2 硬件單元設計

　　2.1 終端節點設計

　　終端節點的主要功能是數據采集。由于終端節點需要長時間運行，因此采用低功耗的MCU，硬件電路結構應盡量簡單，降低系統功耗，終端節點硬件結構如圖3所示。

　　CC2430是Chipcon公司(編者注：已被TI公司收購)推出的用來實現嵌入式ZigBee應用的片上系統，它集成了CC2420RF收發器、增強工業標準的8051MCU、32/64/128KB閃存、8KB SRAM等高性能模塊，具有超低能耗。

　　天線部分使用外接的單極天線，電源采用CR14250型號鋰電池，它具有電壓高、重量輕、體積小等優點，可以滿足監控子節點小型化、長期運行、低功耗的要求。為防止電源電壓不穩定，使用相關的穩壓芯片并在電源輸入端加入電容，濾除電源噪聲。

　　2.2 協調器節點設計

　　協調器是整個ZigBee網絡的核心，具有網絡的發起、建立、參數的設定、網絡管理和維護等功能。協調器節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，采用三星公司S3C2410作為協調器的主控模塊，內嵌Linux操作系統，通過SPI與CC2430模塊連接。S3C2410最高工作頻率達203MHz，體積小、功耗低，擁有豐富片的外資源。協調器節點硬件結構如圖4所示，它主要包括電源模塊、無線收發模塊以及JTAG調試接口等。節點提供JTAG調試接口，只需外接調試器即可進行系統在線調試，方便系統程序的二次開發。無線收發模塊采用CC2430外加低功耗、高性能射頻前端CC2591芯片，通信距離可達1000m左右，增加網絡覆蓋的范圍，增強節點的無線收發能力。節點通過串口或網口與監控中心的計算機通信。

　　2.3 檢測電路設計

　　主要功能包括：

　　(1)檢測火災發生并報警,在宿舍及樓道內部署煙霧傳感器和溫度傳感器，采樣點數符合覆蓋面積互補原則，避免出現監測盲區，全面監測火災發生。

　　(2)監測惡性負載(如電熱爐、熱水器等大功率違規設備的使用，一旦發現立刻斷電，記錄宿舍號等信息。

　　(3)當宿舍發生非法人員入侵時，立刻報警，并記錄現場狀況信息。

　　2.3.1 惡性負載檢測電路

　　惡性負載(如電熱爐、熱水器等)是線性負載，這類負載一般僅由電阻組成，不包含電容等元件，所以其輸入電壓波形與輸入電流波形在形狀上是一致的。而計算機、電視機之類的非線性負載，在負載電路中一般有電容存在，這使得電源只有在高于電容電壓時做功，導致輸入電流發生畸變，所以對于這類設備，雖然輸入的交流電壓是正弦波形，但其輸入交流電流的波形卻嚴重畸變，呈脈沖狀。利用這一特點，通過對電流波進行周期性采樣，求出電流波形在正半周內的面積，利用不同負載對應電流波形正半周面積不同這一原理來識別負載^[4]。具體硬件單元電路如圖5所示。

　　R0將負載上的電流波轉換為電壓波后，經過放大整形電路送入多路選擇器，CC2430內部的8051 MCU通過輸出周期性的選通信號控制多路選擇器的使能端來實現數據的周期性采樣。采樣信號送入A/D轉換器，轉換完成之后送入CC2430暫存起來，發送到管理中心計算機，利用軟件分析來識別惡性負載，根據分析結果發出切斷負載供電指令。