基于ZigBee和ARM技術的森林火情監測系統的設計

Coor-Node處在系統的中間層，既要與無線傳感器網絡進行通信，又要與通過數傳電臺與上位機監控中心進行數據交互，這就要求其具有較強的數據處理能力。基于此考慮，本設計方案選用了ST公司的STM32F103C8作為微控制器。STM32F103C8是基于一個實時仿真和跟蹤的32位CortexTM-M3 core CPU的微控制器，并帶有64 kB嵌入的高速Flash存儲器。采用48腳封裝、極低的功耗，多個32位定時器，2路12位的ADC、1個CAN總線以及多達7個的外部中斷。
數傳電臺模塊選用FY602型號的數傳電臺，載頻433MHz ISM頻段，無需申請頻段，接口速率和信道速率可達到38 400 bps。干擾性強，接收靈敏度高，應用廣泛。
ZigBee模塊DIGI公司推出的新型XBP24-BWIT-004．250 kbps的數據傳輸速率。1 600 M的通信距離，支持AT和API命令集，工作頻段為868／915 MHz。特別適合遠距離的組網要求。
考慮到具體的硬件電路圖設計比較繁雜，在此給出Coor-Node的節點的硬件設計框圖，STM32F103C8是數傳電臺和ZigBee模塊的中間層，通過兩個串口分別連接數傳電臺和ZigBee，作為模擬電臺數據和ZigBee數據的交互層，通過對其軟件進行編程，實現兩種網絡數據的轉化。
系統硬件設計主要以STM32F103C8為中心設計其外圍電路，包括電源電路設計、時鐘電路設計、復位電路設計，存儲電路設計和接口電路設計等方面。
在Coor-Node電路板上因很多芯片的工作電壓和電流不同，因此電源部分的設計非常關鍵。整個系統有外部的12 V的太陽蓄電池供電，而TM32F103C8的工作電壓為1．8 V，I／O工作電壓為3．3 V，數傳電臺的工作電壓為4．5～5．5 V，ZigBee模塊的供電電壓為3．3 V，因此選擇LM2576-5．0，MIC29302及AMS1117系列的電壓轉換芯片，得到各芯片相應的工作電壓。電源部分的設計思想如圖3所示。

相對電源部分，時鐘電路和硬件復位電路的設計相對簡單，時鐘晶振采用12 MHZ的外部晶振電路，硬件復位電路采用MAX813復位芯片實現。由于TM32F103C8只具有64KB的片內Flash存儲器和20 kB的SRAM，只能夠滿足系統的基本需求，有考慮到ZigBee子節點地址等相關系統參數的存儲問題，所以外擴了一塊8 MB的Flash和以一塊32 k的Sram62256。
在外圍設備接口電路方面，由于TM32F103C8和數傳電臺以及ZigBee模塊均為串口連接，在電路設計方面簡單可靠。TM32F103C8的程序燒寫方式采用在系統(ISP)，采用ST的ISP軟件，設置完芯片的啟動模式為system memory，即可通過串口和ISP軟件來下載Bin文件。程序下載板主要由一塊美信公司MAX3232電平轉換芯片構成。其能夠將PC串口標準(RS232)轉轉換為TM32F103C8串口TTL標準。
相比TM32F103C8，由于數傳電臺和XBee都是模塊的封裝，其外圍電路設計比較簡單。Xbee模塊的串口與TM32F103C8的串口0直接連接。數傳電臺的串口與TM32F103C8的串口1直接連接。另外，在實際應用中，為了增加系統可視化，在硬件電路上增加數碼管顯示和LED指示燈，可通過數碼管和LED的狀態了解Coor-Node節點的運行情況，如與中繼節點的連接，芯片正常工作，接受和發送森林環境參數等。