ZigBee和3G的遠程無線測光系統設計

1 系統總體設計

ZigBee 技術是一種低速率、近距離、低功耗、低復雜度、低成本、通信可靠和網絡容量大的無線通信技術。根據IEEE 802.15.4協議標準，ZigBee 的工作頻段分為868 MHz、915 MHz和2.4 GHz 3個頻段，其中2.4 GHz頻段上分為16個信道，該頻段為全球通用的工業、科學、醫學頻段，該頻段為免付費、免申請的無線電頻段，在該頻段上，數據傳輸速率為 250 Kb/s，功耗發射輸出僅為0~3.6 dBm，綜合考慮選擇使用2.4 GHz頻段。

系統主要由三部分組成：光照度終端采集節點、協調器主節點和上位機服務器監控中心。系統的整體結構圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構圖

2 系統硬件設計

本 系統的ZigBee 無線傳輸網絡由4個帶有光照強度傳感器的終端采集節點和1個協調器主節點構成。終端采集節點BH1750數字光照度傳感器采集到的光照強度數據通過 CC2530射頻收發模塊以無線方式發送到協調器主節點CC2530射頻收發模塊，主節點CC2530射頻收發模塊再與主控制器S5PV210進行通信， 通過3G網絡將數據傳輸至遠程上位機服務器監測中心。

2.1 協調器主節點設計

協 調器主節點在整個ZigBee 無線網絡中的主要作用是建立、維護、控制終端節點的加入以及數據的匯總、緩存和轉發，它是ZigBee 網絡的控制中心，其結構框圖如圖2所示。無線射頻收發芯片CC2530 完成組網和數據無線收發；3G上網完成數據的遠距離無線傳輸；主控芯片S5PV210負責整個主節點模塊的協調與控制。

圖2 局域網控制主節點結構框圖

CC2530 是用于IEEE802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案，它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點，CC2530 結合了RF收發器的優良性能，具有業界標準的增強型8051 CPU、系統內可編程閃存，8 KB RAM 和其他強大的功能。CC2530 有4種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256 KB 的閃存。運行模式之間的轉換時間較短，可進一步確保低能源消耗。

2.2 終端采集分節點設計

終端采集節點負責將采集到的光照強度數據傳送到協調器主節點，其硬件電路原理圖如圖3所示。數字光照度傳感器BH1750負責光照強度數據的采集；無線射頻收發芯片CC2530 負責與局域網控制中心無線通信，采集數據并發送數據到局域網控制中心。

圖3 局域網采集節點電路原理圖

BH1750 是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器集成電路，這種集成電路可以根據收集的光線強度數據來調整液晶或者鍵盤背景燈的亮度，利用它的高分辨率 可以探測較大范圍的光強度變化，探測范圍可以從1～65 535 lx，支持 I2C總線接口(f/s Mode Support)，具有接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性(峰值靈敏度波長典型值為560 nm)[6]；輸出對應亮度的數字值；通過降低功率功能,實現低電流；通過50 Hz/60 Hz 除光噪音功能實現穩定的測定；支持 1.8 V 邏輯輸入接口；無需其他外部件；光源依賴性弱（白熾燈、熒光燈、鹵素燈、白光 LED、日光燈）；有兩種可選的 I2C總線slave 地址；可調的測量結果影響較大的因素為光入口大小；最小誤差變動在±20%；受紅外線影響很小。

3 軟件設計

系統軟件設計包括終端節點采集程序、ZigBee 網絡無線傳輸程序、3G網絡無線傳送程序和上位機服務器監測程序的軟件設計。

3.1 終端節點采集程序設計

BH1750 與主控器之間的通信使用標準的I2C總線通信協議。I2C 總線是一種由NXP公司開發的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備[7]。主控器通過I2C總線接口向BH1750 發送各種控制命令以及讀取測量數據。主要控制命令如下:上電指令為0x01；斷電指令為0x00；連續H分辨率模式為0x10；連續L分辨率模式為 0x13；一次H分辨率模式為0x20；一次L分辨率模式為0x23。