基于AVR和ZigBee技術(shù)的工業(yè)園區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

三、方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

下面為該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件功能結(jié)構(gòu)框圖：

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

在整個硬件平臺的設(shè)計中，節(jié)能是一個重要因素，它決定著傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。當(dāng)節(jié)點(diǎn)目前沒有傳感任務(wù)并且不需要為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能耗。同時為控制子節(jié)點(diǎn)選擇合適的地點(diǎn)，提供較充足的能源，以便延長節(jié)點(diǎn)使用壽命，提高監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的有效性。

3.2.1節(jié)點(diǎn)組成

節(jié)點(diǎn)主要由四部分組成：包括數(shù)采控制單元、微處理單元、無線通信單元、供電單元，見下圖：

圖3 節(jié)點(diǎn)組成圖示

1 、數(shù)采控制單元

數(shù)采控制單元主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集，本系統(tǒng)采用的多數(shù)傳感器集成了單片機(jī)和ADＣ模塊，可以直接輸出數(shù)字量。

（1）數(shù)字溫濕度傳感器

數(shù)字式溫濕度傳感器是把溫度和濕度，通過溫、濕度敏感元件和相應(yīng)電子電路轉(zhuǎn)換成易于采集和讀取的數(shù)字信號的傳感器。本項(xiàng)目擬采用SHT10傳感器來完成溫、濕度的采集。SHT10是Sensirion公司推出的新型集成數(shù)字式溫、濕度傳感器。該傳感器采用CMOSens專利技術(shù)生產(chǎn)，具有超小體積（表面貼裝）、響應(yīng)速度快、接口簡單、性價比高等特點(diǎn)，且其相對濕度和溫度的測量兼有露點(diǎn)輸出；功耗低，能自動休眠；長期穩(wěn)定性非常出色。適合本項(xiàng)目的開發(fā)。其功能引腳圖如下（圖4）

圖4 SHT10引腳圖

引腳說明及接口電路：

①電源引腳（VDD、GND）

SHT10的供電電壓為2.4V～5.5V。傳感器上電后，它從“休眠”狀態(tài)恢復(fù)過來。在此期

間不發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD和GND）之間可增加1個100nF的電容器，用于去耦濾波。

②串行接口

SHT10的兩線串行接口（bidirectional 2-wire）在傳感器信號讀取和電源功耗方面都做了優(yōu)化處理，其總線類似I2C總線但并不兼容I2C總線。（圖4中為2、3接口）

（2）二氧化碳濃度傳感器

①CDM4161簡介

CDM4161是費(fèi)加羅公司生產(chǎn)的一種CO2氣體濃度測試模塊， 其在空氣中對CO2有很高的選擇性，CO2濃度的測量范圍為400～4000 ppm，對一氧化碳和甲烷等氣體不敏感，CDM4161內(nèi)部集成的單片機(jī)可對傳感器采集到的信號處理和自動校準(zhǔn)，以使其輸出的電平值與CO2氣體的濃度保持良好的線性關(guān)系.有別于固態(tài)或者液態(tài)電解質(zhì)氣體傳感器，CDM4161是利用半導(dǎo)體材料的各種化學(xué)特性將空氣中含有的特定氣體(即待測氣體)以適當(dāng)?shù)碾娦盘枡z測和定量的器件。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、壽命長、便于集成化、智能化，同時能使檢測轉(zhuǎn)換一體化.因此，項(xiàng)目選用CDM4161來完成對二氧化碳濃度的實(shí)時采集轉(zhuǎn)換一體化。

圖5

②CDM4161的工作原理

CDM4161對外提供5個引腳（圖5），其引腳的功能描述如表一所示

表一 CDM4161引腳功能表

工作時CDM4161引腳l接+5 V電源，引腳2輸出電壓范圍0.4～4 V，相當(dāng)于CO2氣體濃度范圍為400～4 000 ppm。隨監(jiān)測到CO2濃度的高低變化，引腳3相應(yīng)輸出高、低電平可以控制外部通風(fēng)設(shè)備。引腳4在傳感器故障時輸出低電位，可通過該引腳連接蜂鳴器．以及時監(jiān)測CDM4161工作狀態(tài)。