基于Zigbee技術的傳感與節(jié)點電源模塊電路設計

　　Zigbee技術作為無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）的核心技術之一它具有如下特點：1） 設備能耗低，電池供電，適用于常規(guī)供電方式不可用的野外、田間。2） 通信可靠，網(wǎng)絡自組織、自愈合，無需人工干預。各通信節(jié)點之間根據(jù)確定的路由規(guī)則自動找尋、加入網(wǎng)絡。當節(jié)點脫離、故障、移動時，網(wǎng)絡能夠自我修復并形成新的拓補結構。3） 成本低廉，設備的復雜度低且網(wǎng)絡容量大。Zigbee協(xié)議是免費的，TI等公司也已經(jīng)推出了相關免費協(xié)議棧，且其工作在2.4Ghz全球免執(zhí)照頻段，這使其產(chǎn)品化成本極低。4）數(shù)據(jù)安全。Zigbee支持數(shù)據(jù)完整性和鑒權工程、AES-128加密算法。新版本的Zigbee Pro支持更高級的安全算法，并能根據(jù)應用場景不同靈活配置。

　　系統(tǒng)工作原理如下：終端傳感節(jié)點采集數(shù)據(jù)后向路由節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，路由節(jié)點匯總各節(jié)點數(shù)據(jù)包后向協(xié)調器節(jié)點轉發(fā)。協(xié)調器節(jié)點接到數(shù)據(jù)包后繼續(xù)向上轉發(fā)至串口轉網(wǎng)口設備。串轉網(wǎng)設備將接到的串口數(shù)據(jù)包重新打包成RJ45數(shù)據(jù)包經(jīng)無線路由器轉發(fā)至現(xiàn)場監(jiān)控PC。與此同時分布在溫室中的無線IP攝像頭也將數(shù)據(jù)通過路由器傳至現(xiàn)場監(jiān)控PC。手持嵌入式網(wǎng)關同時也可以直接接入路由器實時顯示環(huán)境數(shù)據(jù)。現(xiàn)場監(jiān)控PC安裝有服務系統(tǒng)，作為Server服務器，遠程PC直接通過瀏覽器和IP地址訪問即可實現(xiàn)遠程測控。上述主要是傳感數(shù)據(jù)的上行鏈路，下行鏈路類似，由上位機發(fā)出控制指令，依次經(jīng)路由器、串轉網(wǎng)設備、協(xié)調器最終轉發(fā)至對應控制節(jié)點執(zhí)行控制指令。

　　傳感控制模塊設計

　　傳感和控制模塊是系統(tǒng)實現(xiàn)測控的根本?？諝鉁?strong>濕度傳感器采用瑞士Sensirion推出的SHT11數(shù)字溫濕度傳感器，IIC接口，濕度值輸出分辨率為 14位，溫度值輸出分辨率為12位，并可編程為12位和8位。電源電壓范圍為2.4～5.5 V。電流消耗：測量時為550μA，平均為28μA，休眠時為3μA［4， 5］。光照傳感器采用光敏探頭BPW34S［6］，光敏探頭經(jīng)運放處理后到AD輸入。傳感控制模塊中均采用NXP公司IIC總線控制GPIO擴展芯片 PCA9554提供8位并行I/O口。處理器通過IIC直接讀取SHT11溫濕度數(shù)據(jù)，通過AD間接讀取光照數(shù)據(jù)。傳感模塊原理圖如圖3。

　　控制模塊主要采用繼電器和DA模擬電壓輸出。繼電器模塊原理圖如圖。上位機下達控制指令后，PCA9554驅動相關I/O口使三極管導通或斷開驅動繼電器閉合或斷開。

　　DA程控模擬電壓輸出模塊采用TI公司DA芯片DAC5573和緩沖放大運放使用TLV2372。DAC5573最大輸出電壓為3.0V，經(jīng)運放TLV2372放大3.3倍后輸出約為10V。電壓輸出模塊原理圖如圖。

　　節(jié)點電源模塊設計

　　節(jié)點電源模塊設計采用的是TI公司TPS63001DRC（3.3V）和TPS63002DRC（5.0V）兩款DC/DC電源轉換芯片為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的 3.3V和5.0V電壓。系統(tǒng)設計成兩節(jié)干電池或USB供電方式，預留鋰電池接口。供電電源之間可無縫切換。電源模塊原理圖如圖。

　　該系統(tǒng)將當前熱門物聯(lián)網(wǎng)核心技術之一的Zigbee技術應用于溫室監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)了溫室基本環(huán)境因子的采集與控制，并實現(xiàn)了監(jiān)控的遠程可視化操作，可靠性高、抗干擾能力強。設計解決傳統(tǒng)溫室中線纜縱橫交錯，布置不便且維護成本高的難題，具有很高的實用意義與推廣價值。