智能藍牙無線報警系統(tǒng)電路設(shè)計

本報警網(wǎng)絡(luò)采用了星型拓撲結(jié)構(gòu)，由中心節(jié)點和無線報警網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成。中心節(jié)點是一個與計算機相連的無線通信模塊，可以和網(wǎng)絡(luò)中的任何一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信。無線報警網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是組成智能家居報警系統(tǒng)的基本單位，是構(gòu)成智能家居報警系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺。它由微處理器（AT89C2051）、無線通信模塊 （nRF2401）、環(huán)境監(jiān)測傳感器（門磁開關(guān)、紅外線傳感器、火災(zāi)煙感傳感器、煤氣泄露傳感器、玻璃破碎報警器等）和一些外圍器件構(gòu)成，負責(zé)家居環(huán)境的監(jiān)測和報警信息的傳遞。

采用這種星型拓撲結(jié)構(gòu)能夠很好地擴展組合，容易增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，滿足在家居中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布的不確定性，可在房間、隔離處放置一個節(jié)點，避免無線干擾和報警區(qū)域不確定性的問題，由中心節(jié)點對多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所傳遞的數(shù)據(jù)進行綜合處理，分析是否發(fā)出報警信號。在一定程度上降低報警系統(tǒng)的誤報，提高無線報警系統(tǒng)的可靠性。在報警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的主要功能是采集數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)以無線傳輸?shù)姆绞絺魉徒o網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點，由中心節(jié)點對這些數(shù)據(jù)進行綜合分析處理，以此決定是否給予報警。

無線報警網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計

無線報警網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要由微處理器 AT89C2051、nRF2401無線通信芯片、外圍設(shè)備和開關(guān)量輸入接口的傳感器構(gòu)成。微處理器AT89C2051是整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件系統(tǒng)的核心控制部件，負責(zé)接收傳感器觸發(fā)的開關(guān)量報警信號，發(fā)送nRF2401通信命令，控制信息的傳輸。單片射頻收發(fā)芯片nRF2401是實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵器件。nRF2401工作于2.4~2.5GHzISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序配置，芯片功耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5mA，接收時工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計更方便。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用nRF2401進行數(shù)據(jù)傳輸，來實現(xiàn)報警信息的無線傳輸。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過連接的傳感器感知外部環(huán)境異常變化。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電路原理圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電路原理圖

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中電源是能源中心，在節(jié)點中起著非常重要的作用，特別是在無線通信系統(tǒng)中，電源不光是能源供應(yīng)者，它也直接影響通信的質(zhì)量。器件對加到輸入引腳或輸出引腳的電壓通常是有限制的。這些引腳由二極管或分離元件接到Vcc。如果接入的電壓過高，電流將會通過二極管或分離元件流向電源。而現(xiàn)行的電壓輸出模塊中多為5V電壓，因而需要設(shè)計出一個輸出穩(wěn)定的5V轉(zhuǎn)3V的電壓調(diào)節(jié)模塊。在該系統(tǒng)中，選用專為通信控制芯片提供轉(zhuǎn)換電壓的LM1117，它具有功耗低，體積小的優(yōu)點。又因為電壓中含有許多高頻干擾源，這些高頻成分很容易經(jīng)過電源進入通信系統(tǒng)中。另外系統(tǒng)自身的發(fā)送頻率也會經(jīng)過電源感應(yīng)反饋到通信系統(tǒng)造成干擾。因而可在電源電路中加入220μH的電感，與并入多個不同容值的電容所構(gòu)成的濾波電路來抑制各種高頻信號。使節(jié)點能夠得到穩(wěn)定可靠且低干擾的電源，保證節(jié)點的可靠運行。該電源電路如圖3所示。

圖3 電源電路

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計過程中遇到的主要問題及解決方法有：nRF2401射頻電路工作在2.4GHz~2.5 GHz 高頻率工作頻段，抗干擾設(shè)計直接關(guān)系到射頻性能和整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的運轉(zhuǎn)情況。在無線通信部分布線時，合理的布局與布線及采用多層板既是布線所必須的也是降低電磁干擾提高抗干擾能力的有效手段。布線時需要注意以下幾點：一是無線通信部分電路沒有用做布線的面積均需用銅填充并連接到地，以提供RF屏蔽達到有效抗干擾的目的 ;二是nRF2401 芯片底部應(yīng)接地 ;為了降低延遲、減少串擾，確保高頻信號的傳輸 ，要使用多個接地過孔將nRF2401芯片底部和地層相連; 三是盡可能地減少串擾，減少分布參數(shù)的影響，器件要緊密地分布在nRF2401的四周。

根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能家居的特點，提出了基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的報警系統(tǒng)的構(gòu)成方案，系統(tǒng)的設(shè)計采用了模塊化設(shè)計，使其具有很好的移植性和擴展性。采用基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的報警系統(tǒng)具有較高的通信效率和較好的穩(wěn)定可靠性。