ZigBee在学生公寓安全监控系统中应用

2 硬件单元设计

　　2.1 终端节点设计

　　终端节点的主要功能是数据采集。由于终端节点需要长时间运行，因此采用低功耗的MCU，硬件电路结构应尽量简单，降低系统功耗，终端节点硬件结构如图3所示。

　　CC2430是Chipcon公司(编者注：已被TI公司收购)推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统，它集成了CC2420RF收发器、增强工业标准的8051MCU、32/64/128KB闪存、8KB SRAM等高性能模块，具有超低能耗。

　　天线部分使用外接的单极天线，电源采用CR14250型号锂电池，它具有电压高、重量轻、体积小等优点，可以满足监控子节点小型化、长期运行、低功耗的要求。为防止电源电压不稳定，使用相关的稳压芯片并在电源输入端加入电容，滤除电源噪声。

　　2.2 协调器节点设计

　　协调器是整个ZigBee网络的核心，具有网络的发起、建立、参数的设定、网络管理和维护等功能。协调器节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，采用三星公司S3C2410作为协调器的主控模块，内嵌Linux操作系统，通过SPI与CC2430模块连接。S3C2410最高工作频率达203MHz，体积小、功耗低，拥有丰富片的外资源。协调器节点硬件结构如图4所示，它主要包括电源模块、无线收发模块以及JTAG调试接口等。节点提供JTAG调试接口，只需外接调试器即可进行系统在线调试，方便系统程序的二次开发。无线收发模块采用CC2430外加低功耗、高性能射频前端CC2591芯片，通信距离可达1000m左右，增加网络覆盖的范围，增强节点的无线收发能力。节点通过串口或网口与监控中心的计算机通信。

　　2.3 检测电路设计

　　主要功能包括：

　　(1)检测火灾发生并报警,在宿舍及楼道内部署烟雾传感器和温度传感器，采样点数符合覆盖面积互补原则，避免出现监测盲区，全面监测火灾发生。

　　(2)监测恶性负载(如电热炉、热水器等大功率违规设备的使用，一旦发现立刻断电，记录宿舍号等信息。

　　(3)当宿舍发生非法人员入侵时，立刻报警，并记录现场状况信息。

　　2.3.1 恶性负载检测电路

　　恶性负载(如电热炉、热水器等)是线性负载，这类负载一般仅由电阻组成，不包含电容等元件，所以其输入电压波形与输入电流波形在形状上是一致的。而计算机、电视机之类的非线性负载，在负载电路中一般有电容存在，这使得电源只有在高于电容电压时做功，导致输入电流发生畸变，所以对于这类设备，虽然输入的交流电压是正弦波形，但其输入交流电流的波形却严重畸变，呈脉冲状。利用这一特点，通过对电流波进行周期性采样，求出电流波形在正半周内的面积，利用不同负载对应电流波形正半周面积不同这一原理来识别负载^[4]。具体硬件单元电路如图5所示。

　　R0将负载上的电流波转换为电压波后，经过放大整形电路送入多路选择器，CC2430内部的8051 MCU通过输出周期性的选通信号控制多路选择器的使能端来实现数据的周期性采样。采样信号送入A/D转换器，转换完成之后送入CC2430暂存起来，发送到管理中心计算机，利用软件分析来识别恶性负载，根据分析结果发出切断负载供电指令。