所示。由此可以看出，红外人体探测模块对快速移动的人体感应灵敏更高。6 m之内是其理想的探测距离，80°圆锥角内是其最佳探测范围。

2．4．3 改进方法
    在实战应用中，为有效提高人体探测灵敏度，在硬件方面可安装频率倍增系数更高的菲涅耳透镜，优化内部信号放大电路。另外探测模块还可能会因为某些意外的情况或受环境因素的影响而触发，从而发生误报警。为此，应采用多个探测元、多技术复合探测以及智能化的数据分析等方法，提高探测器的性能和功能，降低误漏报警。实战部署时，以普通楼房平均层高3 m计算，应装在门窗入口正前方1 m的天花板上，楼梯拐角的正上方，以保证人体在必经通路上有效触发红外信号。
2．5 工作时间测试
2．5．1 测试过程
    在城市战应用中，由于工作的协调器节点只有一个，考虑到其数据收发量大，可事先为其配备高容量电池，甚至配有备用电源，因此ZigBee网络生存时间主要由终端节点确定。在室内环境下，使用两节普通7号碱性电池为终端节点供电，休眠状态以无法唤醒为判断依据，工作状态以协调器接收不到信号为判断依据。经测试，终端节点在纯休眠状态耗电量极小，休眠6个月后仍可正常唤醒；在定时5 s间隔休眠状态下，可持续工作35天以上；在信号持续发送状态下，可持续工作10天以上。
2．5．2 结果分析
    因红外传感器工作状态下，最大功耗小于0．000 05 W，远远小于ZigBee终端节点模块功耗，可忽略。设电池容量为Qb节点工作电流为Iw，每次节点工作时长为tw，节点休眠时电流为Is，每次休眠时长为ts。则，预测最大工作天数Td为：
   
    将从CC2430数据手册和实际测量得到的电压、电流数据代入公式整理得：
   
    根据式(5)，如使用容量为1 000 mAh电池供电，电压3V，休眠时长为5 s，计算最长工作天数为55．41天。比测试结果长20天左右。分析原因，主要是因普通碱性电池电脉冲放电反应较快，电压线性下降，外围电路存在电量损耗等原因造成。
2．5．3 改进方法
    从式(4)可以看出电池容量Qb，节点工作电流Iw，每次节点工作时长tw，节点休眠时电流Is，每次休眠时长ts均可决定工作天数的长短。因此，城市战应用中延长终端节点寿命的方法主要有：使用大容量电池(最好是电压稳定性高的锂电池)、增加休眠时长、减少电流消耗，减小工作时间。另外还可考虑对终端节点进行加固，避免直接暴露在恶劣环境中，减少自然因素造成的电量损耗。在其他条件基木确定的情况下，最便捷的方式就是增加休眠间隔时间。
2．6 信号穿透测试
    由于探测系统主要在城市建筑物使用，信号穿透只考虑建主要结构的影响。经测试在电池供电状态下，ZigBee信号可以分别穿透1堵钢筋混凝土墙、2堵砖墙、2扇5 cm厚的实木门、3层中空玻璃、2 cm厚的钢板。从理论上分析波长越短穿透力越强，虽然2．4GHz微波信号穿透力很强，但易受发射功率和传输介质吸收的影响。数据表明ZigBee信号衰减率与传输介质的密度基本成正比，在空气中衰减率最低。因此实际应用中可在建筑物门窗入口、通道拐角处设置路由节点，尽可能地减少信号穿透墙体、门窗的概率。

3 结束语
    测试表明基于ZigBee技术的红外人体探测系统稳定性高，探测距离和角度适中，ZigBee无线传感器网络具有低功耗、抗干扰、易部署等特点，节点组网速度快、容错能力强，特别适合城市战中低速率、长时间、大范围的无线监控应用。通过增大发射功率、使用稳定锂电池、缩小探测距离及角度、部署在关键点、增加关键点路由等改进方法。可进一步提高系统实战稳定性。