室内环境监测系统的硬件设计

刘 婷

(重庆机械电子技师学院，重庆 400037)

室内环境监测系统的硬件设计

刘 婷

(重庆机械电子技师学院，重庆 400037)

介绍室内环境监测系统特点和各模块硬件功能，设计了一个应用无线传感网络实现的室内环境监测系统，通过此系统的设计加强对无线传感器的理解和掌握。

环境监测;硬件;传感器

本系统目标是设计一个应用无线传感网络实现的室内环境监测系统。系统要求传感器节点在监测范围内构成网络，采集需要的数据，并能以多跳的方式传输给上位机，用户能够通过上位机查询需要的数据，通过数据进行相应措施。

无线传感器网络由许多体积小、成本低、功耗低的传感器节点组成。无线传感器节点是网络的基本单元，其稳定的运行是整个网络可靠性的基本保证。设计时除需考虑满足系统功能外，还需要考虑如何节省功耗、延长节点寿命等问题。下面就室内环境监测系统各个模块具体的硬件选择进行一些探讨。

一、射频收发模块JN5139

无线通信协议标准采用适合无线传感网络的IEEE802．15．4标准，它是低速率控制网络设计的标准无线网络协议，规定MAC层和物理层的规范。

目前2．4GHZ的ZigBee射频收发器的生产公司主要有 Jennic的 JN5121和 JN5139、FreeSCale的 MC1321X、Chipcon的CC2430、Ember的EM250等。在选择ZigBee芯片时主要考虑以下一些情况:外围接口的丰富程度和集成的常用功能，包括有SPI接口、A/D转换、UART接口、看门狗等;芯片所需外围器件数量直接决定成本，所以选择需要外围器件少的射频收发器;需要考虑CPU的主频和参数;在同等条件下，需要选用发射功率较高的器件;无线微控制器一般都带有一定容量的RAM和ROM，为设计简单，要尽量少外接存储器，要考虑到存储器大小;较少的引脚和较小的封装，有利于减少印刷电路板的面积，适合便携式产品的设计;公司提供技术支持是否完善;以及公司提供的ZigBee协议栈的价格。

基于以上要求，本系统选择了Jennic公司的JN5139芯片。Jennic是一家领导无线通信进入新纪元的IC设计公司，提供了无线个域网单芯片解决方案。Jennic的专业在于世界级RF、数字化芯片及结合系统和软件设计领域，并将焦点集中在IEEE802．15．4和ZigBee标准上，以专门技术提供了无线通信市场一项低成本、高集成度的无线射频SoC解决方案。公司产品包括最新型的低功率射频SoC芯片，模块，开发平台，通信协议及应用软件，为客服提供了一站式ZigBee解决方案。

Jennic公司JN5121微控制器是市场上最早大量销售的全集成、单芯片ZigBee解决方案。JN513x是继JN5121后又一颗高性能的全集成单芯片ZigBee解决方案，除了达到新的价格门槛外，此系列产品不论在微控制器性能的表现、成本及功率消耗等优于现有的JN5121系列。除了芯片的推出外，一系列基于JN513x的模块、开发工具、软件及通信协议软件也供应上市。

单芯片方案不但可以完成标准的ZigBee终端产品，还可以在很大程度上降低产品成本，缩短新产品上市时间。Jennic公司提供了基于IEEE802．15．4规范的超低功耗、低速率(250kb/s)、短距离无线个域网单芯片解决方案，具有较好的数据安全性及非常灵活的组网能力，满足大规模网络应用需求。

二、温湿度传感器模块SHT10

温湿度传感器模块选用 SHT10芯片，SHTlx是瑞士Sensirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。SHT1x系列产品是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供了全量程的标定的数字输出。该产品具有非常高的可靠性和卓越的长期稳定性。该传感器包括了一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这两个敏感元件与一个14位的A/D转换器与一个串行接口电路设计在同一个芯片上面。该传感器品质卓越，响应超快，抗干扰能力强，有非常高的性价比。每个传感器芯片都在极为精确的恒温室里进行标定，以镜面冷凝式露点仪为参照。通过标定获得的校准系数以程序形式储存在芯片本身的OTP内存里。通过两线制的串行接口和内部的电压调整，使外围系统集成变得快速且简单。微小体积、极低功耗等优点使其成为各类应用中的首选。产品提供表面贴片LCC或4针单排引脚封装。并且可根据用户的不同需求，提供特殊封装形式。

SHT10芯片主要特点有:1)全部校准，数字输出;2)接口简单响应速度快，超低功耗，自动休眠;3)超低功耗，自动休眠;4)出色的长期稳定性;5)测湿精度±45%RH，测温精度±0．5℃(25℃);6)高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上;7)提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，传输可靠性高;8)集成温度传感器和湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能;9)封装尺寸小，测量和通信结束后，自动转入低功耗模式。

SHT10温湿度传感器的重要参数有以下几项。

湿度方面:1)测量范围0～100%RH，2)测量精度范围 ±3．0%RH，3)响应时间 ＜4 s。

温度方面:1)测量范围－40℃ ～123．8℃，2)测量精度范围 ±0．4℃，3)响应时间5～30 s。

三、光照传感器模块TSL2550D

光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有:光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。

光照传感器模块用的是TSL2550D芯片，TSL2550D是一种集成了双线系统管理总线串行接口的光照传感器，在CMOS集成电路中包括了两个光电二极管和一个扩展的A/D转换器提供了12bit的动态有效量程的光亮测量。普通光照传感器只有一个光照探测器，检测到的光信号既包含可见光成分又包括红外光部分，当周围环境的可见光并不十分强而红外光较强时检测的结果会受到红外光的影响，输出光照强度大的测量值，与人眼的感觉有很大差异，TSL2550D配备有2个光电探测器，探测器0检测环境中可见光和红外光总的光照度，探测器1只检测环境中红外光光照度。探测器1的红外探测结果用于减小红外光在检测结果中的影响，即检测结果与人的肉眼所感觉到的光强十分相似。此外其内部还集成了一个模数转换器，可以直接将检测的结果转换成串行数字信号输出，简化了硬件的设计。

四、串口模块

系统硬件方面的串口模块用于下载程序及传输数据用。本系统中运用的是MAXIM公司出品的MA3232芯片，MAX3222、MAX3232、MAX3237、MAX3241 收发器需要有低脱落电压传送输出由双重供给泵提供的3．0～5．5 V的电压使能正确的RS－232。此芯片仅仅需要4个0．1 μF的外围充电电容，当 MAX3222、MAX3232和 MAX3241维持RS－232输出等级时，可以保证数据传输率达到120 kbps。MAX3232有2个接收器和2个驱动器，MAX3232的1 μA休眠模式是该芯片很重要的特征，用来介绍电源消耗，在便捷系统中可以延长电池寿命，它的接收器保持了动态的休眠模式，允许外围设备，例如modems，能够仅仅用1 μA电流进行监控操作，MAX3232和MAX3222的引脚、功能可以与工业标准的MAX242和MAX232一致。

MAX3232的特性:1)当Vcc=3．3 V或5．0 V时，允许电源电流通常为0．3mA最高为1．0mA;2)休眠时电流值为1 μA，最高值为10μA;3)逻辑输入低电平电压值0．8 V，逻辑输入高电平电压值在 Vcc=3．3 V时为2．0 V，在Vcc=5.0V时为2．4 V;4)输入电压范围－25～25 V;5)接收器输入低电平，当 Vcc=3．3 V时，最低0．6 V，常用1.2 V，当 Vcc=5．0 V 时，最低 0．8，常用 1．5 V，输入高电平时，当 Vcc=3．3 V 时，最高2．4 V，常用 1．5 V，当 Vcc=5．0 V时，最高2．4 V，常用1．8 V;6)传输器的输出电压最小 ±5．0 V，常规 ±5．4 V。

MAX3232的引脚功能:1号引脚，正极倍压电荷泵电容器;2号引脚，电荷泵产生的+5．5 V电压;3号引脚，负极倍压电荷泵电容器;4号引脚，正极反相电荷泵电容;5号引脚，负极的反相电荷泵电容;6号引脚，电荷泵产生的－5．5 V电压;7号和14号引脚，RS－232发射器输出;8号和13号引脚，RS－232接收器输入;9号和12号引脚，TTL/CMOS接收器输出;10号和11号引脚，TTL/CMOS发射器输入;15号引脚，接地;16号引脚，+3．0 V到+5．5 V支持电压。

五、结束语

通过介绍系统基于ZigBee硬件的整体结构，对器件进行选择，经过对功能、技术支持等一系列问题及经济方面的考虑，选择了Jennic公司出品的JN5139芯片，介绍了温湿度传感器模块、光照传感器模块及RS232电平转换电路模块，完成了室内环境监测系统硬件的设计。

(责任编辑 张佑法)

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1007－7111(2012)06－0060－02

2012－04－12

刘婷(1982—)，女，讲师，研究方向:电子与通信。