2. 2 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)所有ZigBee 節(jié)點(diǎn)都采用同樣的電路設(shè)計，通過寫入相應(yīng)的程序來完成不同功能。所有節(jié)點(diǎn)都是由JN5121-000-M02 模塊、RS-232 通信接口模塊、驅(qū)動控制輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、模擬信號處理電路、實時時鐘模塊、電源處理模塊和太陽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模塊可以實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的無線通信，在空曠地段通信距離超過1 000 m。系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)采用太陽能供電單元供電，開關(guān)電源為DC/DC MAX1837。模擬信號處理模塊具有通用的傳感器接口，無論是模擬信號，還是脈沖數(shù)字信號都能得到很好的處理，可以靈活地經(jīng)過設(shè)置接入具有標(biāo)準(zhǔn)輸出的傳感器。驅(qū)動控制電路實現(xiàn)對現(xiàn)場脈沖電磁閥的開閉控制。

　　2. 2. 1 JN5121-000-M02 模塊

　　2006 年，英國Jennic 公司開發(fā)出集成了微處理器和無線收發(fā)器JN5121M0x 系列ZigBee 模塊，其中，JN5121-000-M02 模塊有一個電源放大器和低噪聲放大器，可加大通信距離。JN5121 無線收發(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 地址加速和報文地址檢查，提升通信報文的產(chǎn)生速度，硬件處理報文自動確認(rèn)以及報文的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，它還可以通過引腳控制驅(qū)動器和接收器的工作狀態(tài)，啟動或禁止自動降低功能，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)動控制輸出模塊

　　森林面積大且地形復(fù)雜，很難采用有線電源為系統(tǒng)供電，為此選用的電磁閥一般為脈沖式電磁閥。脈沖式電磁閥無需持續(xù)供電，通過瞬間的脈沖信號就能實現(xiàn)電磁閥的開關(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，它由三線制控制，分別為白線、紅線和黑線。白線為公共端接入線，當(dāng)白線和紅線之間產(chǎn)生一個12 V 以上的脈沖信號時，電磁閥打開； 當(dāng)白線和黑線之間產(chǎn)生一個脈沖信號時，電磁閥關(guān)閉。

　　2. 2. 4 存儲電路模塊

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

　　FM25L256 以總線速度進(jìn)行寫操作，無須延時，僅需幾百納秒； 當(dāng)數(shù)據(jù)寫入芯片后，下一個總線周期可以立即開始而無須進(jìn)行數(shù)據(jù)輪詢。此外，F(xiàn)M25L256 具有無限的讀寫次數(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 實時時鐘模塊

　　實時時鐘模塊主要器件采用PCF8563 時鐘芯片，它是低功耗的CMOS 實時時鐘/日歷芯片，提供1 個可編程時鐘輸出、1 個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C 總線接口串行傳遞。該芯片為系統(tǒng)提供時間基準(zhǔn)，可以根據(jù)設(shè)置值采集數(shù)據(jù)，定時存入數(shù)據(jù)存儲器，同時也能喚醒微控制器進(jìn)行自動采集，滿足對實時時鐘芯片的各種需要。

　　2. 2. 6 太陽能供電單元

　　由于普通電池不能滿足系統(tǒng)長時間的要求，因此，系統(tǒng)采用太陽能供電單元。該單元由太陽能電池組、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，同時保護(hù)蓄電池，避免發(fā)生過充電和過放電現(xiàn)象。

　　3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

　　JN5121-000-M02 模塊的軟件是在Jennic 公司的Jennic CodeBlocks 環(huán)境下開發(fā)的，采用Jennic 公司已經(jīng)編寫好的MAC 層軟件，則用戶可通過C 語言編程完成應(yīng)用層的開發(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ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的各個子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，將上位機(jī)監(jiān)測終端下達(dá)的測控信息通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到需要測控的子節(jié)點(diǎn)，接收各個子節(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，對接入的不同傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對電磁閥等設(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

　　ZigBee 無線傳感技術(shù)具有低成本、易實現(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。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)測的區(qū)域，實時監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境因子，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化及時發(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)的提出是對無線傳感在林火監(jiān)測方面的應(yīng)用嘗試，不但為我國林火監(jiān)測研究提出了一種新方向，同時也為無線傳感的應(yīng)用拓寬了發(fā)展空間。