【文章內(nèi)容簡介】 個這樣的類似節(jié)點，可實現(xiàn)在同一個環(huán)境中進行多點的溫度信息采集，以提高溫度測量的準(zhǔn)確度。 濕度人類對濕度雖然不是特別敏感，但其時時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)由上位機的處理后，對加濕器進行控制，即可達到科學(xué)明了地控制室內(nèi)的濕度。燃氣的主要成分就是一氧化碳 當(dāng)燃氣發(fā)生泄漏時，空氣中一氧化碳濃度達到一定時，就會對家庭人員生命帶來威脅。故對一氧化碳氣體濃度監(jiān)測也是必不可少的一部分。當(dāng)系統(tǒng)檢測到一氧化碳氣體濃度大于用戶設(shè)定是初值時，上位機會立即發(fā)送報警信號到報警裝置，上位機在啟動報警裝置的同時，或可以自動控制開窗，以達到室內(nèi)空氣流通的效果，保證家庭成員的安全。 亮度亮度的監(jiān)測可以利用分布在各個房間里的光敏傳感器來實現(xiàn)。光敏傳感器可以將感知的光線強度信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，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度，來控制窗簾的開關(guān)或燈的開關(guān)。當(dāng)光線過強時，可以控制窗簾自動合起或電燈關(guān)閉，反之則可以控制其打開或電燈打開。當(dāng)然，本系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的不同需求增加或減少傳感器的數(shù)量，及使用不同的傳感器進行監(jiān)測。 系統(tǒng)設(shè)計要求本系統(tǒng)是在家庭環(huán)境中實現(xiàn)各種功能，根據(jù)此特點，可以總結(jié)出以下幾種要求。分別從軟硬件兩個方面來得以實現(xiàn)。(1) 低功耗：由于是無線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點較多，所以只能由電池供電，因此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)為環(huán)境控制系統(tǒng)做前期的數(shù)據(jù)采集，若出現(xiàn)錯誤，則可導(dǎo)致上位機判斷錯誤，導(dǎo)致錯誤控制。如，未發(fā)生一氧化碳泄露即報警等。故要求系統(tǒng)的安全性(3) 外觀：由于要安裝在環(huán)境各個地點，故要求其盡量小巧，美觀。(4) 可擴展：能夠根據(jù)用戶的不同需求，隨時增加或減少傳感器節(jié)點設(shè)置。軟件方面要求程序模塊化設(shè)計，可以使系統(tǒng)升級方便以備增加節(jié)點時修改其中一個模塊而其他地方無需改動；程序設(shè)計要簡單，數(shù)據(jù)傳輸格式要統(tǒng)一。本章主要是對系統(tǒng)的總體的方案以及各個組成部分進行了設(shè)計。同時，對不同的環(huán)境參數(shù)做了介紹，以本系統(tǒng)對環(huán)境監(jiān)測功能的需要。最后，對系統(tǒng)的整體設(shè)別提出了設(shè)計要求，為系統(tǒng)后續(xù)的軟硬件設(shè)計提供了要求和設(shè)計基礎(chǔ)。第4章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 ZigBee硬件選型在介紹整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案之前，首先對目前市場上售賣的主要的幾款基于ZigBee技術(shù)的硬件平臺及其各平臺的自身特點進行一一介紹。目前主要有TI/CHIPCON、EMBER(ST)、JENNIC(捷力)、FREESCALE（飛思卡爾）等幾家公司有ZigBee產(chǎn)品。TI/ CHIPCON公司發(fā)布了單芯片ZigBee解決方案CC2530的片上系統(tǒng)級芯片(SOC)，結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM 和許多其他強大的功能。由此CC2530得以廣泛應(yīng)用于工控系統(tǒng)、汽車和無線傳感網(wǎng)絡(luò)等各種領(lǐng)域；EMBER(ST)推出首款符合IEEE 。它集成了可編程處理器、RF射頻、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及存儲器；JENNIC(捷力)公司的JN5121芯片則在業(yè)界屬于第一款兼容于IEEE ，低成本無線微型控制器；而FREESCALE（飛思卡爾）目前主推的完全兼容IEEE 。TI/CHIPCONTI公司的TCC2530 、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM 和許多其他強大的功能。CC2530 有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB 的閃存。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進一步確保了低能源消耗。EMBER(ST)EM250半導(dǎo)體系統(tǒng)提供更長的距離和可靠的共存性，包括低功耗16位微控制器，128KB閃存，5K RAM， 。EmberZNet ，具有獨特的能擴展ZigBee功能性，簡單性和性能的增強特性。這些特性包括支持移動節(jié)點，大/密的網(wǎng)絡(luò)，以及能在節(jié)點和授權(quán)分布式構(gòu)造間提供更加可靠無線通信的傳輸層。EM250具有用作ZigBee位標(biāo)器節(jié)點，全功能設(shè)備(FFD)或降功能設(shè)備(RFD)所需的資源。JENNIC(捷力)JN5139芯片是一個低功率及低價位的無線微處理器，主要針對無線感測網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品為主，JN5139整合了32bit RISC微處理器， ，192k ROM，另外，可選擇搭配RAM的容量從8KB至96KB(不同料號)，也整合一些數(shù)字及模擬周邊線路，大幅降低外部零件的需求。內(nèi)建的內(nèi)存主要是用來儲存系統(tǒng)的軟件，包含了通訊協(xié)議堆棧，路徑表，應(yīng)用程序代碼與資料。也包含了硬件的MAC地址與AES加解密的加速器，并擁有省電與定時睡眠模式，另外還有安全碼與程序代碼加密機制。FREESCALE（飛思卡爾），它包括一個集成的發(fā)送/接收（T/R）開關(guān)，可以幫助降低對外部組件的需求，進而降低原料成本和系統(tǒng)總成本。該收發(fā)信機支持飛思卡爾的軟件棧選項、簡單MAC（SMAC）、 MAC和全ZigBee堆棧。集成了MC9S08GT MCU和MC1320x收發(fā)信機，閃存可以在16~60 KB的范圍內(nèi)選擇。MC13211提供16 KB的閃存和1 KB的RAM，非常適合采用SMAC軟件的點到點或星形網(wǎng)絡(luò)中的經(jīng)濟高效的專屬應(yīng)用。對于更大規(guī)模的聯(lián)網(wǎng)，則可以使用MC13212（具有32 KB的內(nèi)存和2 KB的RAM內(nèi)存）和IEEE MAC。 此外，MC13213（帶有60 KB的內(nèi)存和4 KB的RAM）和ZigBee協(xié)議堆棧設(shè)計用于幫助設(shè)計人員開發(fā)完全可認證的ZigBee產(chǎn)品。MC13213可以提供全面的編碼和解碼、用于基帶MCU的可編程時鐘、以4 MHz（或更高）頻率運行的標(biāo)準(zhǔn)4線SPI、外部低噪聲放大器和功率放大器（PA）實現(xiàn)的功能擴展以及可編程的輸出功率。以上的硬件平臺都適用于ZigBee應(yīng)用的開發(fā)。由于任務(wù)書上和市場上應(yīng)用的稍多的芯片是CC2530，其系統(tǒng)的集成性和通用性都較好并且其集成的51微處理器內(nèi)核亦較為熟悉，另外，CC2530芯片優(yōu)性能也是本文硬件選擇的一個較為重要的因素。CC2530芯片的性能如下：（1）具有USB高速下載、支持IAR集成開發(fā)環(huán)境； （2）具有在線下載、調(diào)試、仿真功能； （3）提供ZigBee2007/PRO/RF4CE協(xié)議棧； （4）例程豐富，并且所有例子程序以源代碼方式提供并附實驗手冊； （5）靈活配置。根據(jù)需求可選配多種擴展開發(fā)板； （6）開發(fā)方便、快捷、簡單； （7）C51編程。熟悉、順手、入手快； （8）具有液晶顯示。直觀、明了； （9）配套提供多種傳感器(光敏/溫度/可調(diào)電阻)； （10）具有多年高頻設(shè)計工程師提供專業(yè)、經(jīng)驗豐富技術(shù)支持； （11）功能強大的C51RF仿真器?？梢詫崿F(xiàn)對CC2530開發(fā)仿真調(diào)試。 （12）多種擴展板既有簡單開發(fā)按鍵、又有液晶顯示及傳感器。不但可實現(xiàn)簡單的（13）CC2530開發(fā)，還可作于復(fù)雜的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。 （14）硬件系統(tǒng)、軟件代碼程序自主設(shè)計完成保證長期技術(shù)支持。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立是基于傳感器與無線傳輸模塊的，傳感器采集的數(shù)據(jù)，簡單處理后經(jīng)過無線傳輸模塊傳到服務(wù)器或應(yīng)用終端。目標(biāo)、觀測節(jié)點傳感節(jié)點和感知視場是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所包括的4個基本實體對象。另外，要完成對整個系統(tǒng)的應(yīng)用刻畫，還需要對遠程任務(wù)管理單元、外部網(wǎng)絡(luò)和用戶進行定義。大量傳感節(jié)點隨機部署，單個節(jié)點經(jīng)過初始的通信和協(xié)商，通過自組織方式自行配置，形成一個傳輸信息的單跳鏈接或一系列的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對目標(biāo)的感知視場。傳感節(jié)點檢測的目標(biāo)信號經(jīng)過傳感器本地簡單處理后通過單播或廣播以多跳的方式通過鄰近傳感節(jié)點傳輸?shù)接^測節(jié)點。用戶和遠程任務(wù)管理單元則能夠通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)或Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，與觀測節(jié)點進行數(shù)據(jù)信息的交互。觀測節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請求和控制指令，接收傳感節(jié)點返回的目標(biāo)信息。圖41 無線傳感器節(jié)點模型協(xié)調(diào)器節(jié)點在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主要負責(zé)的是無線網(wǎng)絡(luò)的建立和節(jié)點管理等各種任務(wù)。在本系統(tǒng)中它還需要對接受的數(shù)據(jù)的進行處理，以及USB轉(zhuǎn)串口與PC進行連接通信。它的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖42所示。CC2530電源天線USB串口圖42 終端結(jié)構(gòu)圖4,2,2終端節(jié)點設(shè)計終端節(jié)點在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主要負責(zé)的是將采集到的數(shù)據(jù)通過組建好的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點。它的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖43所示。CC2530傳感器天線電源圖43 終端結(jié)構(gòu)圖其中除了信號放大及傳感器模塊之前未介紹過，其余地方均與協(xié)調(diào)器節(jié)點同。故本節(jié)只介紹傳感器模塊。其中由于傳感器模塊有溫濕度測量，光度測量，一氧化碳測量等。其原理相似，故本文只選擇溫度傳感器模塊來做敘述。(1)電源部分設(shè)計本部分的設(shè)計采用外部三節(jié)干電池對系統(tǒng)進行供電。系統(tǒng)工作電壓為3．3V?？沙浞譂M足CC2530對電壓的要求。其電路如圖44。圖44 電壓轉(zhuǎn)換電路(2)debuger口部分設(shè)計電路連接原理圖如圖45。圖45 debuger部分電路圖 溫濕度傳感器本設(shè)計選用的是SHT11芯片，其特點是高集成度、全標(biāo)定和數(shù)字輸出。SHT11芯片內(nèi)含濕度傳感器和溫度傳感器，其中濕度測量通過一個電容行聚合體測濕敏感元件完成，溫度測量通過一個用能隙材料制成的測溫元件完成。在同一芯片上，溫度傳感器和濕度傳感器可以與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串口電路實現(xiàn)無縫連接。圖46 SHT11芯片結(jié)構(gòu)SHT11的工作范圍比較廣，其工作溫度范圍是40℃～℃，其中在30℃～75℃范圍內(nèi)，溫度測量精度不高于177。2℃；其工作濕度范圍是0～100％RH，其中在20％～80％RH范圍內(nèi)，濕度測量精度不高于177。3％RH。SHT11芯片內(nèi)部集成了一個加熱器，大約能將自身溫度提高5℃，以防止芯片在惡劣環(huán)境下工作時內(nèi)部出現(xiàn)冷凝問題。但是需要注意的問題是，在芯片加熱時，測到的溫濕度的數(shù)值不準(zhǔn)確。CC2430芯片與SHT11芯片之間通過I2 C標(biāo)準(zhǔn)總線進行通信，其接口簡單可靠。該電路中的主機是CC2430芯片，由它發(fā)出對環(huán)境參數(shù)測量的采集啟動信號。SHT11的3腳為時鐘線SCK，2腳為數(shù)據(jù)線DATA，數(shù)據(jù)線需接一只10kΩ的上接電阻。其中時鐘輸入線SCK與CC2430保持通訊同步，數(shù)據(jù)線DATA負責(zé)收發(fā)通信協(xié)議命令和數(shù)據(jù)。圖47 SHT11接口電路圖48 SHT11硬件圖本文采用了數(shù)字輸出型的環(huán)境光照傳感器BH1750FIV。它是一種兩線式串行總線接口光強度傳感器集成電路。芯片直接內(nèi)含放大器、AD轉(zhuǎn)換器、光強度計算電路和總線接口。它的優(yōu)點是輸出值無需換算，即是光強度值；無需其它外部元件；抑制50Hz/60Hz的光噪聲；，故無需電壓轉(zhuǎn)換，直接接3V的電源即可。在連接傳感器和CC2530時應(yīng)注意BH1750FIV的DIV端口，因為DIV是總線的參考電壓終端，亦是異步重置終端。其要求是在VCC供電后DIV口必須有不少于的低電平時間，以保證ADDR,SDA,SCL口的穩(wěn)定。又因為CC2530無總線，所以直接接在其I/O口，再應(yīng)用軟件編程來達到模擬出總線的效果。圖49 BH1750FIV圖本文選擇一氧化碳氣體傳感器CO/MF500來采集室內(nèi)環(huán)境中的氣體。該傳感器的性能特性如表43所示。表43 傳感器特性表性能指標(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)時間(T90)25s壓力范圍大氣壓177。10%長期漂移：2%/每月推薦負載值：10Ω線性度輸出：線性使用壽命3年因為CO/MF系列傳感器屬于電流型傳感器，故輸出電流的大小隨的室內(nèi)濃度增加而線性增加。當(dāng)輸出的電流經(jīng)過10的電阻時，可轉(zhuǎn)換成電壓，即測量電阻兩端的電壓。在日常生活中，當(dāng)室內(nèi)氣體濃度超過100 ppm時，人體就會產(chǎn)生乏力、頭痛等各種不適感；隨著氣體濃度的增加，會進一步產(chǎn)生嘔吐、頭痛、窒息、昏迷等癥狀；當(dāng)?shù)臐舛瘸^600 ppm時，在較短期內(nèi)就會引起窒息死亡。故將一氧化碳的閥值設(shè)置為100ppm時較為合適，當(dāng)達到此閥值時，即向管理中心上報。根據(jù)表4．6中的傳感器性能指標(biāo)可算出，當(dāng)?shù)臐舛冗_到100ppm時，傳感器輸出的電壓值只有104V，所以需要設(shè)計電壓放大電路以便CC2430可以識別量化。電壓放大電路如下，采用兩級放大電路，使用AD8544芯片可以實現(xiàn)30到120倍的放大。電路設(shè)計如圖48所示。圖410 放大電路 本章小結(jié)本章主要做了以下三個方面的工作：(1) 根據(jù)目前ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，選擇了CC2530作為本設(shè)計的開發(fā)平臺。(2) 介紹了協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件設(shè)計。(3) 介紹了傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計。通過上述工作，為系統(tǒng)的應(yīng)用做好了硬件準(zhǔn)備，為后續(xù)系統(tǒng)的軟件做好了準(zhǔn)備。第5章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計本設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)選擇樹狀結(jié)構(gòu)，樹狀結(jié)構(gòu)必須有路由的加入，但路由實在終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器之間的距離超過接收不到的情況下轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點所發(fā)送的數(shù)據(jù)，而本設(shè)計只設(shè)計了近距離的數(shù)據(jù)收發(fā)，所以本設(shè)計的軟件部分設(shè)計只要對協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點分別進行設(shè)計。終端節(jié)點負責(zé)采集當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、光照情況、一氧化碳濃度情況在現(xiàn)場實時的顯示，并最終發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器在接收到終端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后進行