系统硬件设计 - 基于GSM和ZigBee的实验室安防系统的设计

　　2.1 实验室子系统硬件设计

　　实验室子系统采用菲利普公司的ARM微处理器LPC2138作为主控芯片。LPC2138微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU，多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C总线(400 kbit/s)、SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。多个32位定时器、2个10位8路的ADC、1个10位DAC、PWM通道、47个GPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于控制系统。

　　环境信息和安全信息的采集主要通过各种传感器。其中，温度传感器和湿度传感器采用集成器件，直接读取相应数值即可。

　　红外传感器用于探测实验室内部人员异常入侵，文中采用热释电红外传感器P2288，其输出信号处理电路如图(2)所示。BIS0001为红外信号处理芯片，如在监控区域有人员活动，P2288就会输出电信号，经BIS0001处理后产生相应电平变化，LPC2138通过检测D0端的电平变化就可以判断是否有人员异常入侵，这是防止实验室设备被盗的有效检测手段。

　　烟雾传感器用于火灾的报警，文中采用QM-N5烟雾传感器，其输出信号处理电路如图3所示。没有发生火灾的情况下，周边环境温度下，热敏电阻NTC503D的阻值是比较大的，分压原理可知，可变电阻RP2分得的电压就比较小。对比之下，参考电压U2>U3，输出为低电平。一旦有火灾发生的情况下，周边环境温度相应地升高， 空气中充满一定浓度的烟雾，热敏电阻和烟雾传感器的阻值都快速降低，可变电阻RP1，RP2相应的电压都增大，结果导致U3>U2，输出为高电平。通过检测D1端电平变化可以实现检测火灾的目的。当入侵者破窗而入时，玻璃破碎传感器受到机械振动，会给出一个信号，这信号经放大、处理后可用于报警。此传感器可与门磁、窗磁一起作为盗警的参考报警信号。

　　ZigBee模块采用Chipeon公司推出的首款符合2.4GHzIEEE 802.15.4标准的单片射频收发芯片CC2420，能够进行鲁棒的无线通信，能够确保在短距离通信中的有效性和可靠性。它内置一个数字直接序列扩频调制解调模块，提供扩频增益9dB。CC2420具有超低的电流消耗(RX-18.8mA;TX-17.4mA)，高接收灵敏度(-95dBm)，抗邻频道干扰能力强(39dB)，并且CC2420为包处理、数据缓冲、突发通信、数据加密、数据验证、空闲信道评估、链路质量指示和包定时信息等提供了强有力的硬件支持。这些硬件支持减轻了主控制器的负担，使得它能够使用低成本的微控制器。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。LPC2138通过SPI总线接口和控制信号线与CC2420射频收发器进行通讯并控制射频芯片的运行状态。SPI总线支持全双工数据传输，可以同时发送和接收数据，其中微处理器充当SPI主设备而CC2420收发器充当从设备。

　　2.2 监控中心子系统硬件设计

　　监控中心子系统也采用LPC2138作为主控制器，采用ZigBee模块与实验室子系统通信。

　　键盘与LCD查看警情信息和选择工作模式，为了方便实现功能，键盘电路采用4×4矩阵键盘，其电路原理图如图4所示。键盘包括16个按键，即0～9十个数字键和六个功能键。系统采用扫描法，实现各按键的确认。通过软件消除抖动保证读键正确。

　　LPC2138内部有一个512kB的Flash存储器，可定义一部分空间作为警情存储器，将各实验室子系统的报警信息存储起来备案，存满时自动从低地址开始覆盖。

　　GSM通信模块采用西门子公司的TC35。TC35是Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务和传真。TC35通过异步串行口与LPC2138相连接。