2. 2 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)所有ZigBee 節(jié)點(diǎn)都采用同樣的電路設(shè)計(jì)，通過(guò)寫(xiě)入相應(yīng)的程序來(lái)完成不同功能。所有節(jié)點(diǎn)都是由JN5121-000-M02 模塊、RS-232 通信接口模塊、驅(qū)動(dòng)控制輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、模擬信號(hào)處理電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、電源處理模塊和太陽(yáng)能供電單元共同組成。

　　系統(tǒng)硬件框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件

　　系統(tǒng)中的ZigBee 節(jié)點(diǎn)所采用的JN5121-000-M02模塊可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的無(wú)線(xiàn)通信，在空曠地段通信距離超過(guò)1 000 m。系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)采用太陽(yáng)能供電單元供電，開(kāi)關(guān)電源為DC/DC MAX1837。模擬信號(hào)處理模塊具有通用的傳感器接口，無(wú)論是模擬信號(hào)，還是脈沖數(shù)字信號(hào)都能得到很好的處理，可以靈活地經(jīng)過(guò)設(shè)置接入具有標(biāo)準(zhǔn)輸出的傳感器。驅(qū)動(dòng)控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)脈沖電磁閥的開(kāi)閉控制。

　　2. 2. 1 JN5121-000-M02 模塊

　　2006 年，英國(guó)Jennic 公司開(kāi)發(fā)出集成了微處理器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器JN5121M0x 系列ZigBee 模塊，其中，JN5121-000-M02 模塊有一個(gè)電源放大器和低噪聲放大器，可加大通信距離。JN5121 無(wú)線(xiàn)收發(fā)器工作在2. 4 GHz 頻段，內(nèi)部有128 位AES 加密的安全處理器；可以進(jìn)行硬件處理MAC 地址加速和報(bào)文地址檢查，提升通信報(bào)文的產(chǎn)生速度，硬件處理報(bào)文自動(dòng)確認(rèn)以及報(bào)文的CRC 生成； 此外，模塊內(nèi)部集成了電源管理芯片和晶振休眠，可降低協(xié)同功耗。

　　2. 2. 2 RS-232 通信接口電路

　　通信芯片選用的是MAX3222。MAX3222 使用單一電源電壓Vcc，電壓值在3. 3 ～ 5. 5 V 范圍內(nèi)都能正常工作，額定電流為300 μA，可完成TTL 與RS-232 兩種電平之間的轉(zhuǎn)換。另外，它還可以通過(guò)引腳控制驅(qū)動(dòng)器和接收器的工作狀態(tài)，啟動(dòng)或禁止自動(dòng)降低功能，使其工作在不同的能耗，從而達(dá)到降低功耗的目的。本系統(tǒng)MAX3222 的硬件連接電路如圖2所示。RXD0、TXD0、引腳分別與JN5121 模塊的UART0相應(yīng)管腳和I /O 接口相連，RXD、TXD、CTS 分別連接到系統(tǒng)的RS-232 接線(xiàn)端子上，完成上位機(jī)通信以及JN5121 模塊的程序功能。

圖2 MAX3222 硬件連接圖

　　2. 2. 3 驅(qū)動(dòng)控制輸出模塊

　　森林面積大且地形復(fù)雜，很難采用有線(xiàn)電源為系統(tǒng)供電，為此選用的電磁閥一般為脈沖式電磁閥。脈沖式電磁閥無(wú)需持續(xù)供電，通過(guò)瞬間的脈沖信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)電磁閥的開(kāi)關(guān)控制，非常適合在森林中應(yīng)用。脈沖式電磁閥的工作電壓為直流電壓12 ～ 40 V，它由三線(xiàn)制控制，分別為白線(xiàn)、紅線(xiàn)和黑線(xiàn)。白線(xiàn)為公共端接入線(xiàn)，當(dāng)白線(xiàn)和紅線(xiàn)之間產(chǎn)生一個(gè)12 V 以上的脈沖信號(hào)時(shí)，電磁閥打開(kāi)； 當(dāng)白線(xiàn)和黑線(xiàn)之間產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，電磁閥關(guān)閉。

　　2. 2. 4 存儲(chǔ)電路模塊

　　鐵存儲(chǔ)器（ FRAM） 是一種非易失性隨機(jī)存取儲(chǔ)存器，它既可以進(jìn)行非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，又可以像RAM一樣操作。在此，系統(tǒng)采用鐵存儲(chǔ)器FM25L256，它是具有先進(jìn)鐵電技術(shù)制造的32 kB 非易失性存儲(chǔ)器。

　　FM25L256 以總線(xiàn)速度進(jìn)行寫(xiě)操作，無(wú)須延時(shí)，僅需幾百納秒； 當(dāng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入芯片后，下一個(gè)總線(xiàn)周期可以立即開(kāi)始而無(wú)須進(jìn)行數(shù)據(jù)輪詢(xún)。此外，F(xiàn)M25L256 具有無(wú)限的讀寫(xiě)次數(shù)，且操作功耗非常低，工作電壓在2. 7 ～3. 6 V 之間，工作靜態(tài)電流低至5 μA。

　　2. 2. 5 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

　　實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊主要器件采用PCF8563 時(shí)鐘芯片，它是低功耗的CMOS 實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片，提供1 個(gè)可編程時(shí)鐘輸出、1 個(gè)中斷輸出和掉電檢測(cè)器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過(guò)I2C 總線(xiàn)接口串行傳遞。該芯片為系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)，可以根據(jù)設(shè)置值采集數(shù)據(jù)，定時(shí)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，同時(shí)也能喚醒微控制器進(jìn)行自動(dòng)采集，滿(mǎn)足對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的各種需要。

　　2. 2. 6 太陽(yáng)能供電單元

　　由于普通電池不能滿(mǎn)足系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的要求，因此，系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電單元。該單元由太陽(yáng)能電池組、充電控制器和蓄電池組組成。充電控制器的基本作用是為蓄電池提供的使用壽命，同時(shí)保護(hù)蓄電池，避免發(fā)生過(guò)充電和過(guò)放電現(xiàn)象。

　　3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　JN5121-000-M02 模塊的軟件是在Jennic 公司的Jennic CodeBlocks 環(huán)境下開(kāi)發(fā)的，采用Jennic 公司已經(jīng)編寫(xiě)好的MAC 層軟件，則用戶(hù)可通過(guò)C 語(yǔ)言編程完成應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

　　系統(tǒng)協(xié)調(diào)器設(shè)備（ 主節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器） 的軟件流程如圖3（ a） 所示。主節(jié)點(diǎn)的主要功能是對(duì)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，將上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端下達(dá)的測(cè)控信息通過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到需要測(cè)控的子節(jié)點(diǎn)，接收各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息并將信息發(fā)回給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和保存。系統(tǒng)的路由設(shè)備和數(shù)據(jù)采集控制總端（ 子節(jié)點(diǎn)路由器和終端設(shè)備） 的軟件流程如圖3（ b）所示。子節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的主要功能是接收主節(jié)點(diǎn)的采集控制信息，對(duì)接入的不同傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)電磁閥等設(shè)備進(jìn)行控制。其中，路由設(shè)備在完成數(shù)據(jù)采集控制的功能外，還具有ZigBee 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)路由中繼功能。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　ZigBee 無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)具有低成本、易實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸可靠和低功耗等特點(diǎn)，非常適合于森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，以限度地覆蓋需要監(jiān)測(cè)的區(qū)域，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境因子，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化及時(shí)發(fā)現(xiàn)易著火點(diǎn)的位置，真正為林火防治降低成本，提高效率。

　　但是系統(tǒng)仍存在節(jié)點(diǎn)多、能耗相對(duì)較高的缺陷，有待進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化。本系統(tǒng)的提出是對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感在林火監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用嘗試，不但為我國(guó)林火監(jiān)測(cè)研究提出了一種新方向，同時(shí)也為無(wú)線(xiàn)傳感的應(yīng)用拓寬了發(fā)展空間。