室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

劉 婷

(重慶機械電子技師學院，重慶 400037)

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

劉 婷

(重慶機械電子技師學院，重慶 400037)

介紹室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)特點和各模塊硬件功能，設(shè)計了一個應(yīng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過此系統(tǒng)的設(shè)計加強對無線傳感器的理解和掌握。

環(huán)境監(jiān)測;硬件;傳感器

本系統(tǒng)目標是設(shè)計一個應(yīng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)要求傳感器節(jié)點在監(jiān)測范圍內(nèi)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，采集需要的數(shù)據(jù)，并能以多跳的方式傳輸給上位機，用戶能夠通過上位機查詢需要的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)進行相應(yīng)措施。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多體積小、成本低、功耗低的傳感器節(jié)點組成。無線傳感器節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的基本單元，其穩(wěn)定的運行是整個網(wǎng)絡(luò)可靠性的基本保證。設(shè)計時除需考慮滿足系統(tǒng)功能外，還需要考慮如何節(jié)省功耗、延長節(jié)點壽命等問題。下面就室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)各個模塊具體的硬件選擇進行一些探討。

一、射頻收發(fā)模塊JN5139

無線通信協(xié)議標準采用適合無線傳感網(wǎng)絡(luò)的IEEE802．15．4標準，它是低速率控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的標準無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，規(guī)定MAC層和物理層的規(guī)范。

目前2．4GHZ的ZigBee射頻收發(fā)器的生產(chǎn)公司主要有 Jennic的 JN5121和 JN5139、FreeSCale的 MC1321X、Chipcon的CC2430、Ember的EM250等。在選擇ZigBee芯片時主要考慮以下一些情況:外圍接口的豐富程度和集成的常用功能，包括有SPI接口、A/D轉(zhuǎn)換、UART接口、看門狗等;芯片所需外圍器件數(shù)量直接決定成本，所以選擇需要外圍器件少的射頻收發(fā)器;需要考慮CPU的主頻和參數(shù);在同等條件下，需要選用發(fā)射功率較高的器件;無線微控制器一般都帶有一定容量的RAM和ROM，為設(shè)計簡單，要盡量少外接存儲器，要考慮到存儲器大小;較少的引腳和較小的封裝，有利于減少印刷電路板的面積，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計;公司提供技術(shù)支持是否完善;以及公司提供的ZigBee協(xié)議棧的價格。

基于以上要求，本系統(tǒng)選擇了Jennic公司的JN5139芯片。Jennic是一家領(lǐng)導無線通信進入新紀元的IC設(shè)計公司，提供了無線個域網(wǎng)單芯片解決方案。Jennic的專業(yè)在于世界級RF、數(shù)字化芯片及結(jié)合系統(tǒng)和軟件設(shè)計領(lǐng)域，并將焦點集中在IEEE802．15．4和ZigBee標準上，以專門技術(shù)提供了無線通信市場一項低成本、高集成度的無線射頻SoC解決方案。公司產(chǎn)品包括最新型的低功率射頻SoC芯片，模塊，開發(fā)平臺，通信協(xié)議及應(yīng)用軟件，為客服提供了一站式ZigBee解決方案。

Jennic公司JN5121微控制器是市場上最早大量銷售的全集成、單芯片ZigBee解決方案。JN513x是繼JN5121后又一顆高性能的全集成單芯片ZigBee解決方案，除了達到新的價格門檻外，此系列產(chǎn)品不論在微控制器性能的表現(xiàn)、成本及功率消耗等優(yōu)于現(xiàn)有的JN5121系列。除了芯片的推出外，一系列基于JN513x的模塊、開發(fā)工具、軟件及通信協(xié)議軟件也供應(yīng)上市。

單芯片方案不但可以完成標準的ZigBee終端產(chǎn)品，還可以在很大程度上降低產(chǎn)品成本，縮短新產(chǎn)品上市時間。Jennic公司提供了基于IEEE802．15．4規(guī)范的超低功耗、低速率(250kb/s)、短距離無線個域網(wǎng)單芯片解決方案，具有較好的數(shù)據(jù)安全性及非常靈活的組網(wǎng)能力，滿足大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。

二、溫濕度傳感器模塊SHT10

溫濕度傳感器模塊選用 SHT10芯片，SHTlx是瑞士Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。SHT1x系列產(chǎn)品是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供了全量程的標定的數(shù)字輸出。該產(chǎn)品具有非常高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。該傳感器包括了一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件，這兩個敏感元件與一個14位的A/D轉(zhuǎn)換器與一個串行接口電路設(shè)計在同一個芯片上面。該傳感器品質(zhì)卓越，響應(yīng)超快，抗干擾能力強，有非常高的性價比。每個傳感器芯片都在極為精確的恒溫室里進行標定，以鏡面冷凝式露點儀為參照。通過標定獲得的校準系數(shù)以程序形式儲存在芯片本身的OTP內(nèi)存里。通過兩線制的串行接口和內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速且簡單。微小體積、極低功耗等優(yōu)點使其成為各類應(yīng)用中的首選。產(chǎn)品提供表面貼片LCC或4針單排引腳封裝。并且可根據(jù)用戶的不同需求，提供特殊封裝形式。

SHT10芯片主要特點有:1)全部校準，數(shù)字輸出;2)接口簡單響應(yīng)速度快，超低功耗，自動休眠;3)超低功耗，自動休眠;4)出色的長期穩(wěn)定性;5)測濕精度±45%RH，測溫精度±0．5℃(25℃);6)高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個芯片上;7)提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡單，支持CRC傳輸校驗，傳輸可靠性高;8)集成溫度傳感器和濕度傳感器，可以提供溫度補償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)量的露點計算功能;9)封裝尺寸小，測量和通信結(jié)束后，自動轉(zhuǎn)入低功耗模式。

SHT10溫濕度傳感器的重要參數(shù)有以下幾項。

濕度方面:1)測量范圍0～100%RH，2)測量精度范圍 ±3．0%RH，3)響應(yīng)時間 ＜4 s。

溫度方面:1)測量范圍－40℃ ～123．8℃，2)測量精度范圍 ±0．4℃，3)響應(yīng)時間5～30 s。

三、光照傳感器模塊TSL2550D

光敏傳感器是最常見的傳感器之一，它的種類繁多，主要有:光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、太陽能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD和CMOS圖像傳感器等。它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。光傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，它在自動控制和非電量電測技術(shù)中占有非常重要的地位。最簡單的光敏傳感器是光敏電阻，當光子沖擊接合處就會產(chǎn)生電流。

光照傳感器模塊用的是TSL2550D芯片，TSL2550D是一種集成了雙線系統(tǒng)管理總線串行接口的光照傳感器，在CMOS集成電路中包括了兩個光電二極管和一個擴展的A/D轉(zhuǎn)換器提供了12bit的動態(tài)有效量程的光亮測量。普通光照傳感器只有一個光照探測器，檢測到的光信號既包含可見光成分又包括紅外光部分，當周圍環(huán)境的可見光并不十分強而紅外光較強時檢測的結(jié)果會受到紅外光的影響，輸出光照強度大的測量值，與人眼的感覺有很大差異，TSL2550D配備有2個光電探測器，探測器0檢測環(huán)境中可見光和紅外光總的光照度，探測器1只檢測環(huán)境中紅外光光照度。探測器1的紅外探測結(jié)果用于減小紅外光在檢測結(jié)果中的影響，即檢測結(jié)果與人的肉眼所感覺到的光強十分相似。此外其內(nèi)部還集成了一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以直接將檢測的結(jié)果轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號輸出，簡化了硬件的設(shè)計。

四、串口模塊

系統(tǒng)硬件方面的串口模塊用于下載程序及傳輸數(shù)據(jù)用。本系統(tǒng)中運用的是MAXIM公司出品的MA3232芯片，MAX3222、MAX3232、MAX3237、MAX3241 收發(fā)器需要有低脫落電壓傳送輸出由雙重供給泵提供的3．0～5．5 V的電壓使能正確的RS－232。此芯片僅僅需要4個0．1 μF的外圍充電電容，當 MAX3222、MAX3232和 MAX3241維持RS－232輸出等級時，可以保證數(shù)據(jù)傳輸率達到120 kbps。MAX3232有2個接收器和2個驅(qū)動器，MAX3232的1 μA休眠模式是該芯片很重要的特征，用來介紹電源消耗，在便捷系統(tǒng)中可以延長電池壽命，它的接收器保持了動態(tài)的休眠模式，允許外圍設(shè)備，例如modems，能夠僅僅用1 μA電流進行監(jiān)控操作，MAX3232和MAX3222的引腳、功能可以與工業(yè)標準的MAX242和MAX232一致。

MAX3232的特性:1)當Vcc=3．3 V或5．0 V時，允許電源電流通常為0．3mA最高為1．0mA;2)休眠時電流值為1 μA，最高值為10μA;3)邏輯輸入低電平電壓值0．8 V，邏輯輸入高電平電壓值在 Vcc=3．3 V時為2．0 V，在Vcc=5.0V時為2．4 V;4)輸入電壓范圍－25～25 V;5)接收器輸入低電平，當 Vcc=3．3 V時，最低0．6 V，常用1.2 V，當 Vcc=5．0 V 時，最低 0．8，常用 1．5 V，輸入高電平時，當 Vcc=3．3 V 時，最高2．4 V，常用 1．5 V，當 Vcc=5．0 V時，最高2．4 V，常用1．8 V;6)傳輸器的輸出電壓最小 ±5．0 V，常規(guī) ±5．4 V。

MAX3232的引腳功能:1號引腳，正極倍壓電荷泵電容器;2號引腳，電荷泵產(chǎn)生的+5．5 V電壓;3號引腳，負極倍壓電荷泵電容器;4號引腳，正極反相電荷泵電容;5號引腳，負極的反相電荷泵電容;6號引腳，電荷泵產(chǎn)生的－5．5 V電壓;7號和14號引腳，RS－232發(fā)射器輸出;8號和13號引腳，RS－232接收器輸入;9號和12號引腳，TTL/CMOS接收器輸出;10號和11號引腳，TTL/CMOS發(fā)射器輸入;15號引腳，接地;16號引腳，+3．0 V到+5．5 V支持電壓。

五、結(jié)束語

通過介紹系統(tǒng)基于ZigBee硬件的整體結(jié)構(gòu)，對器件進行選擇，經(jīng)過對功能、技術(shù)支持等一系列問題及經(jīng)濟方面的考慮，選擇了Jennic公司出品的JN5139芯片，介紹了溫濕度傳感器模塊、光照傳感器模塊及RS232電平轉(zhuǎn)換電路模塊，完成了室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件的設(shè)計。

(責任編輯 張佑法)

G712

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1007－7111(2012)06－0060－02

2012－04－12

劉婷(1982—)，女，講師，研究方向:電子與通信。