ZigBee技术语音图像无线监控系统的设计与实现

在环境比较恶劣，温度、压力、湿度、震动、噪声和电磁等因素时刻都可能发生变化的情况下，利用一般的网络技术来组建监控系统，可能会因为实时性不够强、灵敏度较小、延迟大、距离短、可靠性较低、受环境限制明显等缺陷，无法全面实时有效地实现安全监控。而随着微电子技术、数字技术、网络和通信技术的飞速发展，无线传感器网络以其成本低、组网灵活、受地理环境限制少、隐蔽性强、无人值守等优点，逐渐成为监控系统的首选。

在无线传感器网络中，低速率短距离的ZigBee技术是无线通信的首选技术之一。本设计以确保安全实时监控为出发点，运用Zigbee技术，以无线传感器网络节点为基础来进行语音和图像的无线传输。

ZigBee技术语音图像无线监控系统的构成

系统由语音的双向无线传输和图像的无线传输两部分组成，使工作人员在监控中心便可以方便地监视到一些环境比较恶劣的场合，及时处理各种运营事故，确保运营安全。
1 ZigBee技术实现语音无线传输

① 语音无线传输系统总体结构
语音的无线传输以嵌入式微处理器和射频收发模块为核心，辅以外部的放大器、滤波电路、音频编解码器来实现，总体结构如图1所示。

图1 语音无线传输总体框图

运算放大器负责对麦克风接收到的语音信号进行放大和消除部分干扰；音频编解码器完成对语音信号的A/D、D/A转换和音频信号的编、解码；嵌入式微处理器负责存储、处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据，协调与其他节点之间的通信；射频收发模块负责与其他节点进行无线通信，交换控制信息，完成数据的接收和发送；功率放大器对解码和D/A转换后的模拟语音信号进行放大，恢复成原来的数据信号后由扬声器输出。

② 语音无线传输系统器件选择

嵌入式微处理器选用TI公司的低功耗定点高性能TMS320VC5416。该DSP采用双电源供电，分别为内核电源1.6V和I/O电源3.3V两部分。主要特性有：速率最高达160MIPS；3条16bit数据存储器总线和1条程序存储器总线；1个40bit桶形移位器和2个40bit累加器；1个17×17乘法器和1个40bit专用加法器；最大8M×16bit的扩展寻址空间，内置128K×16bit的RAM和16K×16bit的ROM；3个多通道缓冲串口(McBSP)；配有PCM 3002低功耗单片立体声音频编解码器，可对语音进行A/D和D/A转换。

射频收发模块选用符合IEEE802.15.4标准的IP-Link 1221-2264，该模块工作在2.4GHz频段，通信速率可达250kb/s，可提供高效能远距离联机能力，高输出功率与低信号灵敏度，适用于远距离及恶劣环境下的无线通信解决方案。该模块包含了通用I/O口、异步串行接口、JTAG口、USB口、外部供电接口等。其中，USB口负责与PC通信并对节点供电，外部供电接口支持 2.7～3.6V直流电源供电，同时还有两个A/D和两个D/A转换器。

音频编解码器选用TI公司生产的TLV320AIC23。其内核数字供电电压1.42～3.6V，模拟供电电压2.7～3.6V，均与TMS320VC5416兼容，这样，TLV320AIC23和TMS320VC5416之间就可以直接连接而不需要其他电平转换芯片；内置耳机放大器，支持立体声线路输入和麦克风输入两种方式，且对输入输出都具有可编程增益调节；TLV320AIC23的A/D转换和D/A转换部件集成在芯片内部，采用先进的sigma-delta过采样技术，可在8～96kHz的范围内提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样，ADC和DAC的输出信噪比分别可达90dB和100dB。

图2 系统硬件电路

运算放大器由放大电路和滤波电路两部分组成。放大电路选用低功耗、低成本的LMV324放大器, 外加R和C构成的低通滤波电路。

功率放大器选用LM386。它是一种音频集成功放，具有功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外部元件少和总谐波失真小等优点，在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为20～200之间的任意值。

③语音无线传输系统硬件电路实现

麦克风获得的语音信号经放大后送入TLV320AIC23的麦克风输入端（MICIN），经A/D转换和音频编码，由两个多通道缓冲串行口McBSP0和McBSP1完成控制和通信。TMS320VC5416的McBSP2扩展成异步串行接口后将信号送至射频收发模块的异步串行接口，经载波信号进行调制，由发射天线向外发送。接收过程与上述过程相反。具体硬件电路如图2所示。

图3 电源电路

在硬件电路上，使用1.6V和3.3V两组电源供电，这里选用双输出LD0稳压器TPS73HD301（见图3）。TPS73HD301是TI公司提供的两路输出的电源芯片，输出电压一路为3.3V，一路为可调输出1.2～ 9.75V。

2 ZigBee技术实现图像无线传输

图像的无线传输以射频收发模块为核心，辅以外部的摄像头、电平转换芯片来实现，总