【文章內(nèi)容簡介】 在著人為的主觀不確定性,最終也有可能不利于環(huán)境之改善。而在本系統(tǒng)中,通過濕度傳感器對濕度信息的采集,再經(jīng)由PC的處理后,對加濕器進(jìn)行控制,即可達(dá)到科學(xué)明了地控制室內(nèi)的濕度。濕度 人類對濕度雖然不是特別敏感,但其時(shí)時(shí)刻刻亦影響著人們的健康,尤其是老年與兒童。目前人們經(jīng)常是通過普通的加濕器來調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度,此類加濕器一般只是手動(dòng)操作,這樣就存在著人為的主觀不確定性,最終也有可能不利于環(huán)境之改善。而在本系統(tǒng)中,通過濕度傳感器對濕度信息的采集,再經(jīng)由PC的處理后,對加濕器進(jìn)行控制,即可達(dá)到科學(xué)明了地控制室內(nèi)的濕度。 （3）一氧化碳?xì)怏w 燃?xì)獾闹饕煞志褪且谎趸籍?dāng)燃?xì)獍l(fā)生泄漏時(shí),空氣中一氧化碳濃度達(dá)到一定時(shí),就會對家庭人員生命帶來威脅。故對一氧化碳?xì)怏w濃度監(jiān)測也是必不可少的一部分。當(dāng)系統(tǒng)檢測到一氧化碳?xì)怏w濃度大于用戶設(shè)定是初值時(shí),PC會立即發(fā)送報(bào)警信號到報(bào)警裝置或者是家庭成員的手機(jī)或直接報(bào)警,PC在啟動(dòng)報(bào)警。 表32 CO傳感器的性能參數(shù)表性能指標(biāo)數(shù)值測量范圍0500ppm內(nèi)置過濾器SO2和H2S過濾 (可選帶氫氣補(bǔ)償〈2%）尺寸輸出70177。 15nA/ppm分辨率1ppm溫度范圍：20℃50℃濕度范圍：1590%RH（非凝結(jié)）響應(yīng)時(shí)間(T90)25s壓力范圍大氣壓177。10%長期漂移：2%/每月推薦負(fù)載值：10Ω線性度輸出：線性使用壽命3年 （4）亮度 亮度的監(jiān)測可以利用分布在各個(gè)房間里的光敏傳感器來實(shí)現(xiàn)。光敏傳感器可以將感知的光線強(qiáng)度信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),協(xié)調(diào)器則將信息傳輸?shù)絇C,經(jīng)過處理和判斷光線強(qiáng)度,來控制窗簾的開關(guān)或燈的開關(guān)。當(dāng)光線過強(qiáng)時(shí),可以控制窗簾自動(dòng)合起,反之則可以控制其打開或電燈打開。 當(dāng)然,本系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶的不同需求來增加不同的傳感器監(jiān)測項(xiàng)目,均可以實(shí)現(xiàn)。 本系統(tǒng)是在家庭環(huán)境中實(shí)現(xiàn)各種功能,根據(jù)此特點(diǎn),可以總結(jié)出以下幾種要求。分別從軟硬件兩個(gè)方面來得以實(shí)現(xiàn)。 硬件要求： （1）低功耗:由于是無線傳感網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)很多,故只能由電池供電,故要求低功耗以延長使用,減少電池更換次數(shù)； （2）安全性:本系統(tǒng)為家居環(huán)境控制系統(tǒng)做前期的數(shù)據(jù)采集,若出現(xiàn)錯(cuò)誤,則可導(dǎo)致PC判斷錯(cuò)誤,導(dǎo)致錯(cuò)誤控制。如,未發(fā)生一氧化碳泄露即報(bào)警等。故要求系統(tǒng)的安全性； （3）外觀:由于要安裝在家庭各個(gè)地點(diǎn),故要求其盡量小巧,美觀； （4）可擴(kuò)展:能根據(jù)用戶的不同需求,隨時(shí)增加或減少節(jié)點(diǎn)設(shè)置。 軟件要求 軟件方面要求程序模塊化設(shè)計(jì),可以使系統(tǒng)升級方便以備增加節(jié)點(diǎn)時(shí)修改其中一個(gè)模塊而其他地方無需改動(dòng)。程序設(shè)計(jì)要簡單,數(shù)據(jù)傳輸格式要統(tǒng)一。本章小結(jié)本章主要對系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案、各組成部分功能進(jìn)行了闡述。同時(shí),針對本系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測的需要,對不同的環(huán)境參數(shù)做了說明與介紹。最后，本章對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)分別提出了設(shè)計(jì)原則,為下一步更好的實(shí)施各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。第4章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) Zigbee硬件選型 在介紹整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)之前,先介紹目前市場上的幾款基于ZigBee技術(shù)的硬件平臺及其各自特點(diǎn)。在ZigBee技術(shù)聯(lián)盟中,Ti, Chipcon, FreeScale, Philips 等公司都是ZigBee標(biāo)準(zhǔn)制訂的先驅(qū)。在射頻收發(fā)芯片方面,主要有Chipcon公司的CC2420[17],CC2430[18]和FreeScale公司[19]的MCl3192，MCl3193所提供的兩大解決方案。另外,還有Jennic[20]和Helim[21]等公司開發(fā)的符合ZigBee規(guī)范的芯片和模塊。 (1)Chipcon公司(目前已被TI公司收購)推出的CC2420,用來開發(fā)工業(yè)無線傳感及家庭組網(wǎng)等PAN網(wǎng)絡(luò)的ZigBee各種產(chǎn)品。同時(shí)Chipcon公司還推出了一款專門針對ZigBee技術(shù)的SoC芯片CC2430,它包含一個(gè)51內(nèi)核單片機(jī)與CC2420射頻芯片。 CMOS工藝制成,只需極少外部元器件,且性能穩(wěn)定且功耗極低。另外,TI公司還提供免費(fèi)的ZigBee協(xié)議棧zstack以及配套的開發(fā)工具，方便用戶在短期內(nèi)開發(fā)適合于ZigBee的應(yīng)用方案。 (2)飛思卡爾ZigBeeReady芯片MCl3192，MCl3192是一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。MCl3192只需極少外部元器件,性能穩(wěn)定、功耗極低,MCl3192的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE ,可確保短距離通信的有效性和可靠性?？梢造`活的嵌入到既有的產(chǎn)品中,輕而易舉實(shí)現(xiàn)無線感測和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的功能。 (3)美國赫立訊Helim公司的ZigBee無線收發(fā)模塊IPLinkl270, IP1inkl270是集成了射頻收發(fā)器,微控制器,數(shù)字和模擬I/O,多點(diǎn)多拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)層功能于一體的半雙工無線通訊系列模塊。IPLinkl270系列模塊內(nèi)嵌的ZigBee 。以上的硬件平臺都適用于ZigBee應(yīng)用的開發(fā)。本文主要從對芯片及其開發(fā)環(huán)境的熟悉程度,系統(tǒng)的集成度等方面進(jìn)行綜合考慮來選擇硬件平臺方案,對Chipcon公司的CC2430芯片的使用與操作比較熟悉，且具備完善的系統(tǒng)開發(fā)平臺,另外CC2430卓越的性能也是本系統(tǒng)硬件選擇的重要因素。CC2430芯片的性能如下：l 較寬的電壓范圍()；l 高性能和低功耗的51微控制器核；l ，；l 在接收和發(fā)射模式下,電流損耗分別低于27mA和25mA；l 集成符合IEEE ；l 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性；l 數(shù)字化的RSSFLQl支持和強(qiáng)大的DMA功能；l 外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；l 具有電池監(jiān)測和溫度感測功能：l 集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC；l 集成AES安全協(xié)處理器；l 帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART,以及1個(gè)符合IEEE ,1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器；l 強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。 本系統(tǒng)的硬件主要由控制中心節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及各種傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集,處理和無線信號的收發(fā)。因此,本章將分別針對這三類節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹?？刂浦行墓?jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的角色,主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立,節(jié)點(diǎn)的管理等任務(wù)。在本系統(tǒng)中,它還需要對接受的數(shù)據(jù)的進(jìn)行處理,以及通過RS232串口與PC機(jī)連接通信,射頻天線單元用來接收和發(fā)送電磁波信號,LCD顯示模塊用來顯示網(wǎng)絡(luò)狀況、顯示接收到的數(shù)據(jù)與指令信息,同時(shí)可配合按鍵模塊,進(jìn)行菜單界面的顯示。圖41中心控制結(jié)構(gòu)圖(1)電源部分設(shè)計(jì)本部分的設(shè)計(jì)采用外部5V直流電源供電。,本設(shè)計(jì)采用MAX687電壓轉(zhuǎn)換芯片為核心,實(shí)現(xiàn)5V,。MAX687為低噪聲、低壓差、最大輸出達(dá)lA的線性穩(wěn)壓芯片,具有低于2mV的電源電壓瞬變。,MAX687能自動(dòng)切斷輸出電壓。該部分電路如圖43所示?！?1V,采用PNP三極管FZT749進(jìn)行擴(kuò)流輸出,可使的輸出電流最高可達(dá)到1A,可以充分滿足控制中心節(jié)點(diǎn)各個(gè)模塊的供電需求。其電路原理圖如圖42所示。圖42電路原理圖圖43電壓轉(zhuǎn)換電路（2）時(shí)鐘部分設(shè)計(jì) CC2430芯片的時(shí)鐘部分則由兩個(gè)不同頻率部分組成，分別為：32MHz的頻率提供給系統(tǒng)進(jìn)行正常的工作的時(shí)鐘頻率，其分別連接到CC2430的P19和P21口。，以節(jié)省能耗，它分別連接在CC2430的P44和P43口。電路連接原理圖如圖44。圖44時(shí)鐘部分電路圖（3）射頻天線單元設(shè)計(jì)該部分由天線饋線電路和阻抗匹配電路組成。天線的電路原理圖如圖45所示。圖45天線電路圖 該電路由L32L33L34C341和雙傳輸線組成。L32L33L34C341共同應(yīng)用于阻抗的匹配,2/4傳輸線用于差分射頻信號相位同步。PF P,TxRx Switch,RF N分別為CC2430的42,43,44號管腳。 一般來說,在這類頻段可選擇的天線有許多種,比如PCB天線、Chip天線和Whip天線。其中,PCB天線低成本,但性能不是特別的好,所以一般只能用于室外等較為開闊空間并且自行設(shè)計(jì)出效率高的天線設(shè)計(jì)困難:Chip天線體積小性能中等,成本中等:Whip天線性能好,屬于全向天線,能使系統(tǒng)可靠性大大提高。故本文對Whip天線[]做出如下圖46所示的設(shè)計(jì)。圖46 天線設(shè)計(jì)圖 其中，圖46中各尺寸如表41所示。表41 天線參數(shù)表參數(shù)長度參數(shù)長度a18 milsi57 milsb11 milsj20 milsc22 milsk38 milsd31 milsl366 milse40 milsm47 milsf156 milsn247 milsg34 milso138 milsh50 milsw10 milsx80 mils（4）串口通信單元設(shè)計(jì)本文串口單元采用RS232的9針D型連接器,在最簡單的串行通信中只需要三根通信線連接即可實(shí)現(xiàn)通信:TXD(Transmitted Data)串行數(shù)據(jù)發(fā)送、RXD (Received Data)串行數(shù)據(jù)接收以及GND(Ground)信號地線。其次，考慮到與TI協(xié)議棧的兼容,本設(shè)計(jì)使用了2個(gè)握手信號線:RTS(Request to send)請求發(fā)送信號和CTS(clear to Send)清除傳送。本設(shè)計(jì)電路原理圖47所示,采用新型電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232。圖47 串口部分電路圖(5)LCD顯示模塊設(shè)計(jì) LCD顯示部分采用2X16的字符型液晶顯示模塊。該模塊可用于顯示字母、數(shù)字、字符等。其引腳接口功能和接口電路如表42所示。表42其引腳接口功能和接口電路引腳名稱說明1VSS電源負(fù)端（0V）2VDD電源正端(+)3V0CD驅(qū)動(dòng)電壓(可調(diào)，一般為0V)4RSRS=0：當(dāng)MPU進(jìn)行讀模塊操作，指向地址計(jì)數(shù)器。當(dāng)MPU進(jìn)行寫模塊操作，指向指令寄存器．Rs=l：無論MPU讀/寫操作，均指向數(shù)據(jù)寄存器。5R/WR/W=0寫操作；R/WI讀操作6E讀操作時(shí)，信號下降沿有效；寫操作時(shí)，高電平有效714DB0DB7MPU與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道,4位總線模式下D0D3腳斷開15LEDA背光電源正端(+)16LEDK背光電源負(fù)端(0V) 本設(shè)計(jì)中,LCD的I/O口與CC2430芯片的連接如下圖49所示。圖49 LCD顯示電路連接圖(6)按鍵部分設(shè)計(jì) 該節(jié)點(diǎn)的按鍵功能是為了方便用戶對該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置而設(shè)計(jì)的。由于CC2430的FO口已分配殆盡,本文的按鍵部分采用CC2430的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的一個(gè)通道來實(shí)現(xiàn)多個(gè)按鍵的設(shè)計(jì)。每個(gè)不同的按鍵產(chǎn)生不同的模擬電壓,ADC通過判斷采集的電壓的數(shù)值范圍從而確定按鍵的輸入。CC2430共有8個(gè)ADC通道,分別復(fù)用到P0端口的8個(gè)引腳上。本系統(tǒng)采用通道6(P0_6)作為按鍵輸入模擬信號的采集通道。該部分的電路原理圖如圖410所示。圖410 按鍵部分電路原理圖信號放大電路采用AD8544運(yùn)算放大器完成,其放大倍數(shù)通過改變電阻值來實(shí)現(xiàn)。由圖可知:輸出電壓可近似表示為（）； （） 其中,R,為按鍵支路電阻。通過按鍵選擇不同的尺。從而使得輸出電壓不同。放大器的不同輸出電壓經(jīng)過ADC 6通道轉(zhuǎn)換為不同的數(shù)字值后,通過軟件中斷來判斷是否有鍵按下以及通過轉(zhuǎn)換的數(shù)值判斷按鍵的類型。 路由器節(jié)點(diǎn)的功能從硬件的角度上看,主要是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理與數(shù)據(jù)的路由、轉(zhuǎn)發(fā)。因此,在系統(tǒng)的監(jiān)測區(qū)域較大或者信號微弱時(shí),可以采用增加路由節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的覆蓋,增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。該節(jié)點(diǎn)在使用時(shí),可以自由靈活放置,能量主要靠使用電池供電。因此,該節(jié)點(diǎn)的硬件電路結(jié)構(gòu)相對簡單,主要由電源模塊、時(shí)鐘模塊、CC24射頻天線單元和LED顯示模塊組成,其電路結(jié)構(gòu)如圖411所示。時(shí)鐘LED顯示模塊CC2430射頻天線單元電源圖411 路由器節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)圖 ,直接為CC2430提供3V的工作電壓。時(shí)鐘模塊和射頻天線單元的電路設(shè)計(jì)可以完全按照控制中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。LED顯示模塊由3個(gè)不同顏色的LED發(fā)光二極管組成,分別用來表示節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。紅色表示電源工作正常。黃色表示該節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),當(dāng)黃色燈閃爍時(shí),表示節(jié)點(diǎn)不在網(wǎng)絡(luò)中,黃燈熄滅時(shí),表示節(jié)點(diǎn)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)。綠色表示可表示節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài),供用戶自己定制其表示的功能。LED顯示模塊的電路原理圖如下圖412所示。圖412 LED顯示模塊電路原理圖傳感器節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)端節(jié)點(diǎn)的角色,完成數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。因此傳感器節(jié)點(diǎn)硬件主要由電源模塊、時(shí)鐘模塊、電源管理模塊、CC24射頻天線單元、LED顯示模塊、信號調(diào)理模塊、傳感器模塊組成。其結(jié)構(gòu)圖如413所示。傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘模塊、射頻天線單元、LED顯示模塊的硬件功能與路由器節(jié)點(diǎn)一致。因此,這三部分的電路設(shè)計(jì)可以完全按照路由器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。電源管理單元為傳感器模塊和信號調(diào)理模塊提供工作電壓,同時(shí)為了降低節(jié)點(diǎn)的能耗,該單元還實(shí)現(xiàn)了對工作電壓開關(guān)的控制,保證系統(tǒng)在不采集數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)據(jù)采集部分的功耗為零。數(shù)據(jù)采集部分由傳感器模塊和信號調(diào)理模塊組成,實(shí)現(xiàn)對物理信號的采集、信號的轉(zhuǎn)化、處理，提高信號的精確度。LED顯示模塊CC2430射頻天線單元電源管理模塊電源信號調(diào)理模塊傳感器模塊時(shí)鐘數(shù)據(jù)采集部分圖413 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖（1）電源及電源管理單元設(shè)計(jì) 傳感器節(jié)點(diǎn)由多個(gè)功能模塊組成，這些模塊的工作電壓各不相同。，數(shù)據(jù)采集部分所需工作