【正文】 下面將分別針對(duì)這兩種傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。為了精確地實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的量化,本文在每一次采樣過程中,多次讀取ADC通道的數(shù)據(jù)值,并且連續(xù)兩次讀取之間,具有一定的時(shí)間間隔。本系統(tǒng)使用ADC通道4,分辨率為8位。本系統(tǒng)ADC數(shù)據(jù)量化可利用協(xié)議棧自帶的API函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取,其分辨率選擇為8位。分辨率為12位時(shí),本部分的數(shù)據(jù)計(jì)算將在管理中心程序中執(zhí)行。補(bǔ)償公式如下:式中:RH為經(jīng)過線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償后的最終濕度值,T為測試濕度值時(shí)的溫度,溫度補(bǔ)償系數(shù)取值如下：12位時(shí)：，； 8位時(shí)：。8位時(shí): ,。SHT11傳感器采集部分的程序如下表56所示：表56 SHT11傳感器數(shù)據(jù)采集程序列表函數(shù)名功能說明void SH_start(void) SHT11的啟動(dòng)子程序；void SH_ACK(void)SHT11發(fā)送應(yīng)答位子程序void SH_NOACK(void)SHT11發(fā)送非應(yīng)答子程序，使數(shù)據(jù)傳輸過程結(jié)束void check_ACK(void)CC2430應(yīng)答檢查子程序，使數(shù)據(jù)傳輸過程結(jié)束void SH_send Byte(uint8 ch)發(fā)送～個(gè)字節(jié)uint8 SH receive Byte(void) 接收一字節(jié)void Init SHT(void) 初始化SHT11Void SH_Measure Tem(void)發(fā)送測量溫度命令，調(diào)用后應(yīng)延遲void SH_Measure Hum(void) 發(fā)送測量濕度命令，調(diào)用后應(yīng)延遲int Read Data(void)讀測量數(shù)據(jù)char當(dāng)該位置1時(shí),濕度的分辨率為8位,溫度的分辨率為12位。該寄存器的第0位,可以設(shè)置該傳感器的分辨率大小。最后8個(gè)SCK下降沿從機(jī)發(fā)出CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù),主機(jī)不予應(yīng)答(NACK)則表示測量結(jié)束。在隨后8個(gè)SCK周期下降沿,從機(jī)發(fā)出低字節(jié)數(shù)據(jù)。在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿,主機(jī)將DATA總線拉低作為ACK信號(hào)。主機(jī)檢測到DATA總線被拉低后,得知量已經(jīng)結(jié)束,給出SCK時(shí)鐘信號(hào)。從機(jī)接收到上述地址和命令碼后,在第8個(gè)時(shí)鐘下降沿,將DATA下拉為低電平作為從機(jī)的ACK；在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿之后，從機(jī)釋放DATA(恢復(fù)高電平)總線。 在完成上述啟動(dòng)時(shí)序后,主機(jī)發(fā)出一個(gè)后續(xù)8位命令碼,該命令碼包含3個(gè)地址位(默認(rèn)地址位為“000”)和5個(gè)命令位(如表45所示)。從機(jī)在一個(gè)啟動(dòng)時(shí)序后就可以開始傳輸數(shù)據(jù),其在啟動(dòng)時(shí)序序如圖55所示。這兩根信號(hào)線分別與CC2430的Pll和Pl2連接，如圖416所示。在數(shù)據(jù)采集的過程中,這三類信號(hào)的程序處理也各不相同,下面將對(duì)其作具體介紹。為此,系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)時(shí)為不同的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)定了不同的采樣延遲時(shí)間,以保障系統(tǒng)獲得精確的采樣數(shù)據(jù)。當(dāng)其輸出為低電平時(shí),模擬開關(guān)斷開了各個(gè)電源的輸出。其工作流程如下圖54所示：圖54 傳感器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序流程圖 數(shù)據(jù)采集部分的電源管理通過對(duì)CC2430的P0_0引腳輸出高低電平來控制。延長一段時(shí)間后,它再進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集操作。下面分別對(duì)各個(gè)指令的執(zhí)行程序介紹。隨后,該節(jié)點(diǎn)斷開數(shù)據(jù)采集模塊的電源并進(jìn)入指令等待狀態(tài)。傳感器節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖53所示：圖53 傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖 如圖53所示,傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后,它先進(jìn)行初始化工作。vdd_pass_n=O； if(iO) break； retum(i++)； } 傳感器節(jié)點(diǎn)的主要功能是數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。//等待50ms MicroWait(50000)。根據(jù)ZStack中對(duì)電池能量級(jí)別的定義,系統(tǒng)的能量分為8級(jí),即{, , , , },節(jié)點(diǎn)能量檢測程序如下所示： uint8 (void) { uint8 vdd_pass_n=0。在本系統(tǒng)中,路由器節(jié)點(diǎn)接收到的指令只有節(jié)點(diǎn)能量檢測。隨后,該節(jié)點(diǎn)進(jìn)入消息等待狀態(tài)。 路由器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的主要作用是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理與數(shù)據(jù)的接受、發(fā)送。如果是管理中心發(fā)送的指令信息，控制中心節(jié)點(diǎn)將解析該指令,并根據(jù)指令中包含的信息將指令發(fā)送到指定的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)完成了初始化工作后,控制中心節(jié)點(diǎn)就開始等待接收消息。硬件的初始化包括I/0口的配置、中斷的設(shè)置,能量的檢測,外圍設(shè)備的初始化。//LCD顯示字符串?dāng)?shù)據(jù)void send cmd(intn)。 //菜單界面程序； Uint8 getmykey(void) 。 本系統(tǒng)的按鍵部分有四個(gè)獨(dú)立的按鍵,可實(shí)現(xiàn)菜單界面的上下翻轉(zhuǎn),菜單命令的撤銷與確定。//將字符串ms附加到字符串msgl后（3）用戶操作界面模塊用戶操作界面是為了方便用戶單獨(dú)使用控制中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集而設(shè)計(jì)的模塊。//將16進(jìn)制數(shù)據(jù)的字符串轉(zhuǎn)為整形 void strcpy(char* msgl,char* msg32)。//串口接收回調(diào)函數(shù) char*longtochar(long n,char *buf)。本模塊中的函數(shù)如下所示： void sendMSGtoPC(char*msg)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)采樣周期信息到管理中心。發(fā)送節(jié)點(diǎn)的能量信息到管理中心。如：“02796F3”“03”節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址(4字符)+能量級(jí)別(1字符)。如:“01796F0539”“02”節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址(4字符)+數(shù)據(jù)對(duì)象(2字符)+角色信息(1字符)。根據(jù)以上對(duì)控制中心節(jié)點(diǎn)的功能介紹,上行數(shù)據(jù)信息及其格式如下表56所示：表56 上行數(shù)據(jù)指令信息格式指令(2字符) 負(fù)載(變長)說明“01”節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址(4字符)+數(shù)據(jù)對(duì)象(2字符)+數(shù)據(jù)值(2字符)。如：“03796F”“04”節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址(4字符)+周期值(2字符)對(duì)指定節(jié)點(diǎn)設(shè)置采樣周期。根據(jù)以上對(duì)控制中心節(jié)點(diǎn)的功能介紹,下行數(shù)據(jù)指令信息及其格式如下表55所示：表55 下行數(shù)據(jù)指令信息格式指令(2字符)負(fù)載(變長) 說明“01”節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址(4字符)命令該節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集。為了實(shí)現(xiàn)串口收發(fā)程序中的數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一,本系統(tǒng)對(duì)串口通信格式做了規(guī)定。//不使用流控制 =SERIAL_APP_THRESH； =SERIAL_APP_RX_MAX； =SERIAL_APP_TX_MAX； =SERLAL_APP_IDLE； =TRUE； =rxcb。本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)時(shí),已選用串口0與管理中心的通信,對(duì)其串口0的配置如下所示： =TRUE； =HALUART_BIU38400。設(shè)計(jì)人員在使用的過程中,只需要對(duì)該單元進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲镁涂梢哉{(diào)用該單元,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)消息格式如表53所示,節(jié)點(diǎn)信息消息格式如表54所示。本系統(tǒng)按照表51中Cluster ID的定義,控制中心節(jié)點(diǎn)的每個(gè)Cluster ID下的功能函數(shù)如下所示。表54 消息內(nèi)容為3/4個(gè)字節(jié)的格式信息類型(IT,Information Type) 數(shù)據(jù)大小(Value)(I字節(jié)) (2/3字節(jié))0x0l 節(jié)點(diǎn)地址信息(2字節(jié))+節(jié)點(diǎn)角色信息(1字節(jié))0x02 節(jié)點(diǎn)能量信息(2字節(jié))0x03節(jié)點(diǎn)采集周期(2字節(jié))0x040xFF 擴(kuò)展保留 在ZStack中,當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)時(shí),操作系統(tǒng)抽象層會(huì)產(chǎn)生一個(gè)AF INCOMING MSG CMD事件通知,用戶只需要在該事件下對(duì)接收到的消息進(jìn)行處理即可。其中，數(shù)據(jù)對(duì)象D0表示對(duì)應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)長度大小為2個(gè)字節(jié)。當(dāng)設(shè)置的周期值為0時(shí),表示取消傳感器節(jié)點(diǎn)的周期采集數(shù)據(jù)功能。系統(tǒng)默認(rèn)狀態(tài)下的周期值為0。指令集如表52所示。在ZStack中,應(yīng)用程序可以通過解析接收到的消息中的簇信息,分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。該函數(shù)實(shí)質(zhì)上是調(diào)用了APS層的APSDU DATA Request原語實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用數(shù)據(jù)收發(fā)模塊分為數(shù)據(jù)發(fā)送子程序和數(shù)據(jù)接收子程序。（1）ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用數(shù)據(jù)收發(fā)模塊 在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,應(yīng)用層定義了兩種數(shù)據(jù)服務(wù)傳輸格式:KVP(鍵值對(duì))和MSG(消息)。同時(shí),為了方便用戶使用,控制中心節(jié)點(diǎn)也可以單獨(dú)作為手持終端使用,直接通過按鍵與LCD顯示屏觀察監(jiān)測數(shù)據(jù)?？傊?系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要協(xié)調(diào)這種時(shí)間滯后,使系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)性要求。第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 在子程序設(shè)計(jì)中,要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰,盡可能地保證單入口單出口,減少與其他程序之間的耦合,但為了提高這類滯后對(duì)象的實(shí)時(shí)性指標(biāo),可以在個(gè)程序適當(dāng)?shù)牟糠诌M(jìn)行揉合。本章小結(jié) 本章主要做了以下幾個(gè)方面的工作：,選擇合適的開發(fā)平臺(tái)；,包括:天線、電源、按鍵、LCD顯示、串口；；,包括:電源及電源管理單元,不同類型傳感器的信號(hào)采集單元的設(shè)計(jì)。當(dāng)其檢測到入侵信息時(shí),提供開關(guān)型信號(hào)量輸出。 本文采用豪恩(LongHom)公司的雙鑒探測器LH902C進(jìn)行人員入侵判斷。當(dāng)沒有檢測到煙霧信號(hào)時(shí),整個(gè)電路部分處于開路狀態(tài),R20兩端的電壓為0V。LH91L的工作電壓為12V,其工作原理如下圖419所示。一般情況下,該傳感器的輸出端處于常開狀態(tài)。 本文采用豪恩(L0ngHom)公司[26]的LH91L離子型煙霧傳感器來探測室內(nèi)的火災(zāi)信息。根據(jù)： （）可知,其放大增益為范圍為[1,2]。圖418 亮度傳感器信號(hào)采集電路圖由圖418可知,光傳感器輸出電壓信號(hào)經(jīng)過一個(gè)電壓跟隨器以后被送到同向放大器進(jìn)行放大處理。由于光傳感器在lK歐姆負(fù)載下輸出的電壓信號(hào)微弱,為了更精確的測量環(huán)境的光照信息,本文還設(shè)計(jì)了信號(hào)放大電路,其放大倍數(shù)可以通過調(diào)整變阻器來滿足實(shí)際需求。一般情況下,室內(nèi)照度可根據(jù)天氣情況而有所不同,其照度一般在[1,500]范圍內(nèi)。另外,它可以在[,]擴(kuò)展電壓范圍內(nèi)工作,其工作溫度范圍也擴(kuò)大至40℃到+85℃。它采用微型ChipLED無鉛表面封裝,它是業(yè)內(nèi)體積最小的器件之一,。放大電路如圖417所示。第一級(jí)可調(diào)節(jié)電阻R29,實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)AV1范圍為[6,11],第二級(jí)可調(diào)節(jié)R13,實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)AV2以為[6,11]。為了便于AD部分量化,需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。當(dāng)一氧化碳?xì)怏w濃度超過600 ppm時(shí),短期內(nèi)會(huì)引起窒息死亡。在生活中,當(dāng)環(huán)境中一氧化碳?xì)怏w濃度超過100 ppm(100x106)時(shí),人體就會(huì)產(chǎn)生頭暈、乏力等不適感。20nA/ppm分辨率響應(yīng)時(shí)間40 seconds推薦負(fù)載值10Q線性度輸出線性重量約13克 由于該傳感器也屬于電流型傳感器,輸出的電流大小隨一氧化碳濃度的變化而線性變化。該傳感器的性能特性如下表44所示。DATA與SCK兩根信號(hào)線分別與CC2430的Pl_l和P1_2相連,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。SHTll的命令集如表43所示。需要一個(gè)外部的上拉電阻將信號(hào)提拉至高電平。數(shù)據(jù)傳輸期間,在SCK時(shí)鐘高電平時(shí),DATA必須保持穩(wěn)定。DATA(串行數(shù)據(jù))用于數(shù)據(jù)的讀取。 1. SHT11溫濕度傳感器工作過程SHTll采用12C的工作方式,系統(tǒng)由兩個(gè)信號(hào)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。針對(duì)不同的對(duì)象,傳感器節(jié)點(diǎn)采用不同的傳感器模塊進(jìn)行采集物理信息。數(shù)字型傳感器集成了信號(hào)采集與調(diào)理以及A/D數(shù)字化環(huán)節(jié),并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值在總線(如12C,SPI)上發(fā)送出去等設(shè)計(jì)人員只需要將其與微控制器的I/O引腳相連就可以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的讀取,操作非常方便。 通常報(bào)警傳感器輸出的是開關(guān)型信號(hào),當(dāng)檢測量超過某個(gè)閾值時(shí),傳感器輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)觸發(fā)報(bào)警。目前,市場上傳感器模塊種類繁多,不同廠家生產(chǎn)的傳感器模塊的規(guī)格與集成度也各不相同。 本文選用CD4066模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電源通斷的控制。圖415 電壓轉(zhuǎn)換電路圖 由于傳感器節(jié)點(diǎn)電池能量消耗比較大,為了保持傳感器節(jié)點(diǎn)的低功耗,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電源管理模塊,可實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的能量的控制。該電壓主要為傳感器模塊提供工作電壓。該電壓主要為CC2430與運(yùn)算放大器AD8544提供工作電壓。為了提高系統(tǒng)能量的利用率,本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)獨(dú)立的電源電路,6V,9V,12V的工作電壓接口。數(shù)據(jù)采集部分所需工作電壓根據(jù)各傳感器類型的不同而各異,一般而言工作電壓為:6V,9V,12V,24V。數(shù)據(jù)采集部分由傳感器模塊和信號(hào)調(diào)理模塊組成,實(shí)現(xiàn)對(duì)物理信號(hào)的采集、信號(hào)的轉(zhuǎn)化、處理，提高信號(hào)的精確度。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)。其結(jié)構(gòu)圖如413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。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。紅色表示電源工作正常。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)。因此,該節(jié)點(diǎn)的硬件電路結(jié)構(gòu)相對(duì)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。因此,在系統(tǒng)的監(jiān)測區(qū)域較大或者信號(hào)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。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。通過按鍵選擇不同的尺。圖410 按鍵部分電路原理圖信號(hào)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)。本系統(tǒng)采用通道6(P0_6)作為按鍵輸入模擬信號(hào)的采集通道。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。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(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置而設(shè)計(jì)的。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。其引腳接口功能和接口電路如表42所示。