ZigBee和3G的远程无线测光系统设计

1 系统总体设计

ZigBee 技术是一种低速率、近距离、低功耗、低复杂度、低成本、通信可靠和网络容量大的无线通信技术。根据IEEE 802.15.4协议标准，ZigBee 的工作频段分为868 MHz、915 MHz和2.4 GHz 3个频段，其中2.4 GHz频段上分为16个信道，该频段为全球通用的工业、科学、医学频段，该频段为免付费、免申请的无线电频段，在该频段上，数据传输速率为 250 Kb/s，功耗发射输出仅为0~3.6 dBm，综合考虑选择使用2.4 GHz频段。

系统主要由三部分组成：光照度终端采集节点、协调器主节点和上位机服务器监控中心。系统的整体结构图如图1所示。

图1 系统整体结构图

2 系统硬件设计

本 系统的ZigBee 无线传输网络由4个带有光照强度传感器的终端采集节点和1个协调器主节点构成。终端采集节点BH1750数字光照度传感器采集到的光照强度数据通过 CC2530射频收发模块以无线方式发送到协调器主节点CC2530射频收发模块，主节点CC2530射频收发模块再与主控制器S5PV210进行通信， 通过3G网络将数据传输至远程上位机服务器监测中心。

2.1 协调器主节点设计

协 调器主节点在整个ZigBee 无线网络中的主要作用是建立、维护、控制终端节点的加入以及数据的汇总、缓存和转发，它是ZigBee 网络的控制中心，其结构框图如图2所示。无线射频收发芯片CC2530 完成组网和数据无线收发；3G上网完成数据的远距离无线传输；主控芯片S5PV210负责整个主节点模块的协调与控制。

图2 局域网控制主节点结构框图

CC2530 是用于IEEE802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案，它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点，CC2530 结合了RF收发器的优良性能，具有业界标准的增强型8051 CPU、系统内可编程闪存，8 KB RAM 和其他强大的功能。CC2530 有4种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256 KB 的闪存。运行模式之间的转换时间较短，可进一步确保低能源消耗。

2.2 终端采集分节点设计

终端采集节点负责将采集到的光照强度数据传送到协调器主节点，其硬件电路原理图如图3所示。数字光照度传感器BH1750负责光照强度数据的采集；无线射频收发芯片CC2530 负责与局域网控制中心无线通信，采集数据并发送数据到局域网控制中心。

图3 局域网采集节点电路原理图

BH1750 是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路，这种集成电路可以根据收集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度，利用它的高分辨率 可以探测较大范围的光强度变化，探测范围可以从1～65 535 lx，支持 I2C总线接口(f/s Mode Support)，具有接近视觉灵敏度的光谱灵敏度特性(峰值灵敏度波长典型值为560 nm)[6]；输出对应亮度的数字值；通过降低功率功能,实现低电流；通过50 Hz/60 Hz 除光噪音功能实现稳定的测定；支持 1.8 V 逻辑输入接口；无需其他外部件；光源依赖性弱（白炽灯、荧光灯、卤素灯、白光 LED、日光灯）；有两种可选的 I2C总线slave 地址；可调的测量结果影响较大的因素为光入口大小；最小误差变动在±20%；受红外线影响很小。

3 软件设计

系统软件设计包括终端节点采集程序、ZigBee 网络无线传输程序、3G网络无线传送程序和上位机服务器监测程序的软件设计。

3.1 终端节点采集程序设计

BH1750 与主控器之间的通信使用标准的I2C总线通信协议。I2C 总线是一种由NXP公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备[7]。主控器通过I2C总线接口向BH1750 发送各种控制命令以及读取测量数据。主要控制命令如下:上电指令为0x01；断电指令为0x00；连续H分辨率模式为0x10；连续L分辨率模式为 0x13；一次H分辨率模式为0x20；一次L分辨率模式为0x23。