CN104299384A - 一种基于Zigbee异质传感器网络的环境监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Zigbee异质传感器网络的环境监控系统。语音采集模块实时检测房间的声音信号，并将声音信号以AMBE语音压缩编码后传送到终端；Zigbee终端实时检测所在房间的环境温湿度数据，并接收声音信号，并按照Zigbee协议将环境温湿度数据和声音信号通过无线方式发送到控制室的协调器；协调器接收环境温湿度数据和声音信号，将声音信号传送到语音播放模块，并将环境温湿度数据发送到上位机；语音播放模块与协调器连接，接收协调器传送的声音信号后进行播放。本发明实现了将语音信息与环境温湿度信息相融合的异质传感器网络监控系统，在相同的带宽下可传输更多数据，并实现了短距离低带宽语音通信，支持无限扩展。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Zigbee异质传感器网络的环境监控系统，尤其是涉及无线传感器网络领域和无线语音通信领域的一种基于Zigbee异质传感器网络的环境监控系统。
背景技术
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线传感器网络技术。zigbee与蓝牙、wifi类似，是一种短距离、低功耗的近距离无线通信技术。一个典型的zigbee无线网络结构包含一个具有无线收发功能的协调器和若干带传感器的终端。无线传感器网络中的终端具有无线通信、数据采集功能。把终端布置到目标环境中，可实现在该环境温湿度、语音等数据的采集。
Zigbee网络支持星型、簇型和网状网络拓扑结构，组网方便，并且支持路由和多跳功能，大大提升了传输距离。
Zigbee网络的传输速率较低，最大数据传输速率为250kbps，加上协议中MAC层、物理层等各层的开销，一般实际最大传输速率不到100kbps， 因此传统zigbee传感器网络主要应用于较小流量数据的传输。要想通过无线传感器网络实现语音通信，需采用数字音频领域的最低采样率（8KHz），16bits的量化位数，单位时间内传输的数据量大于Zigbee网络能够承受的最大数据传输速率。为减少单位时间传输数据量，通常采用高效的压缩编码技术，方可满足zigbee网络的传输速率。
移动通信的CDMA网或GSM网主要用于语音通信，而ZigBee网络主要是用于工业现场自动化控制数据传输，与移动通信网高额投入的基站相比，可用于语音接收与发出的Zigbee节点成本则极为低廉。
实时获取环境语音信息是仓储监控系统的重要组成部分，但目前还没有将语音与环境温湿度相融合的监控系统，只是存在环境温湿度的监控系统。采用普通的语音压缩编码方式，占用的带宽较多，无法满足无线语音传输对低速率的要求。
发明内容
国内外已出现大量基于Zigbee传感器网络的环境数据采集系统，但是本发明提出了一种基于Zigbee异质传感器网络的环境监控系统，首次实现将语音信息与环境温湿度信息相融合的异质传感器网络监控系统，可采用AMBE编码方法并应用到Zigbee语音信息的传输中，使得传输速率压缩至4.8kbps，在相同的带宽下可传输更多数据，进行实时监控。
本发明采用的技术方案是：
包括置于各个房间的语音采集模块：实时检测所在房间的声音信号，并将声音信号以AMBE语音压缩编码后传送到Zigbee终端；
包括置于各个房间的Zigbee终端：实时检测所在房间的环境温湿度数据，并接收语音采集模块的声音信号，并按照Zigbee协议将环境温湿度数据和声音信号通过无线方式发送到控制室的协调器；
包括置于控制室的协调器：按照Zigbee协议接收环境温湿度数据和声音信号，将声音信号传送到语音播放模块，并将环境温湿度数据发送到上位机；
包括置于控制室的语音播放模块：与协调器连接，接收协调器传送的声音信号通过AMBE语音压缩编码后进行播放。
所述的Zigbee终端包括：
温湿度传感器：采集房间内的环境温湿度数据；
终端控制器：接收温湿度传感器的环境温湿度数据以及语音采集模块的声音信号，并按照Zigbee协议处理后发送到RF射频发送电路；
RF射频发送电路：将环境温湿度数据和声音信号发送至协调器；
电源模块：与终端控制器连接供电。
所述的协调器包括：
RF射频接收电路：接收Zigbee终端传送来的环境温湿度数据和声音信号后再传送到微控制器；
微控制器：将接收到的声音信号转发到语音播放模块，将接收到的环境温湿度数据传送到液晶屏和上位机；
液晶屏：显示实时传送来的环境温湿度数据；
电源模块：与微控制器连接供电。
所述的语音采集模块包括：麦克风、A/D转换器和语音数据压缩模块，麦克风将采集到的语音信号经A/D转换器后传送到语音数据压缩模块中，依次进行编码、量化、压缩和存储的处理后传送到Zigbee终端。
所述的语音播放模块包括：语音数据解压缩模块、D/A转换器和扬声器，语音数据解压缩模块接收协调器传送来的声音信号依次经解编码、解压缩处理后，再经D/A转换器传送到扬声器。
所述的温湿度传感器采用SHT11传感器，所述的终端控制器采用型号为CC2530的单片机。
所述的电源模块包括稳压模块和两节五号干电池。
所述的语音采集模块与Zigbee终端之间通过RS232串口相连接，所述的协调器与语音播放模块之间通过RS232串口相连接。
所述的RF射频接收模块或RF射频发送模块采用基于IEEE 802.15.4标准的2.4GHz的射频收发器。
所述的RF射频接收模块或RF射频发送模块采用Q2530RF。
本发明的有益效果是：
第一，在环境监控中应用Zigbee无线传感器网络通信技术，能够同时采集到温湿度数据以及语音数据，获取了监控环境的大量信息。
第二，采用高效的AMBE语音压缩编码方式，使语音数据传输速率降至4.8kbps，满足Zigbee网络的最大传输速率不到100kbps的瓶颈，解决了传输速率低的Zigbee网络无法传输语音流量数据的问题。
第三，本发明能实现短距离低带宽语音通信，ZigBee终端充当移动网络的基站，与协调器的室外通讯距离能达到几千米的通讯距离，支持无限扩展。
附图说明
图1是本发明系统的连接关系图。
图2是本发明中系统场景图。
图3是Zigbee终端的连接关系图。
图4是协调器的连接关系图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明系统为基于Zigbee星型拓扑结构的传感器网络，包括以下：
包括置于各个房间的语音采集模块：实时检测所在房间的声音信号，并将声音信号以AMBE语音压缩编码后传送到Zigbee终端；
包括置于各个房间的Zigbee终端：实时检测所在房间的环境温湿度数据，并接收语音采集模块的声音信号，并按照Zigbee协议将环境温湿度数据和声音信号通过无线方式发送到控制室的协调器；
包括置于控制室的协调器：按照Zigbee协议接收环境温湿度数据和声音信号，将声音信号传送到语音播放模块，并将环境温湿度数据发送到上位机；
包括置于控制室的语音播放模块：与协调器连接，接收协调器传送的声音信号通过AMBE语音压缩编码后进行播放。
如图3所示，上述的Zigbee终端具体包括：
温湿度传感器：采集房间内的环境温湿度数据。
终端控制器：接收温湿度传感器的环境温湿度数据以及语音采集模块的声音信号，并按照Zigbee协议处理后发送到RF射频电路。
RF射频发送电路：将环境温湿度数据和声音信号以无线温湿度数据和无线语音数据发送至协调器。
电源模块：与终端控制器连接供电。
如图4所示，上述协调器与Zigbee终端具有类似的硬件结构，包括：
RF射频接收电路：接收Zigbee终端传送来的环境温湿度数据和声音信号后再传送到微控制器；
微控制器：将接收到的声音信号转发到语音播放模块，将接收到的环境温湿度数据传送到液晶屏和上位机；
液晶屏：显示实时传送来的环境温湿度数据；优选的可采用LCD12864液晶屏。
电源模块：与微控制器连接供电。
如图1所示，语音采集模块包括麦克风、A/D转换器和语音数据压缩模块，麦克风将采集到的语音信号经A/D转换器后传送到语音数据压缩模块中，依次进行编码、量化、压缩和存储的处理后传送到Zigbee终端，其采用AMBE语音压缩编码方式编码。
如图1所示，语音播放模块包括语音数据解压缩模块、D/A转换器和扬声器，语音数据解压缩模块接收协调器传送来的声音信号依次经解码、解压缩处理后，再经D/A转换器传送到扬声器，其采用AMBE方式解码。
温湿度传感器采用SHT11传感器，终端控制器采用型号为CC2530的单片机。
上述协调器与Zigbee终端中的电源模块包括稳压模块和两节五号干电池，干电池通过稳压模块进行稳压后进行供电。
语音采集模块与Zigbee终端之间通过RS232串口相连接，所述的协调器与语音播放模块之间通过RS232串口相连接。
RF射频接收模块和RF射频发送模块均采用基于IEEE 802.15.4标准的2.4GHz的射频收发器。
RF射频接收模块和RF射频发送模块均采用型号Q2530RF。
本发明的具体实施过程如下：
如图2所示，设有四个房间和一个控制室，每个房间均放置有Zigbee终端和语音采集模块，系统的四个Zigbee终端、一个协调器与两个语音模块连接后，协调器发起并建立一个网络，四个终端请求并加入该网络，协调器给四个终端发布节点地址，协调器通过数据包中的节点地址识别是几号终端发出的温湿度数据以及语音数据。
温湿度数据处理过程中，四个Zigbee终端，实时采集房间内的环境温湿度数据，每五分钟依次向协调器发出温湿度数据包，协调器通过数据包中的节点地址识别并存储数据包。其中，遵循Zigbee协议的温湿度数据包大小为三十个字节，除去目的地址，源地址，数据长度等开销，将数据帧的有效数据长度设定为8字节，包括节点号、温度、湿度所占节点数。
无线与语音传输过程如下：
步骤一，语音数据采集：当环境产生人声，麦克风将接收到的较大幅值的声音信号转换为模拟电压信号，语音处理电路中的语音编解码芯片将模拟信号进行A/D转换后并量化为数字信号，并将该数字信号传至语音数据压缩芯片中。
步骤二，语音数据压缩：采用AMBE-1000语音压缩芯片，利用多媒体压缩方法（AMBE），将微控制器的音频数据进行压缩，压缩后传输速率为4.8kbps，压缩后语音数据传输给微控制器的缓存中。
步骤三，语音数据传输：微控制器芯片将缓存中的数据打包成zigbee协议的语音数据包，通过RS232传至房间1的Zigbee终端串口，房间1的Zigbee终端接收到数据包后以4.8kbps速率通过无线方式发送至控制室的协调器。控制室的协调器将语音数据通过RS232传至语音播放模块的微控制器的缓存中。
语音数据包是按照20ms的一个时间段来处理，大小一般为34字节，数据包中包括工作状态信息以及标志字（帧头0x13EC）。其帧格式是：AMBE-1000将压缩好的语音编码、工作状态信息以及标志字（帧头0x13EC）组成34字节的数据包输出。同时接收的数据也必须是符合帧格式的34字节的数据包。发送方每20ms的语音编码数据传送到接收方仍然要按发送方的语音数据的分段送给AMBE-1000芯片解码。
步骤四，语音数据解压缩：语音压缩芯片AMBE-1000对微控制器缓存中的语音数据进行解压缩，然后传给编解码芯片进行D/A转换，最后由语音放大芯片进行放大后发送至扬声器进行实时播放。
通过以上方式，本发明可以实现对环境内声音异常的检测和预警，实现对环境内温湿度的监控和预警。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1. 一种基于Zigbee异质传感器网络的环境监控系统，其特征在于：
包括置于各个房间的语音采集模块：实时检测所在房间的声音信号，并将声音信号以AMBE语音压缩编码后传送到Zigbee终端；
包括置于各个房间的Zigbee终端：实时检测所在房间的环境温湿度数据，并接收语音采集模块的声音信号，并按照Zigbee协议将环境温湿度数据和声音信号通过无线方式发送到控制室的协调器；
包括置于控制室的协调器：按照Zigbee协议接收环境温湿度数据和声音信号，将声音信号传送到语音播放模块，并将环境温湿度数据发送到上位机；
包括置于控制室的语音播放模块：与协调器连接，接收协调器传送的声音信号通过AMBE语音压缩编码后进行播放。
2. 根据权利要求1所述的一种基于Zigbee异质传感器网络的环境监控系统，其特征在于：所述的Zigbee终端包括：
温湿度传感器：采集房间内的环境温湿度数据；
终端控制器：接收温湿度传感器的环境温湿度数据以及语音采集模块的声音信号，并按照Zigbee协议处理后发送到RF射频发送电路；
RF射频发送电路：将环境温湿度数据和声音信号发送至协调器；
电源模块：与终端控制器连接供电。
3. 根据权利要求1所述的一种基于Zigbee异质传感器网络的环境监控系统，其特征在于：所述的协调器包括：
RF射频接收电路：接收Zigbee终端传送来的环境温湿度数据和声音信号后再传送到微控制器；
微控制器：将接收到的声音信号转发到语音播放模块，将接收到的环境温湿度数据传送到液晶屏和上位机；
液晶屏：显示实时传送来的环境温湿度数据；
电源模块：与微控制器连接供电。
4. 根据权利要求1所述的一种基于Zigbee异质传感器网络的环境监控系统，其特征在于：所述的语音采集模块包括：麦克风、A/D转换器和语音数据压缩模块，麦克风将采集到的语音信号经A/D转换器后传送到语音数据压缩模块中，依次进行编码、量化、压缩和存储的处理后传送到Zigbee终端。
5. 根据权利要求1所述的一种基于Zigbee异质传感器网络的环境监控系统，其特征在于：所述的语音播放模块包括：语音数据解压缩模块、D/A转换器和扬声器，语音数据解压缩模块接收协调器传送来的声音信号依次经解编码、解压缩处理后，再经D/A转换器传送到扬声器。
6. 根据权利要求2所述的一种基于Zigbee异质传感器网络的环境监控系统，其特征在于：所述的温湿度传感器采用SHT11传感器，所述的终端控制器采用型号为CC2530的单片机。
7. 根据权利要求2或3所述的一种基于Zigbee异质传感器网络的环境监控系统，其特征在于：所述的电源模块包括稳压模块和两节五号干电池。
8. 根据权利要求1所述的一种基于Zigbee异质传感器网络的环境监控系统，其特征在于：所述的语音采集模块与Zigbee终端之间通过RS232串口相连接，所述的协调器与语音播放模块之间通过RS232串口相连接。
9. 根据权利要求2或3所述的一种基于Zigbee异质传感器网络的环境监控系统，其特征在于：所述的RF射频接收模块或RF射频发送模块采用基于IEEE 802.15.4标准的2.4GHz的射频收发器。
10. 根据权利要求2或3所述的一种基于Zigbee异质传感器网络的环境监控系统，其特征在于：所述的RF射频接收模块或RF射频发送模块采用Q2530RF。
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