系统节点的硬件设计 - 基于ZigBee的森林火灾监测系统设计

　　2. 2 系统节点的硬件设计

　　系统所有ZigBee 节点都采用同样的电路设计，通过写入相应的程序来完成不同功能。所有节点都是由JN5121-000-M02 模块、RS-232 通信接口模块、驱动控制输出模块、数据存储模块、模拟信号处理电路、实时时钟模块、电源处理模块和太阳能供电单元共同组成。

　　系统硬件框图如图1 所示。

图1 系统硬件

　　系统中的ZigBee 节点所采用的JN5121-000-M02模块可以实现较远距离的无线通信，在空旷地段通信距离超过1 000 m。系统所有节点采用太阳能供电单元供电，开关电源为DC/DC MAX1837。模拟信号处理模块具有通用的传感器接口，无论是模拟信号，还是脉冲数字信号都能得到很好的处理，可以灵活地经过设置接入具有标准输出的传感器。驱动控制电路实现对现场脉冲电磁阀的开闭控制。

　　2. 2. 1 JN5121-000-M02 模块

　　2006 年，英国Jennic 公司开发出集成了微处理器和无线收发器JN5121M0x 系列ZigBee 模块，其中，JN5121-000-M02 模块有一个电源放大器和低噪声放大器，可加大通信距离。JN5121 无线收发器工作在2. 4 GHz 频段，内部有128 位AES 加密的安全处理器；可以进行硬件处理MAC 地址加速和报文地址检查，提升通信报文的产生速度，硬件处理报文自动确认以及报文的CRC 生成； 此外，模块内部集成了电源管理芯片和晶振休眠，可降低协同功耗。

　　2. 2. 2 RS-232 通信接口电路

　　通信芯片选用的是MAX3222。MAX3222 使用单一电源电压Vcc，电压值在3. 3 ～ 5. 5 V 范围内都能正常工作，额定电流为300 μA，可完成TTL 与RS-232 两种电平之间的转换。另外，它还可以通过

引脚控制驱动器和接收器的工作状态，启动或禁止自动降低功能，使其工作在不同的能耗，从而达到降低功耗的目的。本系统MAX3222 的硬件连接电路如图2所示。RXD0、TXD0、

引脚分别与JN5121 模块的UART0相应管脚和I /O 接口相连，RXD、TXD、CTS 分别连接到系统的RS-232 接线端子上，完成上位机通信以及JN5121 模块的程序下载功能。

图2 MAX3222 硬件连接图

　　2. 2. 3 驱动控制输出模块

　　森林面积大且地形复杂，很难采用有线电源为系统供电，为此选用的电磁阀一般为脉冲式电磁阀。脉冲式电磁阀无需持续供电，通过瞬间的脉冲信号就能实现电磁阀的开关控制，非常适合在森林中应用。脉冲式电磁阀的工作电压为直流电压12 ～ 40 V，它由三线制控制，分别为白线、红线和黑线。白线为公共端接入线，当白线和红线之间产生一个12 V 以上的脉冲信号时，电磁阀打开； 当白线和黑线之间产生一个脉冲信号时，电磁阀关闭。

　　2. 2. 4 存储电路模块

　　铁存储器（ FRAM） 是一种非易失性随机存取储存器，它既可以进行非易失性数据存储，又可以像RAM一样操作。在此，系统采用铁存储器FM25L256，它是具有先进铁电技术制造的32 kB 非易失性存储器。

　　FM25L256 以总线速度进行写操作，无须延时，仅需几百纳秒； 当数据写入芯片后，下一个总线周期可以立即开始而无须进行数据轮询。此外，FM25L256 具有无限的读写次数，且操作功耗非常低，工作电压在2. 7 ～3. 6 V 之间，工作静态电流低至5 μA。