基于ZigBee技術(shù)的機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)

2．1 傳感器模塊
傳感器模塊從ZigBee網(wǎng)絡(luò)的角度看，為一個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)，通過(guò)2節(jié)5號(hào)電池供電。按照需要探測(cè)物理量的不同，各傳感器的硬件設(shè)計(jì)分述如下：
1)溫度傳感器 CC2430內(nèi)部集成有一個(gè)溫度傳感器，其基本工作原理：片上溫感部分將溫度轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，其幅度范圍是0．648(-40℃)～1．039 V(+120℃)，之后經(jīng)過(guò)12位A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再除以一個(gè)溫度系數(shù)，則可得到當(dāng)前溫度值。
2)濕度傳感器探頭 采用瑞士森斯瑞(Sensirion)公司推出的SHTl5超小型、自校準(zhǔn)、多功能式智能傳感器來(lái)測(cè)量相對(duì)濕度，SHTl5型傳感器是單片、多用途的智能傳感器，其內(nèi)部不僅包含基于濕敏電容器的微型相對(duì)濕度傳感器，而且還有14位的A／D轉(zhuǎn)換器和雙線串行接口，能輸出經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的相對(duì)濕度。該智能傳感器的相對(duì)濕度測(cè)量范圍為0～100％，分辨率達(dá)0．03％，最高精度為±2％RH，電源電壓范圍2．5～5．5V，響應(yīng)時(shí)間，小于3s。
3)煙感探頭 煙感探頭的基本工作原理：當(dāng)煙霧進(jìn)入報(bào)警器室時(shí)，將隔斷或阻止紅外線的互通，紅外線的發(fā)射管收不到對(duì)方發(fā)來(lái)的光，光參數(shù)變化，經(jīng)處理電路進(jìn)行處理后，再轉(zhuǎn)換成低電平，并觸發(fā)報(bào)警。
2．2 空調(diào)控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
空調(diào)控制器節(jié)點(diǎn)完成從ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收自主控計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的空調(diào)啟、停命令并將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的遙控器紅外控制命令。從ZigBee網(wǎng)絡(luò)的角度看，空調(diào)控制器節(jié)點(diǎn)僅是一個(gè)RFD設(shè)備，主要是接收Z(yǔ)igBee數(shù)據(jù)，也由CC2430完成。其需要完成的另外一個(gè)任務(wù)就是通過(guò)紅外通道，模擬空調(diào)的遙控器完成控制空調(diào)的啟、停。在安裝配置系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)“紅外學(xué)習(xí)口”對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)所裝空調(diào)的遙控器紅外命令進(jìn)行學(xué)習(xí)，并將其存儲(chǔ)在EEPROM中。系統(tǒng)正常工作時(shí)，當(dāng)接收到從ZigBee傳輸來(lái)的空調(diào)控制命令時(shí)，將其轉(zhuǎn)換為紅外發(fā)送命令，從EEPROM讀取數(shù)據(jù)，按照這些數(shù)據(jù)規(guī)定的脈寬參數(shù)控制紅外發(fā)射管發(fā)送紅外線，進(jìn)而直接控制空調(diào)。由于紅外控制命令的學(xué)習(xí)和發(fā)送會(huì)占用資源操作，如果其也由CC2430控制，將會(huì)加重CC2430負(fù)載，影響正常的ZigBee通信功能。因此使用51系列單片機(jī)AT89S52完成，CC2430與AT89S52之間通過(guò)串口來(lái)交換數(shù)據(jù)。這樣可以在不改裝空調(diào)的情況下，通過(guò)簡(jiǎn)單的紅外學(xué)習(xí)操作即可控制任意型號(hào)的空調(diào)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的安裝使用，同時(shí)也大大提高了系統(tǒng)的可靠性。空調(diào)控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)框架如圖3所示。

2．3 ZigBee中轉(zhuǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)
該中轉(zhuǎn)設(shè)備的功能是完成以太網(wǎng)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的雙向數(shù)據(jù)交換，有2種實(shí)現(xiàn)方案。
2．3．1 CC2430+PC機(jī)
CC2430+PC機(jī)實(shí)現(xiàn)方案原理：CC2430負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收發(fā)和轉(zhuǎn)存，PC機(jī)負(fù)責(zé)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)，二者之間通過(guò)RS-232交換數(shù)據(jù)。目前普通PC機(jī)的RS-232串口的波特率最高可達(dá)到115 200，而ZigBee的理論帶寬可達(dá)250 kb，二者速率大致在一個(gè)數(shù)量級(jí)，考慮到該系統(tǒng)設(shè)計(jì)所傳輸?shù)拇蠖嗍强刂泼?，?shù)據(jù)流量不大，所以二者可以匹配使用。該實(shí)現(xiàn)方案研發(fā)周期短，可快速成型，且PC機(jī)資源豐富，可預(yù)留許多資源、功能供系統(tǒng)后續(xù)擴(kuò)展，但成本較高，功耗較大。
2．3．2 CC2430+ARM(S3C44BOX)
與CC2430+PC機(jī)實(shí)現(xiàn)方案類(lèi)似，CC2430+ARM(S3C44BOX)實(shí)現(xiàn)方案只是用以ARM為核心的嵌入式系統(tǒng)代替PC機(jī)，二者通過(guò)UART交換數(shù)據(jù)。采用三星公司的ARM7系列器件S3C44BOX作為主控制器，其主要功能和特點(diǎn)如下：1)以太網(wǎng)接口，采用10 M以太網(wǎng)控制器RTL8019，提供標(biāo)準(zhǔn)RJ45插座；2)2路UART接口，波特率達(dá)115200；3)LCD接口，可接1600×1600以下分辨率的單色或256色STN／DSTN型各種LCD屏；4)IDE接口，可掛接硬盤(pán)；4)運(yùn)行μcLinux操作系統(tǒng)。該實(shí)現(xiàn)方案結(jié)構(gòu)緊湊，成本較低，同時(shí)ARM為低功耗器件，所以整個(gè)模塊的功耗很低。
通過(guò)對(duì)上述兩種實(shí)現(xiàn)方案的比較，并考慮到成本和功耗的問(wèn)題，因此這里選用第2種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 ZigBee軟件設(shè)計(jì)
為縮短研發(fā)者的開(kāi)發(fā)時(shí)間和減小開(kāi)發(fā)難度，TI公司在提供器件的同時(shí)，另外還免費(fèi)提供實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議的軟件——Z-Stack，此軟件不僅實(shí)現(xiàn)了ZigBee協(xié)議棧，并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)充成了一個(gè)微型的操作系統(tǒng)，其主要內(nèi)容包括：1)硬件抽象層HAL，處理鍵盤(pán)輸入，LCD輸出，UART輸入、輸出等；2)操作系統(tǒng)抽象層(OSAL)；3)ZigBee協(xié)議棧、IEEE 802．15．4 MAC層；4)用戶(hù)層應(yīng)用程序；5)監(jiān)看測(cè)試程序，通過(guò)串口和：PC機(jī)上的測(cè)試工具通訊。