系統硬件設計 - 基于GSM和ZigBee的實驗室安防系統的設計

2 系統硬件設計

　　2.1 實驗室子系統硬件設計

　　實驗室子系統采用菲利普公司的ARM 微處理器LPC2138作為主控芯片。LPC2138微控制器是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU，多個串行接口，包括2個16C550工業標準UART、2個高速I2C總線(400 kbit/s)、SPI和具有緩沖作用和數據長度可變功能的SSP。多個32位定時器、2個10位8路的ADC、1個10位DAC、PWM通道、47個GPIO以及多達9個邊沿或電平觸發的外部中斷使它們特別適用于控制系統。

　　環境信息和安全信息的采集主要通過各種傳感器。其中，溫度傳感器和濕度傳感器采用集成器件，直接讀取相應數值即可。

　　紅外傳感器用于探測實驗室內部人員異常入侵，文中采用熱釋電紅外傳感器P2288，其輸出信號處理電路如圖(2)所示。BIS0001為紅外信號處理芯片，如在監控區域有人員活動，P2288就會輸出電信號，經BIS0001處理后產生相應電平變化，LPC2138通過檢測D0端的電平變化就可以判斷是否有人員異常入侵，這是防止實驗室設備被盜的有效檢測手段。

　　煙霧傳感器用于火災的報警，文中采用QM-N5煙霧傳感器，其輸出信號處理電路如圖3所示。沒有發生火災的情況下，周邊環境溫度下，熱敏電阻NTC503D的阻值是比較大的，分壓原理可知，可變電阻RP2分得的電壓就比較小。對比之下，參考電壓U2>U3，輸出為低電平。一旦有火災發生的情況下，周邊環境溫度相應地升高，空氣中充滿一定濃度的煙霧，熱敏電阻和煙霧傳感器的阻值都快速降低，可變電阻RP1，RP2相應的電壓都增大，結果導致U3>U2，輸出為高電平。通過檢測D1端電平變化可以實現檢測火災的目的。當入侵者破窗而入時，玻璃破碎傳感器受到機械振動，會給出一個信號，這信號經放大、處理后可用于報警。此傳感器可與門磁、窗磁一起作為盜警的參考報警信號。

　　ZigBee模塊采用Chipeon公司推出的首款符合2.4GHzIEEE 802.15.4標準的單片射頻收發芯片CC2420，能夠進行魯棒的無線通信，能夠確保在短距離通信中的有效性和可靠性。它內置一個數字直接序列擴頻調制解調模塊，提供擴頻增益9dB。CC2420具有超低的電流消耗(RX-18.8mA;TX-17.4mA)，高接收靈敏度(-95dBm)，抗鄰頻道干擾能力強(39dB)，并且CC2420為包處理、數據緩沖、突發通信、數據加密、數據驗證、空閑信道評估、鏈路質量指示和包定時信息等提供了強有力的硬件支持。這些硬件支持減輕了主控制器的負擔，使得它能夠使用低成本的微控制器。利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達250kbps，可以實現多點對多點的快速組網。LPC2138通過SPI總線接口和控制信號線與CC2420射頻收發器進行通訊并控制射頻芯片的運行狀態。SPI總線支持全雙工數據傳輸，可以同時發送和接收數據，其中微處理器充當SPI主設備而CC2420收發器充當從設備。

　　2.2 監控中心子系統硬件設計

　　監控中心子系統也采用LPC2138作為主控制器，采用ZigBee模塊與實驗室子系統通信。

　　鍵盤與LCD查看警情信息和選擇工作模式，為了方便實現功能，鍵盤電路采用4×4矩陣鍵盤，其電路原理圖如圖4所示。鍵盤包括16個按鍵，即0～9十個數字鍵和六個功能鍵。系統采用掃描法，實現各按鍵的確認。通過軟件消除抖動保證讀鍵正確。