【基于ZigBee芯片的水质监测系统的硬件设计案例5800字】

基于ZigBee芯片的水质监测系统的硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u24080基于ZigBee芯片的水质监测系统的硬件设计案例 1203801系统总体设计 121272数据采集模块设计 2190392.1化学需氧量数据采集模块 3171852.2溶解氧数据采集模块 3209182.3PH值采集模块 4231272.4重金属数据采集模块 416703太阳能供电模块设计 6179694ZigBee节点硬件设计 8141394.1ZigBee芯片选型 876644.2协调器节点硬件电路设计 978164.3路由器节点硬件电路设计 141系统总体设计无线传感器的应用程序的功能十分广泛,为了加强传感器各部分有必要详细调查。产业领域的设备多种多样，为了通过无线检测网络实时准确地监控现场设备的状态，需要特别设计节点的数量和分布。设计过程中,检测系统的节点数少,不均匀分散,为了改善这一情况,有必要使用网络是基于zigbee理论，至少255节点可以确立该监控网络很好地体现了范围内的工业现场设备的检测要求。[21]由于目前我国的工业监测系统存在一定的局限性，在监测的过程中往往只能通过有线监测的方式来实现监控。但是在监测过程中能够发现由于设备过于庞大，导致在监测使用设备的过程中会出现数据不能及时收集的情况，在使用的过程中会发现由于设备过于庞大，并且系统不够完善，使用的过程中会发现设备不灵活，并且需要投入的成本比较大，在布置线的过程中会有很多困难阻碍布线。如果想要有效地改善通信的问题，解决现有通信存在的缺点，就需要不断地改进网络监控的方式，尤其是在工厂车间的运行过程中需要不断地对监测网络系统进行改善，改变监测的方式，使用无线的监测技术，有线的监测技术有很多局限性，而如果能够用无线监测网络来替代有线监测网络就能够使工业生产的过程变得更加顺利，更加有效地对整个生产过程进行监控。[22]通过无线传感监测技术使得目前的监控设备得到了良好的提升，满足了人们的需求，不使用无线网络传感监测监控系统时，在监控的过程中会有很多局限性，无法拓宽视野，但是采用了无线网络监测系统就能够使得检查的区域变得更加广泛，监测的效率也会得到提高。因此，上面的电脑如何与工厂的监控系统连接的问题没有被考虑，在这篇文章中，笔者将重点讨论工作坊传感器和工作坊监控室的设计。图3-1水质监测与评价系统结构框图水质监视系统的最下层是数据收集部分，由基于ZigBee的无线传感器网络构成。该部分包括网络协调器、路由器节点和传感器节点。路由节点将分散在监控区域的传感器节点采集设备的状态发送给协调器，同时对协调器可以接收到的信息进行全局处理。数据采集模块采集节点的溶解氧、pH值等数据，通过射频模块发送至中间节点，再发送至上位机。上面的电脑被配置，检查接收到的水质参数。保存在数据库中，对数据进行分析处理。另外，在设计zigbee系统的节点间通信程序时，考虑了节点间通信的协调性，提高了资源的最大利用率，包括节点间数据传输的设计和串行通信程序的设计。2数据采集模块设计本文设计的系统数据采集主要包括化学需氧量数据、溶解氧数据、ph值数据和重金属数据。因此，为了采集这些数据，有必要设计相应的硬件电路。为了做一个相关的介绍，这些数据分为四类。2.1化学需氧量数据采集模块本文采用基于紫外-发光二极管光谱的传感器来测定水中的化学需氧量。传感器整体密封。测量所需的时间仅为一分钟。检测范围为0.15～75mg/L，准确度为0.01mg/L。L、能满足水质监测技术的要求。与国内大多数采用重铬酸钾法或其改进方法的cod传感器相比，该传感器具有无化学试剂、无二次污染、检测稳定性高的特点。与国外同类监测传感器相比，具有体积小、携带方便、成本低等优点。能够实时在线持续监测，及时反馈水化学需氧量数据的动态变化。传感器的基本原理是兰贝托-贝尔定律。换言之，当平行单色光束穿过均匀的非扩散薄溶液时，溶液的光吸收程度与溶液浓度的乘积成正比。还有液体层的厚度。[23]被插入到水域中，通过信号光纤收集到的检测窗口。水中有机物吸收的紫外线通过带通滤波器进入高灵敏度光敏管。光敏管由信号采集电路板采集，信号通过LabVIEW软件进行记录和分析。整个传感器的物理图像如图3-2所示。3-2化学需氧量监测传感器实物图2.2溶解氧数据采集模块在这篇文章中，溶解氧数据获取模块使用了为水质管理特别开发的独有的gabani电池传感器KDS-25B，检测范围为。80mg/L。该溶解氧传感器最值得关注的功能是:(1)长耐用年数，(2)不受CO2的影响，(3)高精度，(4)温度补偿用内置热敏器，(5)不需要事前。-处理热，不需要连接外部电源，响应时间短。[24]溶解氧传感器KDS-25B使用特殊的酸性电解质，阴极是惰性金属金，阳极是金属铅。氧通过全氟树脂膜扩散参与氧化还原反应。下面的图3-3示出了KDS-25B的物理图像。图3-3溶解氧传感器KDS-25B2.3PH值采集模块PH值数据收集器的工作原理非常简单。由于氢离子可以在玻璃膜和测定溶液之间交换，所以使用氢离子玻璃电极和参考电极形成并发挥加尔巴尼电池的功能。然后通过测量电极，利用电位差测量待测液体的pH值。pH传感器也称为pH探针，包含参考电极和玻璃电极。参比电极和一般已知的电极，如卡罗米电极或银/氯化银电极之间存在一定的电压差。由于PH值和温度不能分离，需要一个温度电极来维持温度平衡，形成三极复合电极。[25]图3-4是本文选择的美国SensorEx公司pH传感器的物理照片。性价比高，检测范围0～14ph，工作温度0～70℃，能够满足检测设备所需要的各项要求。图3-4美国SensorexPH值传感器2.4重金属数据采集模块重金属数据采集模块种类繁多，但工作原理有其自身的原理，根据工作原理可分为电磁感应高频振荡型和磁性振荡型三种。静电电容会改变电容器的类型。[26]接近传感器,检测对象物和实际接触不接近传感器可以检测出目标,但静电容量型接近传感器,高频振荡和放大部组成,和外界结构振荡电路和联动,最初是振荡状态。本文介绍了一种电磁感应高频振动数据采集设备——在线光溶氧传感器RS485，选择重金属数据采集模块。如图3-5所示。图3-5RS485重金属检测传感器这个传感器的可靠性十分高是因为其采用了十分先进的光电技术，同过良好地运用光电技术使得这个传感器无论是维修的成本还是可靠性都得到了良好的改善，维修的成本不断降低，维修率也得到了降低，而可靠性却得到了增强。没有耗氧量和流量，可以测定静水，优点十分明显。具体实物如图3-6所示图3-6实物图3太阳能供电模块设计想要获取更多有效的信息需要不断地获取大量的数据，并且对于获取的节点进行良好的分析。但是对于很多偏远的地区无法对节点进行检测，并且这些地区无法提供良好的数据，导致数据获取模块的过程中受到阻碍，并且就算是偏远地区能够满足相应的条件，获取信息的过程中也需要耗费更多的人力物力，所以为了使得这些问题得到良好的解决，本文将针对这些问题采取具体有效的措施，采用干电池来对节点进行供电，并且良好地利用太阳能发电，使得获取这个模块的过程中能够获取更多的有效信息，提高信息的收集情况，并且还能够保证不会浪费过多的人力物力。在太阳能发电模块和接口电路模块的硬件设计中，太阳能模块包括太阳能板、调节器和电池。由于传感器节点的总耗电量小得多，太阳能电池板的额定输出电压和功率分别为13.SV}1.SW}。[27]太阳能电池板的输出电压根据外部光的强度而变化，通常小于13.5V。根据夜间太阳能出口的变化，为了稳定太阳能模块的输出电压，12v输出的电池是必要的。调节器连接在太阳能板和电池之间。太阳强烈的时候，太阳能电池板的输出功率超过12v，因为调节器会接通，太阳能电池板的全部电力会给电池模块充电。日光弱的时候，太阳能板的电压小于12v，因为调节器断开，整个传感器节点的电源由12v的输出电池供给。图3-6示出了太阳能发电模块的结构。图3-7太阳能电源模块的设计在太阳能模块产生12V直流电压后，需要一个电源接口电路来将此电压转换为+SV。本电路采用L7805/7809电压调节器。示意图如图3-7所示。图3-8电源接口电路示意图4ZigBee节点硬件设计4.1ZigBee芯片选型ZigBee芯片是在ZigBee技术不断发展的基础上逐渐形成的一种常用的无线传感器。因此，只要选择合适的ZigBee芯片，就有可能在降低系统硬件成本的同时促进开发，加快开发进度。目前，选择Zigbee芯片有两个主要选项。[28]第一个选项是使用微控制器和ZigBee射频芯片，另一个选项是使用ZigBee单片机。1、微控制器+ZigBee射频芯片的方案Mcrochip的解决方案是PIC系列微控制器和CC2420射频芯片的组合。Mcrochip公司提供PICDEMZDemonstrationI套件和开发套件。由于TI/Chipcon具有低能耗和高计算能力的优点，MSP430微控制器在低功率产品中被广泛使用。另外，CC2420是比较成熟的RF芯片，其组合也被工程和技术人员使用。使用。[29]2、SOC单芯片解决方案现在有以下企业提供ZigBee单片解决方案。包括STMicroelectronics(ST)的ZigBee单片机无线网络构成了SN260的实现。SN260在框架上集成了IEEE802.15.4，同时，它还集成了一个16位网络处理器，可以运行emberznet协议栈。Ember是STZigbee技术的战略合作伙伴，开发了集成的Emberznet协议栈。SN260内置闪存和随机读写存储器，不仅保证了程序的执行，而且提高了执行的灵活性和效率。Freescale的MC1321X芯片组主要用于宣传最新的产品。[30]mc1321x系列芯片是单一芯片的zigbee,ieee802.15.4规格匹配的2.4ghz,具备低能量的无线频率无线电比特被内置,因此突出解决方案的重要理由。MC1321X系列芯片可提供60kb的闪存和4kb的RAM，可满足ZigBee应用的需求。因此,在这篇文章的系统,该产品不适合的应用,根据ti/chipcon被发售了cc2430芯片。[31]CC2430有128kb的可编程闪存和8kb的RAM。另外，TI为CC2430配置了PA芯片CC2591，可以实现600米的通信距离。CC2430的重要参数如下表3-1所示。生产车间中的设备十分多，所以各个范围都会有设备的分布，从而就会导致设备的影响范围不断地扩大。本章节重点来选择适用于延长结构网络的设备，通过增加单个的节点来使通讯的距离得到扩大，通过扩大通讯距离就能够使得传感器的应用范围更加广阔，通过这种方式能够有效地提高传播的效率，提高设备以及各个零部件的利用率。4.2协调器节点硬件电路设计由于ZigBee技术采用2.4GHz的高频信号，在节点电路中除了采用CC2430作为高频电路外，还存在低速数字电路。为了减少低速时的损坏，高频信号采用数字电路和模块化设计。[32]模块化设计是将PCB的高频信号从低速数字电路中分离出来。设计为两块PCB，两块PCB通过引脚连接，减少了二者之间的相互影响。系统的三个节点采用模块化设计。每种类型的节点只能根据自己的应用需求设计基板。这不仅影响了高频电路的工作，而且影响了设计的复杂性，设计更灵活。结构的框图如图3-8所示。图3-9协调器节点硬件结构图1、无线模块无线模块是整个协调节点硬件电路设计系统的核心。其组件主要包括CC2430、电源开关芯片CC2591和少量外围设备。本文所采用的电路主要是参考合适的电路设计来实现无线模块的应用功能。这里增加了电源芯片CC2591。使用这个是因为CC2430本身的通讯距离非常有限，而且厂家做的比较大，所以要扩展测试设备。通过CC2591扩展节点的通信距离，可以适当减少路由器的数量，使节点与协调器直接成为父子关系。因此，可以减少通信延迟并提高通信可持续性。图3-10无线模块图3-11CC2430和CC22、外围设备(1)电源模块协调员节点不中断持续动作的需要,设计师是监视室的外被部署到被提供,因此,从工厂+24v电源,容易掌握,设计师是业界标准的电源+24v聘用。考虑到电路内的USB电源为+SV，首先将+24v直流转换为+SV，然后转换为+3.3V。电源部的示意图如图3-11所示。图3-12电源部分电路原理图采用工厂提供的标准24vdc电源，首先对输入功率进行滤波和解耦，使用TVS电路和可恢复保险来保护过电压和过电流。TPS5420电路的输入电压范围为10V35V，输出电压为+SV，当电流达到2a时，转换效率可达90%以上。为了使CC2430工作负载更加稳定可靠，将TPS5420输出的+SV电压传输到TPS79633芯片前端，通过TPS79633+3,3V传输+SV电压，最大电流为1a。这样，就可以完全覆盖收音机模块的功耗。上述电路参考芯片数据TPS5420和TPS79633提供的基准电路，并根据具体情况进行适当调整。经过测试，可以满足应用的要求。(2)无线模块插座及复位电路关于无线模块的接口定义，在前一章中已经进行了说明。具体切换画面如图3-10所示，此处不再赘述。返回开关位于图3-12的左侧。这是典型的钥匙复位开关。需要注意的一点是，复位电容器C42不要太大，最好不要达到0.01uF。在实际使用中，即使不是这样也没有问题。焊接电容器。图3-13无线模块插座与复位电路原理图(3)RS232串口与USB转串口串行RS232连接和串行USB传输连接实现了上位机与上位机之间的通信。由于主要考虑了串行接口的功耗，扩展了路由器和传感器的工作，协调交换机中只有串行接口可用。这可以通过节省PCB的面积和路由器和传感器的电路组件数量来考虑，以达到节点功耗低和成本降低的目的。关于要求，路由器和传感器注释通常配置在相对较宽的监控区域。这些区域的节点是不受保护的区域，所以不需要上位的计算机，不能通信。[33]虽然路由器和传感器节点没有配备这个功能，但是为了测试方便，有时可以添加电路的这个部分。图3-13显示了协调器与主机之间的串行通信开关。为了实现CC2430与主机之间的通信，选择了串口芯片SP3223E，实现主机与CC2430之间的电平变化。标准串行通信协议主要由rs-s232和rs-485组成。前者比后者简单、灵活。大多数普通计算机和微控制器都使用rs-32通信协议。这就是为什么rs和s232之间的串行通信被接管的原因。鉴于调试期间使用笔记本不舒服，此处添加了USB连接到串行连接的电路。RS232串行端口和USB的使用的选择是通过跳接接口实现的。弹跳接口如图3-13所示，是J2和J3。图3-14RS232串口电路原理图图3-15USB转串口电路USB-串行电路是使用PC的USB接口和串行端口的转换电路。其目标是允许用户使用笔记本电脑调试串行端口和接收移动数据。该电路