ZigBee在學(xué)生公寓安全監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用

　　2 硬件單元設(shè)計(jì)

　　2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　終端節(jié)點(diǎn)的主要功能是數(shù)據(jù)采集。由于終端節(jié)點(diǎn)需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，因此采用低功耗的MCU，硬件電路結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，降低系統(tǒng)功耗，終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　CC2430是Chipcon公司(編者注：已被TI公司收購(gòu))推出的用來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)，它集成了CC2420RF收發(fā)器、增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU、32/64/128KB閃存、8KB SRAM等高性能模塊，具有超低能耗。

　　天線部分使用外接的單極天線，電源采用CR14250型號(hào)鋰電池，它具有電壓高、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)小型化、長(zhǎng)期運(yùn)行、低功耗的要求。為防止電源電壓不穩(wěn)定，使用相關(guān)的穩(wěn)壓芯片并在電源輸入端加入電容，濾除電源噪聲。

　　2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　協(xié)調(diào)器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，具有網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起、建立、參數(shù)的設(shè)定、網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)等功能。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較強(qiáng)，采用三星公司S3C2410作為協(xié)調(diào)器的主控模塊，內(nèi)嵌Linux操作系統(tǒng)，通過(guò)SPI與CC2430模塊連接。S3C2410最高工作頻率達(dá)203MHz，體積小、功耗低，擁有豐富片的外資源。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，它主要包括電源模塊、無(wú)線收發(fā)模塊以及JTAG調(diào)試接口等。節(jié)點(diǎn)提供JTAG調(diào)試接口，只需外接調(diào)試器即可進(jìn)行系統(tǒng)在線調(diào)試，方便系統(tǒng)程序的二次開(kāi)發(fā)。無(wú)線收發(fā)模塊采用CC2430外加低功耗、高性能射頻前端CC2591芯片，通信距離可達(dá)1000m左右，增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線收發(fā)能力。節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口或網(wǎng)口與監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)通信。

　　2.3 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

　　主要功能包括：

　　(1)檢測(cè)火災(zāi)發(fā)生并報(bào)警,在宿舍及樓道內(nèi)部署煙霧傳感器和溫度傳感器，采樣點(diǎn)數(shù)符合覆蓋面積互補(bǔ)原則，避免出現(xiàn)監(jiān)測(cè)盲區(qū)，全面監(jiān)測(cè)火災(zāi)發(fā)生。

　　(2)監(jiān)測(cè)惡性負(fù)載(如電熱爐、熱水器等大功率違規(guī)設(shè)備的使用，一旦發(fā)現(xiàn)立刻斷電，記錄宿舍號(hào)等信息。

　　(3)當(dāng)宿舍發(fā)生非法人員入侵時(shí)，立刻報(bào)警，并記錄現(xiàn)場(chǎng)狀況信息。

　　2.3.1 惡性負(fù)載檢測(cè)電路

　　惡性負(fù)載(如電熱爐、熱水器等)是線性負(fù)載，這類負(fù)載一般僅由電阻組成，不包含電容等元件，所以其輸入電壓波形與輸入電流波形在形狀上是一致的。而計(jì)算機(jī)、電視機(jī)之類的非線性負(fù)載，在負(fù)載電路中一般有電容存在，這使得電源只有在高于電容電壓時(shí)做功，導(dǎo)致輸入電流發(fā)生畸變，所以對(duì)于這類設(shè)備，雖然輸入的交流電壓是正弦波形，但其輸入交流電流的波形卻嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀。利用這一特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)電流波進(jìn)行周期性采樣，求出電流波形在正半周內(nèi)的面積，利用不同負(fù)載對(duì)應(yīng)電流波形正半周面積不同這一原理來(lái)識(shí)別負(fù)載^[4]。具體硬件單元電路如圖5所示。

　　R0將負(fù)載上的電流波轉(zhuǎn)換為電壓波后，經(jīng)過(guò)放大整形電路送入多路選擇器，CC2430內(nèi)部的8051 MCU通過(guò)輸出周期性的選通信號(hào)控制多路選擇器的使能端來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的周期性采樣。采樣信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換完成之后送入CC2430暫存起來(lái)，發(fā)送到管理中心計(jì)算機(jī)，利用軟件分析來(lái)識(shí)別惡性負(fù)載，根據(jù)分析結(jié)果發(fā)出切斷負(fù)載供電指令。