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。