基于ZigBee技术的智能盲杖设计

周若伦 李卓伦 王佳伟 尹杰 杨旺春

摘 要：为了解决复杂场景下交通灯信号的采集、辨识困难等问题，并能实现对交通灯信号的实时获取，提出了一种基于ZigBee技术的智能盲杖设计。利用CC2530芯片和外围接口搭建系统硬件，使用Z-Stack协议栈编制系统底层软件。

关键词：智能盲杖;ZigBee技术;Z-Stack协议栈;语音转换模块

城市交叉口是道路交通系统的重要组成部分，也是目前城市交通态势最为复杂、交通事故频发的区域。为此，本文提出基于ZigBee无线通信技术将交通灯信号的视觉信息传给导盲杖，使其能及时获取交通控制信号，从而有效帮助盲人提高道路通行能力、减少交通事故的发生。

1 总体结构及工作原理

基于ZigBee技术的智能导盲手杖，是信号灯控制系统与智能手杖支持系统的有机结合，它可以实现将视觉交通信号信息向盲人语音传输的功能，该系统由交通信号灯控制器、ZigBee无线通信网络和语音转换模块组成。

ZigBee模块A与ZigBee模块B主要由CC2530芯片组成。ZigBee模块A与交通灯信号控制器安装在路口交通设备中，ZigBee模块B与语音转换模块在智能盲杖内部安装。ZigBee模块A中的CC2530芯片上的串口与交通灯信号控制器相连，获取交通灯信号。ZigBee模块A与ZigBee模块B构成无线通信网络，负责交通灯信号的实时传输。当智能盲杖进入交通信号发射半径内时，智能盲杖上的ZigBee模块B会自动作为终端节点加入到该网络中，并实时获取路口交通信号灯的状态。这样就可以使智能盲杖对前方路口交通信号的获取，而不受天气和其他外界环境的限制。

2 软件设计

（1）Z-Stack系统。ZigBee协议栈建立在IEEE802.15.4的物理层（PHY）和介质接入控制子层（MAC）规范之上，实现了网络层和应用层，在应用层内提供了应用支持子层（APS）和ZigBee设备对象（ZDO），应用框架中则加入了自定义的应用对象。具有Z-StackTM协议栈系统的CC2530设备上电之后会自动形成或加入网络。其中作为协调器、终端路由设备的ZigBee模块内均移植了Z-StackTM协议栈。Z-StackTM协议栈采用小型OS操作系统的思想构建，基于事件轮询机制。当各层初始化之后，系统便可以判断优先级，逐次处理事件。

在对Z-StackTM协议栈移植的过程中，首先通过函数MT_UartInit（）; MT_UartInit（）; MT_UartRegisterTaskID（task_id）; 对串口部分进行初始化。然后在协议栈的无线数据处理部分添加将无线信号转换为串口信号的处理函数。在实际应用中，还需要在数据处理部分添加相应的信号分类和处理等内容。

（2）软件实现。发射端的模块主要作为协调器来使用，协调器节点主要有两个任务：一是负责建立新网络并允许其它节点加入到该网络中;二是能够发送交通灯信号的数据信息。网络建立成功后，LCD上会显示该节点配置为协调器，然后协调器会自动进入允许绑定模式，来响应终端节点的绑定请求。这部分的软件实现主要包括设备的初始化、协调器组网、节点加入网络、数据信息的处理和发送等。

工作在路由器模式的终端节点会自动搜寻附近的网络并申请加入。终端节点通过ZDO_StarDevice（）函数自动加入网络，由zb_BindDevice（）发出绑定请求，如果没有发现网络或父节点没有应答，终端节点会移除本次绑定，重新进行发现网络和绑定过程。

3 硬件设计

3.1 ZigBee模块

基于ZigBee技术的导盲手杖中与交通信号灯控制器相连的ZigBee模块A和智能盲杖ZigBee模块B都采用了遵循2.4GHz IEEE802.15.4标准的CC2530芯片[1]，同时集成了8051内核，TI公司提供的Z-StackTM协议栈，一个高性能的RF收发器，内置8KB的RAM和256KB闪存，2个USART、8位和16位定时器、8路输入可配置的12位ADC、21个GPIO、AES128协同处理器等。它具有硬件设计简单、自组织、功耗低、鲁棒性好等优点[2-3]，能较好的满足低功耗系统的要求。

3.2 发射端设计

发射端ZigBee协调器采用标准串口协议与交通信号灯控制器相连，电源模块通过电压转换模块为节点提供3.3v的電压，LCD主要用来显示节点状态，LED则用来指示网络的连接情况。

3.3 接收端设计

接收端作为终端节点，电源模块从盲杖电源窃电。语音转换模块以ATmega128L单片机为核心，辅以放大电路与滤波电路实现。AVR系列的ATmega128L单片机具有先进的RISC架构，单指令周期和丰富的外设，可以轻易地满足设计需求。放大电路与滤波器电路的放大器选用LMV324。

4 硬件测试

根据上一部分的理论分析，用图1所示的CC2530系统板对接近路口交通灯，并自动加入路口的ZigBee信号网络，接收交通信号信息的情景进行模拟。模拟测试中，用其中一块CC2530系统板作为协调器，模拟路口交通灯信号发射基站。另一块作为路由器，模拟智能盲杖搭载的信号接收模块。

5 结语

本文设计了基于CC2530的智能盲杖实现的基本原理及硬、软件开发流程，并对系统进行了测试。测试结果表明：该设计可以对复杂环境下多类型交通信号灯进行辨识，实现交通灯信号的实时传输，自动识别，且不受地域、时域的影响。这种新技术具有外界环境影响小，辨识精度高等特点。

参考文献：

[1]任秀丽，于海斌.ZigBee无线通信协议实现技术的研究[J].计算机工程与应用，2007，43（06）：143-145.

[2]包长春，李志红，张立山，等.基于ZigBee技术的粮库监测系统设计[J].农业工程学报，2009，25（09）：197-201.

[3]Vuran M C，Akyildiz I F，Al-Dhelaan A M. Channel model and analysis for wireless underground sensor networks in soil medium[J].Physical Communication，2010，3（04）：245-254.

作者简介：周若伦（2001-），女，辽宁阜新人，本科，主要研究方向：主动安全。