ZigBee和3G的遠(yuǎn)程無線測(cè)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

ZigBee 技術(shù)是一種低速率、近距離、低功耗、低復(fù)雜度、低成本、通信可靠和網(wǎng)絡(luò)容量大的無線通信技術(shù)。根據(jù)IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee 的工作頻段分為868 MHz、915 MHz和2.4 GHz 3個(gè)頻段，其中2.4 GHz頻段上分為16個(gè)信道，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)頻段，該頻段為免付費(fèi)、免申請(qǐng)的無線電頻段，在該頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率為 250 Kb/s，功耗發(fā)射輸出僅為0~3.6 dBm，綜合考慮選擇使用2.4 GHz頻段。

系統(tǒng)主要由三部分組成：光照度終端采集節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)服務(wù)器監(jiān)控中心。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本 系統(tǒng)的ZigBee 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)由4個(gè)帶有光照強(qiáng)度傳感器的終端采集節(jié)點(diǎn)和1個(gè)協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。終端采集節(jié)點(diǎn)BH1750數(shù)字光照度傳感器采集到的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)通過 CC2530射頻收發(fā)模塊以無線方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)CC2530射頻收發(fā)模塊，主節(jié)點(diǎn)CC2530射頻收發(fā)模塊再與主控制器S5PV210進(jìn)行通信， 通過3G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程上位機(jī)服務(wù)器監(jiān)測(cè)中心。

2.1 協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié) 調(diào)器主節(jié)點(diǎn)在整個(gè)ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)中的主要作用是建立、維護(hù)、控制終端節(jié)點(diǎn)的加入以及數(shù)據(jù)的匯總、緩存和轉(zhuǎn)發(fā)，它是ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的控制中心，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。無線射頻收發(fā)芯片CC2530 完成組網(wǎng)和數(shù)據(jù)無線收發(fā)；3G上網(wǎng)完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸；主控芯片S5PV210負(fù)責(zé)整個(gè)主節(jié)點(diǎn)模塊的協(xié)調(diào)與控制。

圖2 局域網(wǎng)控制主節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

CC2530 是用于IEEE802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，CC2530 結(jié)合了RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，具有業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 KB RAM 和其他強(qiáng)大的功能。CC2530 有4種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256 KB 的閃存。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，可進(jìn)一步確保低能源消耗。

2.2 終端采集分節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將采集到的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)，其硬件電路原理圖如圖3所示。數(shù)字光照度傳感器BH1750負(fù)責(zé)光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的采集；無線射頻收發(fā)芯片CC2530 負(fù)責(zé)與局域網(wǎng)控制中心無線通信，采集數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)到局域網(wǎng)控制中心。

圖3 局域網(wǎng)采集節(jié)點(diǎn)電路原理圖

BH1750 是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，這種集成電路可以根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度，利用它的高分辨率 可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化，探測(cè)范圍可以從1～65 535 lx，支持 I2C總線接口(f/s Mode Support)，具有接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性(峰值靈敏度波長(zhǎng)典型值為560 nm)[6]；輸出對(duì)應(yīng)亮度的數(shù)字值；通過降低功率功能,實(shí)現(xiàn)低電流；通過50 Hz/60 Hz 除光噪音功能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的測(cè)定；支持 1.8 V 邏輯輸入接口；無需其他外部件；光源依賴性弱（白熾燈、熒光燈、鹵素?zé)?、白?LED、日光燈）；有兩種可選的 I2C總線slave 地址；可調(diào)的測(cè)量結(jié)果影響較大的因素為光入口大小；最小誤差變動(dòng)在±20%；受紅外線影響很小。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括終端節(jié)點(diǎn)采集程序、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線傳輸程序、3G網(wǎng)絡(luò)無線傳送程序和上位機(jī)服務(wù)器監(jiān)測(cè)程序的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 終端節(jié)點(diǎn)采集程序設(shè)計(jì)

BH1750 與主控器之間的通信使用標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線通信協(xié)議。I2C 總線是一種由NXP公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備[7]。主控器通過I2C總線接口向BH1750 發(fā)送各種控制命令以及讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。主要控制命令如下:上電指令為0x01；斷電指令為0x00；連續(xù)H分辨率模式為0x10；連續(xù)L分辨率模式為 0x13；一次H分辨率模式為0x20；一次L分辨率模式為0x23。