【正文】 ZigBee 協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層API由ZigBee聯(lián)盟進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[50]。ZigBee是一組基于IEEE 、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們之間的通信效率非常高。它此前被稱(chēng)作“HomeRF Lite”或“FireFly”無(wú)線技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線連接。第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ZigBee協(xié)議棧ZigBee技術(shù)是一種面向自動(dòng)化和無(wú)線控制的低速率、低功耗、低價(jià)格的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方案。DTR2000為用戶提供一條高速、永遠(yuǎn)在線、透明數(shù)據(jù)傳輸通道，作為一種新的數(shù)據(jù)傳輸終端，幾乎所有中低速率的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)都可以使用，如城市配電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化、自來(lái)水、煤氣管道自動(dòng)化、商業(yè)POS機(jī)、INTERNET接入等。圖 318 GPRS模塊及SIM卡接口電路 GPRS模塊的選擇對(duì)GPRS模塊的選擇，要從尺寸和成本、應(yīng)用場(chǎng)合、是否自帶協(xié)議棧等角度考慮，鑒于此，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇深圳市科靈通科技有限公司提供的無(wú)線GPRS模塊DTR2000。6) 狀態(tài)指示腳設(shè)計(jì)：一般都會(huì)有個(gè)GPRS模塊狀態(tài)指示腳，接上LED燈后就能知道模塊的工作情況。有的模塊還會(huì)開(kāi)放復(fù)位腳，通過(guò)拉高或者拉低來(lái)對(duì)模塊進(jìn)行復(fù)位。4) 與語(yǔ)音通話相關(guān)的引腳設(shè)計(jì)：如話筒、聽(tīng)筒之類(lèi)，若不需要用到語(yǔ)音通話功能，則可以不接。除了串口發(fā)送（TX）、串口接收（RX）之外，微控制器與GPRS模塊之間還有一些硬件握手信號(hào)，如DTR、CTS、DCD等。SIM卡芯片有8個(gè)觸點(diǎn)，通常與移動(dòng)設(shè)備連接需要6個(gè)觸點(diǎn)，SIM卡引腳功能的定義如表31所列。GPRS模塊在連上網(wǎng)的一瞬間電流比較大，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到這種情況。圖 317 濁度液晶顯示電路 GPRS模塊設(shè)計(jì) GPRS模塊硬件設(shè)計(jì)GPRS模塊硬件設(shè)計(jì)主要有如下幾個(gè)方面:1) 電源和地的設(shè)計(jì)：，考慮到一些損耗等，為了模塊正常工作。模塊內(nèi)置升壓電路，無(wú)需負(fù)壓配置LED背光，～。然后判斷OCMJ模塊是否在忙于內(nèi)部處理數(shù)據(jù)，如果ASK=1，那么把ANSWER拉低，等待下一次（ASK=0）再送下一個(gè)數(shù)據(jù)。ASK=1 表示OCMJ 忙于內(nèi)部處理，不能接收用戶命令；ASK=1 表示OCMJ 空閑，等待接收用戶命令。該液晶顯示器內(nèi)含GB2312 1616點(diǎn)陣國(guó)標(biāo)一級(jí)簡(jiǎn)體漢字和ASCII88點(diǎn)陣英文字庫(kù)，可顯示字母、數(shù)字符號(hào)、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫(huà)面混合顯示功能。圖 315 CC2430與GPRS的接口電路 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)為使得在水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)也能了解水環(huán)境的各個(gè)參數(shù)，本文在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)。MAX232A為系統(tǒng)提供了電平轉(zhuǎn)換功能，使得系統(tǒng)能直接跟GPRS模塊的串口進(jìn)行通信。本系統(tǒng)采用MAX3232E作為電平轉(zhuǎn)換芯片。但是CC2430單片機(jī)的的串口是標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所用GPRS模塊的串口是標(biāo)準(zhǔn)RS232C協(xié)議電平 (邏輯“1”是從3V到25V，通常為12V；邏輯“0”從3V到25V，通常為12V；而3V～+3V之間的任何電壓都處于未定義邏輯狀態(tài)[35]。 V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電，C241和C421電容是去耦合電容，用來(lái)電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性[45]。用1個(gè)32MHz的石英諧振器(XTAL1)和2個(gè)電容(C191和C211)構(gòu)成一個(gè)32 MHz的晶振電路。內(nèi)部T/R交換電路完成LNA和PA之問(wèn)(間)的交換。電路使用一個(gè)非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。CC2430芯片需要很少的外圍部件配合就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能。8) 可編程看門(mén)狗，（MAC）定時(shí)器，21個(gè)通用I/O引腳其中2個(gè)具有20mA的電流吸收或電流供給能力。6) 支持?jǐn)?shù)字化的接收強(qiáng)度信號(hào)指示器/鏈路質(zhì)量指示（RSSI/LQI）,具有高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）協(xié)處理器。4) 掉電方式下，外部中斷或者實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）使能喚醒系統(tǒng)，電源電壓寬（~）。2) 32KB/64KB/128KB的閃存，8KBSRAM，具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力；強(qiáng)大的DMA功能。微處理器要求有集成度高、功耗低支持休眠模式、成本低等；無(wú)線射頻部分須考慮發(fā)射功率、數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方式、抗干擾能力、接收靈敏度等[43]。 ZigBee無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)在進(jìn)行ZigBee無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)線芯片的選擇是至關(guān)重要的，針對(duì)具體的應(yīng)用作出恰當(dāng)選擇不但有助于降低成本，還可以使設(shè)計(jì)周期縮短、提高產(chǎn)品性能。放大器CA3140的輸入和輸出端并聯(lián)反饋電阻R3和電容C2，在放大器CA3140的兩腳間連接一個(gè)可調(diào)電阻P2，放大器CA3140的另一端連接電阻R2后接地。通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器P1，使得滑動(dòng)端將電壓穩(wěn)定在一定值Uo1，并使得其值稍微大于開(kāi)啟電壓Uon=，后通過(guò)運(yùn)放TL082，此時(shí)輸出電阻接近為零，使得輸出的電壓值穩(wěn)定在Uo1，為運(yùn)放內(nèi)部的晶體管提供一個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)，使得晶體管工作在放大區(qū)，輸出信號(hào)不產(chǎn)生失真。因此設(shè)計(jì)了圖中虛線框內(nèi)所示的直流信號(hào)電路產(chǎn)生電路。其中，標(biāo)有Au和Ag符號(hào)的為調(diào)理電路的信號(hào)輸入端，其中Au接光電池的正端，Ag接光電池的負(fù)端。它們使用的供電電源皆是177。圖 313 濁度調(diào)理電路該濁度調(diào)理電路是由美國(guó)INTERSIL公司的CA3140芯片和通用TL082芯片構(gòu)成的精密匹配電路。硅光電池將散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，但電流信號(hào)非常微弱,0~10uA，需要經(jīng)過(guò)放大器放大，并最終輸出到控制芯片。水下散射式濁度傳感器如圖312所示。圖 311 水下散射式濁度傳感器光學(xué)原理（好像不能將圖跟標(biāo)號(hào)分在兩頁(yè)）水平軸下面充滿水，有一光束強(qiáng)度為I0(這邊下標(biāo)有問(wèn)題)入射到水面，一部分經(jīng)表面反射，另一部分進(jìn)入水面?zhèn)鞑?，則在Y坐標(biāo)的小區(qū)域內(nèi)即dy，其X方向的散射光，可用（）和（）得到： （）因?yàn)閄方向的散射光經(jīng)水的X方向吸收后過(guò)段距離后才能進(jìn)入光電池，故實(shí)際到達(dá)光電池的散射光強(qiáng)為： （）式中X為散射光到達(dá)光電池的距離。當(dāng)溶液中微粒大小均勻時(shí)，某一區(qū)域的dy，在某方向的散射光也與濁度成正比： （） 其中：K2為溶液對(duì)光的散射系數(shù)，IY為Y處的光強(qiáng)。時(shí)光從空氣到水中的透射系數(shù)，K1為溶液對(duì)光的吸收系數(shù)。然后調(diào)試整個(gè)PH信號(hào)調(diào)理電路，其調(diào)試方法為：斷開(kāi)PH電極的輸入，P2居中，原來(lái)接PH值信號(hào)輸入的運(yùn)放輸入端接地，調(diào)節(jié)P3，使得電路輸出為700mv，此時(shí)相當(dāng)于輸出的PH值為7；，調(diào)節(jié)P2，使得電路輸出為1400mv，此時(shí)相對(duì)于輸出的PH值為14，然后PH信號(hào)調(diào)理電路板便可以正常工作了。其余普通運(yùn)放選用，硬件電路如圖310所示。 PH調(diào)理電路所選PH電極采用上海雷磁公司生產(chǎn)的E201C型PH復(fù)合玻璃電極，在25oC時(shí)，即在氫離子活度變化10倍時(shí)。依據(jù)Nernst方程，原電池輸出電動(dòng)勢(shì)、被測(cè)溶液絕對(duì)溫度及被測(cè)溶液PH值之間滿足公式（）： （） 其中，E為原電池輸出電動(dòng)勢(shì)（單位mV）；E0為常數(shù)，是與電極材料、內(nèi)參比溶液、內(nèi)參比電極以及液接電位有關(guān)的電位差（單位mV）；K為常數(shù)，是Nernst系數(shù)；T為被測(cè)溶液的絕對(duì)溫度（單位K）；PHx為被測(cè)溶液的PH值；PH0是常數(shù)，為復(fù)合玻璃電極內(nèi)緩沖溶液的PH值。在制作工藝上，玻璃電極作為指示電極，銀氯化銀電極作為參比電極，將兩種電極封裝在一起構(gòu)成復(fù)合玻璃電極。所以，在分析養(yǎng)殖用水的水質(zhì)時(shí)通常都要測(cè)定其PH值。 PH調(diào)理電路設(shè)計(jì)PH值(酸堿度)是漁塘水質(zhì)的重要指標(biāo)，不僅直接影響魚(yú)類(lèi)的生理活動(dòng)，而且還通過(guò)改變水體環(huán)境中其他理化及生物因子間接作用于魚(yú)類(lèi)。輸出電壓。是高輸入阻抗運(yùn)算放大器，是美國(guó)無(wú)線電公司研制開(kāi)發(fā)的一種運(yùn)算放大器，它結(jié)合了壓電晶體管工藝和高電壓雙授晶體管的優(yōu)點(diǎn)。圖 39 激電流電壓變換部分電流電壓變換部分原理說(shuō)明：采用如上電路，極輸入微安級(jí)電流，通過(guò)調(diào)整滑動(dòng)變阻器，可將電流信號(hào)變換為的電壓信號(hào)。圖 37 溶解氧電極工作原理 溶解氧調(diào)理電路溶解氧硬件檢測(cè)電路構(gòu)成分為激勵(lì)源部分如圖38和電流—電壓變換部分如圖39，以下分別作詳細(xì)介紹。電極的氣體滲透膜將電解液與被測(cè)量溶液隔離，膜的透過(guò)性決定了擴(kuò)散到溶氧傳感器陰極的氣體成份，它也決定了溶氧電極的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)給電極兩端加上的極化電壓時(shí)，氧通過(guò)膜擴(kuò)散，在陰極釋放電子，在陽(yáng)極接受電子，產(chǎn)生電流，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程是這樣：陽(yáng)極 ，陰極 根據(jù)法拉第定律：流過(guò)電極的電流和氧分壓成正比，在溫度不變的情況下電流和氧濃度之間呈線性關(guān)系。在水環(huán)境中的溶解度取決于溫度、壓力和水中溶解的鹽。此類(lèi)薄膜只能透過(guò)氣體,一般采用聚四氟乙烯薄膜。 溶解氧檢測(cè)方法及原理目前常用的溶解氧檢測(cè)方法有碘量法、電流測(cè)定法 (Clark溶氧電極)、 電導(dǎo)測(cè)定法、 熒光淬滅法等，本系統(tǒng)中采用的是電流測(cè)定法。經(jīng)過(guò)差分放大電路后,調(diào)整到cc2430 單片機(jī)A/D端能夠接受的電壓范圍。設(shè)計(jì)時(shí)采用二極管橋式整流。圖36中、及運(yùn)放組成二階有源低通濾波電路?？紤]到整流電路的設(shè)計(jì)方便。圖中為分壓電阻，為電極間養(yǎng)殖水環(huán)境的電阻，設(shè)為兩端電壓，在時(shí)， （）測(cè)量電源電路輸出端電壓，由公式可見(jiàn)當(dāng)和為常數(shù)且時(shí)，分壓電路的輸出電壓跟養(yǎng)殖水環(huán)境的電導(dǎo)是線性關(guān)系?？紤]到鹽度的測(cè)量范圍要求在0～40‰,屬高電阻電導(dǎo)池,故電源頻率采用100 Hz。在測(cè)量低電阻溶液時(shí)(小于1 kΩ),頻率太低,就會(huì)由于電流密度大而產(chǎn)生極化效應(yīng)，可以采取1KHz這樣的較高頻率,使得電極表面的氧化還原反應(yīng)迅速交替進(jìn)行,可消除或減小極化效應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差；在測(cè)量高電阻溶液時(shí),由于電導(dǎo)池電容的影響而不能用較高工作頻率,否則會(huì)產(chǎn)生容抗誤差【31】。圖 36鹽度檢測(cè)電路1. 測(cè)量電源測(cè)量電源采用RC橋式正弦波振蕩電路（此處字體有問(wèn)題），產(chǎn)生一定頻率和幅值的正弦信號(hào)。鹽度檢測(cè)硬件電路主要有三部分構(gòu)成分別是測(cè)量電源電路、線性分壓電路、濾波和整流電路。圖 35 鹽度傳感器實(shí)物圖 鹽度調(diào)理電路諸多影響電導(dǎo)率準(zhǔn)確測(cè)量的因素,歸納起來(lái)共有以下幾方面：（1）電極極化作用對(duì)測(cè)量的影響；(2)電導(dǎo)電極的非純阻特性對(duì)測(cè)量的影響；(3)被測(cè)對(duì)象的溫度特性對(duì)測(cè)量的影響。根據(jù)鹽溶液摩爾濃度與電導(dǎo)率關(guān)系圖表【】，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，所以014‰的氯化鈉溶液宜用djs1c的電導(dǎo)電極，14‰以上濃度的氯化鈉溶液宜用djs10c的電導(dǎo)電極。本設(shè)計(jì)中鹽度傳感器使用上海精密儀器廠生產(chǎn)的djs1c電導(dǎo)電極和djs10c電導(dǎo)電極。鉑黑電極存放期間要泡在蒸餾水中不宜干放。多孔的鉑黑增加了電極的表面積，使電流密度減小，使極化效應(yīng)變小，電容干擾也降低了。通過(guò)測(cè)量的大小，就可以得到溶液電導(dǎo)率的大小。圖 34 交流分壓法 當(dāng)交流電壓作用于電導(dǎo)池時(shí)，電導(dǎo)池可視為一純電阻，由原理圖可得如下關(guān)系式： （） ，為溶液電阻，為分壓電阻，為測(cè)量的交流電壓信號(hào)，為測(cè)量信號(hào)在分壓電阻上的分壓值，為電導(dǎo)電極常數(shù)，為溶液的電導(dǎo)率。取出的電壓信號(hào)經(jīng)放大、整流、濾波電路進(jìn)一步處理得到反映被測(cè)溶液電導(dǎo)率大小的直流信號(hào)。 電極電導(dǎo)率測(cè)量法又可以分為以下三種類(lèi)型：交流分壓法，電流法，電橋測(cè)量法。通過(guò)溶液電導(dǎo)率的測(cè)定來(lái)了解物質(zhì)性質(zhì)的方法被稱(chēng)為電導(dǎo)率法。調(diào)理電路中的運(yùn)算放大器組成差分放大電路，把阻值變化引起的電壓微弱變化，轉(zhuǎn)變成，從而可以送至cc2430單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。作為調(diào)理電路的一個(gè)橋臂，當(dāng)環(huán)境溫度是時(shí)，測(cè)量電橋處于平衡狀態(tài)；如果溫度不是0時(shí)，電橋不再保持平衡，輸出相對(duì)于該溫度的電壓值。 （）公式中的表示pt100在攝氏度時(shí)的阻值，表示攝氏度時(shí)的阻值近似為100，其中，在公式的非線性誤差約為，所以可認(rèn)為pt100的阻值和溫度是線性關(guān)系。 溫度調(diào)理電路設(shè)計(jì)溫度傳感器采用pt100熱敏電阻，其阻值變化和溫度的關(guān)系可以查看pt100分度表。放大器A4是一個(gè)同相比例放大電路，實(shí)現(xiàn)將電壓信號(hào)調(diào)整到cc2430單片機(jī)能夠進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的電壓范圍0～（E1表示放大器A3第7腳輸出電壓，E1表示放大器A4第7腳輸出電壓）。相比于傳統(tǒng)的恒電位電路中放大器A3的5引腳接地，本設(shè)計(jì)中在放大器A3的5引腳添加調(diào)零電路，可以減少放大器失調(diào)電壓的擾動(dòng)。3　 放大電路的設(shè)計(jì)放大器A3實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換以及反向放大。為了使端電壓可調(diào)，串聯(lián)滑動(dòng)變阻器P1。圖 32 亞硝酸鹽調(diào)理電路1　 電源部分的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中并聯(lián)穩(wěn)壓二極管TL431限制最大輸出電壓，保護(hù)電極以及放大器，同時(shí)并聯(lián)濾波電容穩(wěn)定非線性環(huán)節(jié)輸入電壓幅值。工作電極表面的氧化反應(yīng)為： （）2. 亞硝酸鹽調(diào)理電路亞硝酸鹽調(diào)理電路的設(shè)計(jì)主要基于三個(gè)方面：電源部分的設(shè)計(jì)、。這種反應(yīng)是在電極表面上進(jìn)行的，主要特征是伴隨電荷在兩相之間的轉(zhuǎn)移，不可避免的同時(shí)在兩相界面上發(fā)生化學(xué)變化。WE的作用是在電極表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；RE在沒(méi)有電流通過(guò)的前提下，用來(lái)維持工作電極與參比電極間電壓的恒定；AE用來(lái)輸出氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電流信號(hào)，由測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大。單片機(jī)通過(guò)A/D模塊對(duì)其采樣，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，再通過(guò)調(diào)用子程序進(jìn)行計(jì)算，從而得到的NO2 測(cè)量值。本文的檢測(cè)電路通過(guò)恒電位法，即在三電極的工作電極和參比電極間加恒定電壓，在工作電極表面產(chǎn)生電流信號(hào)，使其N(xiāo)O2 能穩(wěn)定地輸出模擬信號(hào)。因此對(duì)水中的NO2 離子濃度進(jìn)行測(cè)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和科