基于ZigBee芯片的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u24080基于ZigBee芯片的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例 1203801系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 121272數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì) 2190392.1化學(xué)需氧量數(shù)據(jù)采集模塊 3171852.2溶解氧數(shù)據(jù)采集模塊 3209182.3PH值采集模塊 4231272.4重金屬數(shù)據(jù)采集模塊 416703太陽能供電模塊設(shè)計(jì) 6179694ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì) 8141394.1ZigBee芯片選型 876644.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì) 978164.3路由器節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì) 141系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)無線傳感器的應(yīng)用程序的功能十分廣泛,為了加強(qiáng)傳感器各部分有必要詳細(xì)調(diào)查。產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備多種多樣，為了通過無線檢測網(wǎng)絡(luò)實(shí)時準(zhǔn)確地監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，需要特別設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和分布。設(shè)計(jì)過程中,檢測系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)少,不均勻分散,為了改善這一情況,有必要使用網(wǎng)絡(luò)是基于zigbee理論，至少255節(jié)點(diǎn)可以確立該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)很好地體現(xiàn)了范圍內(nèi)的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的檢測要求。[21]由于目前我國的工業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)存在一定的局限性，在監(jiān)測的過程中往往只能通過有線監(jiān)測的方式來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。但是在監(jiān)測過程中能夠發(fā)現(xiàn)由于設(shè)備過于龐大，導(dǎo)致在監(jiān)測使用設(shè)備的過程中會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不能及時收集的情況，在使用的過程中會發(fā)現(xiàn)由于設(shè)備過于龐大，并且系統(tǒng)不夠完善，使用的過程中會發(fā)現(xiàn)設(shè)備不靈活，并且需要投入的成本比較大，在布置線的過程中會有很多困難阻礙布線。如果想要有效地改善通信的問題，解決現(xiàn)有通信存在的缺點(diǎn)，就需要不斷地改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的方式，尤其是在工廠車間的運(yùn)行過程中需要不斷地對監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行改善，改變監(jiān)測的方式，使用無線的監(jiān)測技術(shù)，有線的監(jiān)測技術(shù)有很多局限性，而如果能夠用無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)來替代有線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)就能夠使工業(yè)生產(chǎn)的過程變得更加順利，更加有效地對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控。[22]通過無線傳感監(jiān)測技術(shù)使得目前的監(jiān)控設(shè)備得到了良好的提升，滿足了人們的需求，不使用無線網(wǎng)絡(luò)傳感監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)時，在監(jiān)控的過程中會有很多局限性，無法拓寬視野，但是采用了無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)就能夠使得檢查的區(qū)域變得更加廣泛，監(jiān)測的效率也會得到提高。因此，上面的電腦如何與工廠的監(jiān)控系統(tǒng)連接的問題沒有被考慮，在這篇文章中，筆者將重點(diǎn)討論工作坊傳感器和工作坊監(jiān)控室的設(shè)計(jì)。圖3-1水質(zhì)監(jiān)測與評價系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖水質(zhì)監(jiān)視系統(tǒng)的最下層是數(shù)據(jù)收集部分，由基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。該部分包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)將分散在監(jiān)控區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)采集設(shè)備的狀態(tài)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，同時對協(xié)調(diào)器可以接收到的信息進(jìn)行全局處理。數(shù)據(jù)采集模塊采集節(jié)點(diǎn)的溶解氧、pH值等數(shù)據(jù)，通過射頻模塊發(fā)送至中間節(jié)點(diǎn)，再發(fā)送至上位機(jī)。上面的電腦被配置，檢查接收到的水質(zhì)參數(shù)。保存在數(shù)據(jù)庫中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。另外，在設(shè)計(jì)zigbee系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)間通信程序時，考慮了節(jié)點(diǎn)間通信的協(xié)調(diào)性，提高了資源的最大利用率，包括節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)和串行通信程序的設(shè)計(jì)。2數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主要包括化學(xué)需氧量數(shù)據(jù)、溶解氧數(shù)據(jù)、ph值數(shù)據(jù)和重金屬數(shù)據(jù)。因此，為了采集這些數(shù)據(jù)，有必要設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件電路。為了做一個相關(guān)的介紹，這些數(shù)據(jù)分為四類。2.1化學(xué)需氧量數(shù)據(jù)采集模塊本文采用基于紫外-發(fā)光二極管光譜的傳感器來測定水中的化學(xué)需氧量。傳感器整體密封。測量所需的時間僅為一分鐘。檢測范圍為0.15～75mg/L，準(zhǔn)確度為0.01mg/L。L、能滿足水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的要求。與國內(nèi)大多數(shù)采用重鉻酸鉀法或其改進(jìn)方法的cod傳感器相比，該傳感器具有無化學(xué)試劑、無二次污染、檢測穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。與國外同類監(jiān)測傳感器相比，具有體積小、攜帶方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。能夠?qū)崟r在線持續(xù)監(jiān)測，及時反饋水化學(xué)需氧量數(shù)據(jù)的動態(tài)變化。傳感器的基本原理是蘭貝托-貝爾定律。換言之，當(dāng)平行單色光束穿過均勻的非擴(kuò)散薄溶液時，溶液的光吸收程度與溶液濃度的乘積成正比。還有液體層的厚度。[23]被插入到水域中，通過信號光纖收集到的檢測窗口。水中有機(jī)物吸收的紫外線通過帶通濾波器進(jìn)入高靈敏度光敏管。光敏管由信號采集電路板采集，信號通過LabVIEW軟件進(jìn)行記錄和分析。整個傳感器的物理圖像如圖3-2所示。3-2化學(xué)需氧量監(jiān)測傳感器實(shí)物圖2.2溶解氧數(shù)據(jù)采集模塊在這篇文章中，溶解氧數(shù)據(jù)獲取模塊使用了為水質(zhì)管理特別開發(fā)的獨(dú)有的gabani電池傳感器KDS-25B，檢測范圍為。80mg/L。該溶解氧傳感器最值得關(guān)注的功能是:(1)長耐用年數(shù)，(2)不受CO2的影響，(3)高精度，(4)溫度補(bǔ)償用內(nèi)置熱敏器，(5)不需要事前。-處理熱，不需要連接外部電源，響應(yīng)時間短。[24]溶解氧傳感器KDS-25B使用特殊的酸性電解質(zhì)，陰極是惰性金屬金，陽極是金屬鉛。氧通過全氟樹脂膜擴(kuò)散參與氧化還原反應(yīng)。下面的圖3-3示出了KDS-25B的物理圖像。圖3-3溶解氧傳感器KDS-25B2.3PH值采集模塊PH值數(shù)據(jù)收集器的工作原理非常簡單。由于氫離子可以在玻璃膜和測定溶液之間交換，所以使用氫離子玻璃電極和參考電極形成并發(fā)揮加爾巴尼電池的功能。然后通過測量電極，利用電位差測量待測液體的pH值。pH傳感器也稱為pH探針，包含參考電極和玻璃電極。參比電極和一般已知的電極，如卡羅米電極或銀/氯化銀電極之間存在一定的電壓差。由于PH值和溫度不能分離，需要一個溫度電極來維持溫度平衡，形成三極復(fù)合電極。[25]圖3-4是本文選擇的美國SensorEx公司pH傳感器的物理照片。性價比高，檢測范圍0～14ph，工作溫度0～70℃，能夠滿足檢測設(shè)備所需要的各項(xiàng)要求。圖3-4美國SensorexPH值傳感器2.4重金屬數(shù)據(jù)采集模塊重金屬數(shù)據(jù)采集模塊種類繁多，但工作原理有其自身的原理，根據(jù)工作原理可分為電磁感應(yīng)高頻振蕩型和磁性振蕩型三種。靜電電容會改變電容器的類型。[26]接近傳感器,檢測對象物和實(shí)際接觸不接近傳感器可以檢測出目標(biāo),但靜電容量型接近傳感器,高頻振蕩和放大部組成,和外界結(jié)構(gòu)振蕩電路和聯(lián)動,最初是振蕩狀態(tài)。本文介紹了一種電磁感應(yīng)高頻振動數(shù)據(jù)采集設(shè)備——在線光溶氧傳感器RS485，選擇重金屬數(shù)據(jù)采集模塊。如圖3-5所示。圖3-5RS485重金屬檢測傳感器這個傳感器的可靠性十分高是因?yàn)槠洳捎昧耸窒冗M(jìn)的光電技術(shù)，同過良好地運(yùn)用光電技術(shù)使得這個傳感器無論是維修的成本還是可靠性都得到了良好的改善，維修的成本不斷降低，維修率也得到了降低，而可靠性卻得到了增強(qiáng)。沒有耗氧量和流量，可以測定靜水，優(yōu)點(diǎn)十分明顯。具體實(shí)物如圖3-6所示圖3-6實(shí)物圖3太陽能供電模塊設(shè)計(jì)想要獲取更多有效的信息需要不斷地獲取大量的數(shù)據(jù)，并且對于獲取的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行良好的分析。但是對于很多偏遠(yuǎn)的地區(qū)無法對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測，并且這些地區(qū)無法提供良好的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)獲取模塊的過程中受到阻礙，并且就算是偏遠(yuǎn)地區(qū)能夠滿足相應(yīng)的條件，獲取信息的過程中也需要耗費(fèi)更多的人力物力，所以為了使得這些問題得到良好的解決，本文將針對這些問題采取具體有效的措施，采用干電池來對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，并且良好地利用太陽能發(fā)電，使得獲取這個模塊的過程中能夠獲取更多的有效信息，提高信息的收集情況，并且還能夠保證不會浪費(fèi)過多的人力物力。在太陽能發(fā)電模塊和接口電路模塊的硬件設(shè)計(jì)中，太陽能模塊包括太陽能板、調(diào)節(jié)器和電池。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的總耗電量小得多，太陽能電池板的額定輸出電壓和功率分別為13.SV}1.SW}。[27]太陽能電池板的輸出電壓根據(jù)外部光的強(qiáng)度而變化，通常小于13.5V。根據(jù)夜間太陽能出口的變化，為了穩(wěn)定太陽能模塊的輸出電壓，12v輸出的電池是必要的。調(diào)節(jié)器連接在太陽能板和電池之間。太陽強(qiáng)烈的時候，太陽能電池板的輸出功率超過12v，因?yàn)檎{(diào)節(jié)器會接通，太陽能電池板的全部電力會給電池模塊充電。日光弱的時候，太陽能板的電壓小于12v，因?yàn)檎{(diào)節(jié)器斷開，整個傳感器節(jié)點(diǎn)的電源由12v的輸出電池供給。圖3-6示出了太陽能發(fā)電模塊的結(jié)構(gòu)。圖3-7太陽能電源模塊的設(shè)計(jì)在太陽能模塊產(chǎn)生12V直流電壓后，需要一個電源接口電路來將此電壓轉(zhuǎn)換為+SV。本電路采用L7805/7809電壓調(diào)節(jié)器。示意圖如圖3-7所示。圖3-8電源接口電路示意圖4ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)4.1ZigBee芯片選型ZigBee芯片是在ZigBee技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上逐漸形成的一種常用的無線傳感器。因此，只要選擇合適的ZigBee芯片，就有可能在降低系統(tǒng)硬件成本的同時促進(jìn)開發(fā)，加快開發(fā)進(jìn)度。目前，選擇Zigbee芯片有兩個主要選項(xiàng)。[28]第一個選項(xiàng)是使用微控制器和ZigBee射頻芯片，另一個選項(xiàng)是使用ZigBee單片機(jī)。1、微控制器+ZigBee射頻芯片的方案Mcrochip的解決方案是PIC系列微控制器和CC2420射頻芯片的組合。Mcrochip公司提供PICDEMZDemonstrationI套件和開發(fā)套件。由于TI/Chipcon具有低能耗和高計(jì)算能力的優(yōu)點(diǎn)，MSP430微控制器在低功率產(chǎn)品中被廣泛使用。另外，CC2420是比較成熟的RF芯片，其組合也被工程和技術(shù)人員使用。使用。[29]2、SOC單芯片解決方案現(xiàn)在有以下企業(yè)提供ZigBee單片解決方案。包括STMicroelectronics(ST)的ZigBee單片機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了SN260的實(shí)現(xiàn)。SN260在框架上集成了IEEE802.15.4，同時，它還集成了一個16位網(wǎng)絡(luò)處理器，可以運(yùn)行emberznet協(xié)議棧。Ember是STZigbee技術(shù)的戰(zhàn)略合作伙伴，開發(fā)了集成的Emberznet協(xié)議棧。SN260內(nèi)置閃存和隨機(jī)讀寫存儲器，不僅保證了程序的執(zhí)行，而且提高了執(zhí)行的靈活性和效率。Freescale的MC1321X芯片組主要用于宣傳最新的產(chǎn)品。[30]mc1321x系列芯片是單一芯片的zigbee,ieee802.15.4規(guī)格匹配的2.4ghz,具備低能量的無線頻率無線電比特被內(nèi)置,因此突出解決方案的重要理由。MC1321X系列芯片可提供60kb的閃存和4kb的RAM，可滿足ZigBee應(yīng)用的需求。因此,在這篇文章的系統(tǒng),該產(chǎn)品不適合的應(yīng)用,根據(jù)ti/chipcon被發(fā)售了cc2430芯片。[31]CC2430有128kb的可編程閃存和8kb的RAM。另外，TI為CC2430配置了PA芯片CC2591，可以實(shí)現(xiàn)600米的通信距離。CC2430的重要參數(shù)如下表3-1所示。生產(chǎn)車間中的設(shè)備十分多，所以各個范圍都會有設(shè)備的分布，從而就會導(dǎo)致設(shè)備的影響范圍不斷地擴(kuò)大。本章節(jié)重點(diǎn)來選擇適用于延長結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，通過增加單個的節(jié)點(diǎn)來使通訊的距離得到擴(kuò)大，通過擴(kuò)大通訊距離就能夠使得傳感器的應(yīng)用范圍更加廣闊，通過這種方式能夠有效地提高傳播的效率，提高設(shè)備以及各個零部件的利用率。4.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)由于ZigBee技術(shù)采用2.4GHz的高頻信號，在節(jié)點(diǎn)電路中除了采用CC2430作為高頻電路外，還存在低速數(shù)字電路。為了減少低速時的損壞，高頻信號采用數(shù)字電路和模塊化設(shè)計(jì)。[32]模塊化設(shè)計(jì)是將PCB的高頻信號從低速數(shù)字電路中分離出來。設(shè)計(jì)為兩塊PCB，兩塊PCB通過引腳連接，減少了二者之間的相互影響。系統(tǒng)的三個節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)。每種類型的節(jié)點(diǎn)只能根據(jù)自己的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)基板。這不僅影響了高頻電路的工作，而且影響了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)更靈活。結(jié)構(gòu)的框圖如圖3-8所示。圖3-9協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖1、無線模塊無線模塊是整個協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心。其組件主要包括CC2430、電源開關(guān)芯片CC2591和少量外圍設(shè)備。本文所采用的電路主要是參考合適的電路設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)無線模塊的應(yīng)用功能。這里增加了電源芯片CC2591。使用這個是因?yàn)镃C2430本身的通訊距離非常有限，而且廠家做的比較大，所以要擴(kuò)展測試設(shè)備。通過CC2591擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的通信距離，可以適當(dāng)減少路由器的數(shù)量，使節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器直接成為父子關(guān)系。因此，可以減少通信延遲并提高通信可持續(xù)性。圖3-10無線模塊圖3-11CC2430和CC22、外圍設(shè)備(1)電源模塊協(xié)調(diào)員節(jié)點(diǎn)不中斷持續(xù)動作的需要,設(shè)計(jì)師是監(jiān)視室的外被部署到被提供,因此,從工廠+24v電源,容易掌握,設(shè)計(jì)師是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的電源+24v聘用?？紤]到電路內(nèi)的USB電源為+SV，首先將+24v直流轉(zhuǎn)換為+SV，然后轉(zhuǎn)換為+3.3V。電源部的示意圖如圖3-11所示。圖3-12電源部分電路原理圖采用工廠提供的標(biāo)準(zhǔn)24vdc電源，首先對輸入功率進(jìn)行濾波和解耦，使用TVS電路和可恢復(fù)保險來保護(hù)過電壓和過電流。TPS5420電路的輸入電壓范圍為10V35V，輸出電壓為+SV，當(dāng)電流達(dá)到2a時，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%以上。為了使CC2430工作負(fù)載更加穩(wěn)定可靠，將TPS5420輸出的+SV電壓傳輸?shù)絋PS79633芯片前端，通過TPS79633+3,3V傳輸+SV電壓，最大電流為1a。這樣，就可以完全覆蓋收音機(jī)模塊的功耗。上述電路參考芯片數(shù)據(jù)TPS5420和TPS79633提供的基準(zhǔn)電路，并根據(jù)具體情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。經(jīng)過測試，可以滿足應(yīng)用的要求。(2)無線模塊插座及復(fù)位電路關(guān)于無線模塊的接口定義，在前一章中已經(jīng)進(jìn)行了說明。具體切換畫面如圖3-10所示，此處不再贅述。返回開關(guān)位于圖3-12的左側(cè)。這是典型的鑰匙復(fù)位開關(guān)。需要注意的一點(diǎn)是，復(fù)位電容器C42不要太大，最好不要達(dá)到0.01uF。在實(shí)際使用中，即使不是這樣也沒有問題。焊接電容器。圖3-13無線模塊插座與復(fù)位電路原理圖(3)RS232串口與USB轉(zhuǎn)串口串行RS232連接和串行USB傳輸連接實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與上位機(jī)之間的通信。由于主要考慮了串行接口的功耗，擴(kuò)展了路由器和傳感器的工作，協(xié)調(diào)交換機(jī)中只有串行接口可用。這可以通過節(jié)省PCB的面積和路由器和傳感器的電路組件數(shù)量來考慮，以達(dá)到節(jié)點(diǎn)功耗低和成本降低的目的。關(guān)于要求，路由器和傳感器注釋通常配置在相對較寬的監(jiān)控區(qū)域。這些區(qū)域的節(jié)點(diǎn)是不受保護(hù)的區(qū)域，所以不需要上位的計(jì)算機(jī)，不能通信。[33]雖然路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)沒有配備這個功能，但是為了測試方便，有時可以添加電路的這個部分。圖3-13顯示了協(xié)調(diào)器與主機(jī)之間的串行通信開關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)CC2430與主機(jī)之間的通信，選擇了串口芯片SP3223E，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與CC2430之間的電平變化。標(biāo)準(zhǔn)串行通信協(xié)議主要由rs-s232和rs-485組成。前者比后者簡單、靈活。大多數(shù)普通計(jì)算機(jī)和微控制器都使用rs-32通信協(xié)議。這就是為什么rs和s232之間的串行通信被接管的原因。鑒于調(diào)試期間使用筆記本不舒服，此處添加了USB連接到串行連接的電路。RS232串行端口和USB的使用的選擇是通過跳接接口實(shí)現(xiàn)的。彈跳接口如圖3-13所示，是J2和J3。圖3-14RS232串口電路原理圖圖3-15USB轉(zhuǎn)串口電路USB-串行電路是使用PC的USB接口和串行端口的轉(zhuǎn)換電路。其目標(biāo)是允許用戶使用筆記本電腦調(diào)試串行端口和接收移動數(shù)據(jù)。該電路