【正文】 以下三種：（1）ZigBee RF+MCU：如TI公司的CC2420+單片機MSP4Freescale 公司的MC13XX和GT60、Microchip公司的MJ2440和單片機PIC MCU等下位機控制模塊；（2）單芯片集成SoC：如TI公司新推出的CC2430/CC2431(8051 內(nèi)核)模塊、Freescale公司生產(chǎn)的MC1321X 、EM250等；（3）內(nèi)置ZigBee 協(xié)議棧的單芯片再外掛其他功能芯片，如Jennic公司的SoC+EEPROM、Ember公司的260和MCU的組合等。相比較而言Jennic公司的芯片內(nèi)部無法存放用戶程序，只有ROM(只讀存儲器)，系統(tǒng)若要實現(xiàn)存儲程序的功能，必須要外加一個EEPROM，用戶所用的全部程序必須存儲在這個外加的EEPROM內(nèi)。若用戶選擇使用Jennic公司的無線芯片，把程序存放在外加的EEPROM內(nèi)，使用時調(diào)用較繁瑣，而且最讓用戶頭疼的是自己開發(fā)的代碼沒有安全保障，不能加密，外人很容易就盜版了自己的勞動成果。Freescale的無線射頻模塊是兩個芯片通過SIP(系統(tǒng)級封裝)實現(xiàn)的，使用過程中會出現(xiàn)通訊問題，不利于大量生產(chǎn)。相對于前兩家公司生產(chǎn)的無線射頻模塊而言，TI公司推出的ZigBee無線單片機系列芯片性能穩(wěn)定，價格低廉，便于使用。而結(jié)合本設計中的無線傳感系統(tǒng)考慮，將采用TI公司新推出的一款無線傳感芯片CC2430[14]，相對于CC2420芯片而言，該芯片內(nèi)部集成了8051微處理器，只需要簡單的外設電路，就可以實現(xiàn)對煙霧溫度的無線傳感功能，而且內(nèi)置ADC，無需外接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。電路設計簡單，整個系統(tǒng)使用方便，易于維修。 ZigBee產(chǎn)品，具有DSSS(直接序列擴頻)功能，與上位機之間連接有標準的串口接口，具有五種操作模式，即接收、發(fā)送、睡眠、命令和空模式。同時該模塊具有體積小、功耗低、接口簡單、易于組網(wǎng)以及升級方便等優(yōu)點，適用于較低數(shù)據(jù)速率的短距離通信應用，尤其是在智能無線傳感系統(tǒng)設計中有著廣闊的應用前景。 系統(tǒng)整體設計本設計采用CC2430芯片作為無線射頻元件，進行必要的外圍電路設計，實現(xiàn)對環(huán)境內(nèi)的煙霧溫度進行實時監(jiān)測，煙霧傳感器和溫度傳感器采集完信號以后，將程序移植到發(fā)送端的ZigBee節(jié)點模塊上，使之與數(shù)據(jù)接收端CC2430無線射頻模塊兼容，使每一個ZigBee模塊在系統(tǒng)搭建的網(wǎng)絡平臺上，實現(xiàn)對煙霧溫度的無線采集、發(fā)送和顯示。接收端無線模塊接收到數(shù)據(jù)后，通過串口連接到PC機上，從而實現(xiàn)對更大范圍的煙霧溫度進行實時監(jiān)測。 系統(tǒng)總體架構(gòu) 芯片選擇本設計緊密圍繞ZigBee技術在煙霧溫度傳感系統(tǒng)中的應用這一核心主題，目的是實現(xiàn)對環(huán)境內(nèi)煙霧溫度的實時監(jiān)測，主要芯片包括CC2430射頻通訊芯片、溫度傳感器DS18B煙霧傳感器MQ液晶顯示12864等。 無線射頻模塊本系統(tǒng)的無線射頻模塊采用的是TI公司新推出的一代專門實現(xiàn)嵌入式ZigBee協(xié)議功能的片上系統(tǒng)。CC2430是一片集成了多種高性能模塊的芯片，主要有延用了CC2420 RF收發(fā)器、增強工業(yè)標準的8051微處理器、8KB SRAM以及32/64/128KB Flash等。其中CC2430芯片內(nèi)部集成的8051內(nèi)核，是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器[15]，可編程可擦除只讀存儲器的微處理器，可以反復擦除1000次，而且比51系列單片機處理數(shù)據(jù)的速度快8倍。與工業(yè)標準中的MCS51系列芯片指令集相兼容，現(xiàn)已為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性較高且價格低廉的設計方案。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，因此CC2430芯片內(nèi)部集成的8051內(nèi)核是一種高效微控制器。此外MCS51系列芯片誕生了30多年，為用戶所熟知。RF收發(fā)器技術是業(yè)界領先水平，具有極高的抗干擾性能和接收靈敏度，體積較小，只需要一個晶體就可以組網(wǎng)。CC2430具有21個通用I/O引腳，既可以作為ADC的輸入，也可以支持多種串行通訊協(xié)議的USART，開發(fā)工具強大，方便實用。 單總線溫度傳感器DS18B20考慮到建筑物內(nèi)溫度采集點較多，所以系統(tǒng)中要使用的溫度傳感器個數(shù)較多。美國DALLAS公司生產(chǎn)的溫度傳感器DS18B20是單總線數(shù)字式，它可以把采集到的模擬量的溫度信號轉(zhuǎn)換成串行的數(shù)字信號直接輸出，其轉(zhuǎn)換速度為200ms，不再需要ADC轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號可以直接接CC2430的IO口，供8051內(nèi)核處理。多個DS18B20芯片可以掛接在一條總線上，無需任何外加硬件，直接構(gòu)成多點溫度監(jiān)測系統(tǒng)，這種特性使得DS18B20的應用場合較廣。DS18B20溫度傳感器的測溫范圍較廣，可測溫度為550C ~ +1250C，適合本設計中溫度的測量范圍。 氣敏傳感器MQ2MQ2煙霧傳感器的氣敏材料是二氧化錫(SnO2)，這種材料在清潔的空氣中的電導率較低。當傳感器所在的環(huán)境中存有可燃氣體時，隨著環(huán)境中可燃氣體濃度的增加MQ2的電導率會自動增大，再使用簡單的外圍電路就可以將煙霧傳感器的電導率的變化轉(zhuǎn)換為與對應氣體濃度相對應的電壓信號，從而輸出電壓信號。普敏煙霧傳感器MQ2可檢測多種可燃性氣體，其性能穩(wěn)定，成本低廉，是一款適合多種應用的氣體傳感器。 液晶顯示模塊12864液晶顯示芯片可以顯示文字或者圖形，可以顯示智能傳感器采集到的信息，同時附加數(shù)據(jù)的采集日期和時間。該芯片有兩種連接方式，即串行和并行，可以直接與CC2430相連接。芯片內(nèi)部置有升壓電路，工作電壓較低，且低功耗。12864液晶顯示芯片共有20個管腳，體積較小，功能相對強大，具有七種特定功能，可以實現(xiàn)全屏幕點陣，有助于解決系統(tǒng)的能耗和體積問題，適合本設計中的節(jié)能目的。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)本設計中，在建筑物內(nèi)相對較高的位置，放置無線射頻模塊CC2430，這樣做法可以盡量避免障礙物的遮擋，使天線信號更好，CC2430既可以作為發(fā)送模塊也可以作為接收模塊。一般情況下，建筑物內(nèi)區(qū)域較寬廣，需要測量多個地方的煙霧和溫度，一個空間內(nèi)需放置多個傳感器來檢測，將這些傳感器與下位機的無線傳輸模塊連接起來，利用網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，使一定空間內(nèi)的多個測量點組成網(wǎng)絡節(jié)點。多個測量節(jié)點與測控中心建立無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，將測量節(jié)點采集的信號通過無線傳輸網(wǎng)絡，傳到監(jiān)控中心。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3無線傳感系統(tǒng)的硬件設計 本課題研究設計的主要內(nèi)容包括： （1）IEEE 無線網(wǎng)絡通信協(xié)議，以及ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)設計，其節(jié)點類型包括終端型和路由型； （2）設計各硬件部分電路，給出系統(tǒng)總體電路圖； （3）數(shù)據(jù)采集接口設計包括煙霧、溫度采集系統(tǒng)設計，軟件邏輯框圖；（4）編寫程序，焊接簡易實物，調(diào)試實物，實現(xiàn)相應功能。 無線傳輸模塊的電路設計該模塊電路的核心芯片是CC2430，作為無線傳輸模塊，需要三片CC2430，兩片作為發(fā)送傳感器采集的信號模塊，；一片作為接收模塊，控制聲光報警電路和液晶顯示電路。本設計中采用的是星型拓撲結(jié)構(gòu)，兩片發(fā)射模塊相當于星型網(wǎng)絡中的無線終端設備，接收模塊相當于協(xié)調(diào)器。CC2430可以工作在不同的電源模式下，以達到低功耗運行的目的。CC2430[14]內(nèi)部的振蕩信號即可以來自外接電路的有源晶體，也可以來自芯片內(nèi)部電路。但是由芯片內(nèi)部電路提供時，需要另外焊接兩個負載電容和晶體振蕩器，這兩個負載電容的值取決于輸入的容抗和晶體的頻率等參數(shù)。本設計將使CC2430的無線射頻模塊只能工作在32MHz的晶振頻率下，將使用內(nèi)部晶體振蕩器，另外采用關閉RC振蕩器的工作方式，目的也是為了達到整個系統(tǒng)的節(jié)能，其中這兩個負載電容C8和C9的值均為27PF。CC2430芯片具有上電復位和掉電檢測功能，上電復位是使CC2430在上電期間正確初始化，掉電檢測可以在供電電壓調(diào)整期間保護CC2430內(nèi)部存儲器的內(nèi)容，二者可以在設備上電初始化時，保持設備處于復位狀態(tài)。CC2430的Flash存儲器專門用來存儲程序代碼，通過使用編程命令，啟動Flash存儲器實現(xiàn)寫數(shù)據(jù)功能，寫操作可以編程存儲器里的任意的字。CC2430有21個I/O引腳，可以作為通用數(shù)字I/O，也可以用作USART或定時器等外部設備，P0口可以作為ADC的輸入端，具備上拉和下拉能力，21個I/O口都可以作為外部中斷源的輸入，外部中斷可以喚醒CC2430的睡眠模式，目的同樣也是為了整個無線傳輸系統(tǒng)的低功耗。 CC2430發(fā)送模塊 ，由于CC2430芯片內(nèi)部集成了8051內(nèi)核和ADC，所以本系統(tǒng)中無需外接微處理器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，P0口是模擬量的輸入口，煙霧傳感器MQ2輸出的是模擬量，所以必須接CC2430內(nèi)部ADC的模擬量輸入端[16]，即使用了CC2430內(nèi)部的ADC，所以寄存器ADCCFG的對應位必須設置為1。ADC可以執(zhí)行序列轉(zhuǎn)換，通過DMA可以直接把轉(zhuǎn)換結(jié)果移動到存儲器，不需要CPU干預，但是ADCCFG寄存器會影響轉(zhuǎn)換序列。如果在ADCCFG的設置內(nèi)禁止了ADC的模擬輸入，那么這個ADC引腳的輸入通道將被自動忽略。本系統(tǒng)設置的CC2430的工作頻率為32GHz，ADC的轉(zhuǎn)換時間取決于選擇的抽取率，轉(zhuǎn)換時間公式為： （），當抽取率為128時，抽取濾波器的時鐘周期便為128個4MHz，此時的ADC轉(zhuǎn)換時間為36。 CC2430接收模塊由于傳感器模塊的供電電壓是5V，所以若要這兩個模塊之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能[17]，必須設計電源電路。 CC2430的部件結(jié)構(gòu) ，CC2430芯片的集成度較高，主要分為三大部分，即CPU模塊，無線模塊，電源和時鐘分布模塊。其中USART串口可以通過RS232與上位機相連，從而實現(xiàn)下位機的實時監(jiān)控，上位機的人機界面顯示終端的現(xiàn)場狀況。若終端設備有異常，CC2430的接收模塊可以第一時間驅(qū)動聲光報警電路，提示現(xiàn)場出現(xiàn)狀況，然后將異樣的信號發(fā)送給上位機監(jiān)控室，一方面可以減少火災的發(fā)生，另一方面減少人力消耗。本設計中的難點之一是天線部分的設計，為提高天線的性能，采用單極不平衡天線，CC2430和天線之間由巴倫電路與三個電感和四個電容組成。這種設計使天線的體積較小，而且起到阻抗變換的作用，CC2430無線射頻接口的最優(yōu)阻抗值為115+180jΩ，而天線部分的匹配阻抗為50Ω，每個地線引腳上串接了電容，其作用是增強系統(tǒng)的抗干擾能力。在CC2430的內(nèi)部使用了發(fā)送接收開關電路，本系統(tǒng)中使用的兩片CC2430芯片，可以相互配合實現(xiàn)接收終端傳感器采集的信號后，經(jīng)無線傳輸模塊，將現(xiàn)場采集的信號發(fā)送至接收模塊，再經(jīng)RS232串口通訊，將處理后的信息傳到上位機。 溫度采集電路設計本系統(tǒng)的終端傳感器為多點溫度測試，溫度傳感器DS18B20的供電設備即可以采取寄生供電，也可以使用外部電源供電[17]。為了盡可能的減少使用CC2430的I/O口，本次設計所有各硬件部分電路均采用外部電源供電方式，這樣做有兩方面的優(yōu)勢。一方面是I/O線上不需要加過大的上拉電阻，而且在轉(zhuǎn)換溫度信號期間，一線總線控制器不需要一直保持高電平狀態(tài)，與此同時，總線上可以傳輸其他數(shù)據(jù)。另一方面當環(huán)境溫度高于1000C時，若使用寄生電源，DS18B20溫度傳感器的漏電流較大，影響通訊。但需要注意的是加外部電源供電時，GND引腳必須接地而不能懸空。單條總線上掛接的溫度傳感器的數(shù)目最好不要超過8個，不然就需要考慮總線驅(qū)動[14]的問題。 DS18B20溫度傳感器 煙霧采集電路設計MQ2氣敏煙霧傳感器內(nèi)部的敏感材料是微型Al2O3陶瓷管、SnO2 敏感層。固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)的敏感元件是由測量電極和加熱器構(gòu)成的，其中加熱器為傳感器提供了必要的工作條件?，F(xiàn)在市場上銷售的封裝好的MQ2傳感器僅有6只針狀管腳，其中4管腳接+5V的電壓，6腳直接接地。MQ2采集到的煙霧信號通過1K歐姆電阻后輸出的是0~5V的電壓信號，所以煙霧傳感器輸出的模擬信號在進入CC2430內(nèi)置ADC的模擬輸入端之前，必須先經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換。，其中滑動變阻器R7的阻值為20K，其作用是用來調(diào)節(jié)輸出的電壓信號的大小。 MQ2煙霧傳感器 CC2430的接收模塊控制聲光報警電路，。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，聲光報警電路中的光電二極管發(fā)光，當無線傳感系統(tǒng)監(jiān)測到的室內(nèi)環(huán)境超過設定的閾值（由煙霧傳感器電路中的電位器R7的阻值決定）時，微處理器驅(qū)動聲光報警電路，LED熄滅，蜂鳴器發(fā)出報警信號。 聲光報警電路 ，LED報警指示燈和蜂鳴器分別有兩個管腳控制，當報警命令出現(xiàn)時，，可實現(xiàn)聲光報警同步進行。 液晶顯示電路設計12864液晶顯示芯片和單片機之間的通訊方式有兩種，即并口通訊模式和串口通訊模式，若選擇串口通訊模式，可以使第15號管腳PSB接低電平，也可以將模塊上的第八號管腳和“GND”用焊錫短接。若選擇使用并口通訊模式，可以讓PSB一直處于高電平狀態(tài)，也可以將模塊上的J8和“VCC”用焊錫短接。本設計中選擇使用并口通訊模式。 液晶顯示電路 ，3號管腳和2號管腳之間的電位器R8的阻值為10K，其作用是對比度調(diào)整。7~14號管腳作為三態(tài)數(shù)據(jù)線，占用CC2430的P1口。在使用過程中需要注意的是，該模塊在接收微處理器的指令前，芯片內(nèi)部的BF=“0”狀態(tài)，即表示可以隨時接收外部傳送的。但是如果在傳送指令之前不檢查BF的狀態(tài)，可能會產(chǎn)生一段較長的延遲時間，即等待前一個指令確定執(zhí)行完成后，方可執(zhí)行下一個指令。 遠紅外遙感電路設計本設計中運用了紅外線遙控裝置，目的是為了便于通訊，而且可以有效的隔離來自其他電氣的干擾。本系統(tǒng)中應用的是三洋（LC7461）彩電遙控器，具有功能強