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2.2 传感器模块

为了增强无线传感节点的复用性，传感器模块电路设计中，未包含传感器元件，而是采用接口形式连接传感器元件，并为其提供工作电路。物联网中常用的传感器元件按输出信号类型可分为模拟传感器和数字传感器，因此节点传感器接口需包含这两种数据接口。节点传感器数字信号接口和模拟信号接口直接由处理器模块核心芯片ATmega328P—PU的数字输入输出口和模拟输入口引出。ATmega328P—PU共有14个数字输入输出接口，本节点的设计中，TXD、 RXD数字接口作串口，有两路数字接口作串口状态灯控制口，有一路数字接口作无线通信模块工作模式控制口，有一路数字接口作传感器工作模式控制口，还有一路数字接口作电源能量监测控制口，因此节点传感器模块中的传感器数字接口共有7个，模拟数字接口共有6个。常用的传感器模块如DHT11温湿度模块、 HX711称重传感器模块、BH1750FVI光照度传感器模块等，均可通过该通用接口与节点进行连接。

为了降低无线传感节点的能耗，本节点设计传感器数据进行周期性采集，即传感器在采集一段时间的环境信息后进入休眠状态，再经过固定的休眠时间后返回到工作状态，从而降低传感器元件对电源能量的消耗。这里的传感器工作模式切换设计为单片机接口控制传感器模块电源通断模式。单片机接口控制电源通断功能通过三极管S8550驱动电路作开关、继电器HK4100F作负载来实现。三极管S8550是一种常用的普通三极管，它是一种低电压、大电流、小信号的PNP型硅材料三极管。继电器HK4100F是一种价格低廉的6管脚电子控制器件，实际上是一种利用较小电流来控制较大电流的“自动开关”，它能够在电路中提供自动调节、安全保护和转换电路等功能，主要由铁芯、线圈、衔铁和触点簧片组成。当电路圈两端加上一定电压后。线圈会流过一定的电流，从而产生电磁效应，于是衔铁在电磁吸引力的作用下克服弹簧的反弹拉力与铁芯吸合，从而使继电器的内部动触点与静触点（常开触点）导通;当线圈两端断电后，线圈的电磁吸引力消失，衔铁会在弹簧的反作用力下回到原来的位置，从而使继电器的内部动触点与原来的静触点（常闭触点）导通，由此实现了外部电路的导通和切断。

单片机接口控制传感器模块电源通断具体的电路连接情况为，三极管S8550的基极经4.7 kΩ电阻与单片机ATmega328P—PU的一路数字接口连接，发射极与继电器HK4100F内部线圈的一个外部引脚连接，集电极接地。继电器 HK4100F常闭触点的外部引脚接地，常开触点的外部引脚接传感器的工作电源正极。当单片机引脚输出高电平时，三极管截止，继电器线圈两端无电位差，继电器衔铁释放，常闭触点导通，即传感器电源关闭;当单片机引脚输出低电平时，三极管饱和导通，继电器衔铁吸合，常开触点闭合，即传感器电源开启。三极管截止瞬间，继电器线圈中的电流无法突变为零，两端会产生一个电压较高的感应电动势，有可能会击穿三极管，因此需要在继电器线圈两端并联一个常见的反向耐电压为100 V的小信号二极管1N4148，以释放瞬间感应电动势，如此，既保护了三极管，也消除了感应电动势对其他电路的干扰。单片机接口控制HK4100F线圈通断电路原理如图2所示。

2.3 无线通信模块

本节点的无线通信模块采用的是美国Digi公司生产的XBee ZB模块，该模块按照ZigBee协议设计并把ZigBee协议内置进片内Flash，其内部包含有全部的工作电路以及完整的ZigBee协议栈，虽然体型小，但却是一个功能完善的ZigBee（具备和发射器），它的工作模式是双向半双工式，可交替地发送或接收数据昀。XBeeZB模块只需少量的功耗便可进行可靠的远端数据传输。该模块的室内传输距离为40米，室外传输距离为120米，发射功率为3 dBm，具有AT和API两种配置模式且拥有专门的PC端配置软件X—CUT，可直接在PC端对模块进行发射功率、信道等网络拓扑参数的配置，使用起来简单快捷。XBee ZB模块通过DOUT和DIN与处理器模块中的单片机串口进行通信，DOUT接单片机ATmega32 8P—PU的RXD引脚，DIN接TXD引脚。arduino zigbee组网该模块的工作模式共有5种，分别是空闲模式、发送模式、接收模式、命令模式和睡眠模式。当XBee ZB模块没有接收或发送数据时，模块进入空闲模式;当串行接收缓冲区内的串行数据已接收并打包准备好时，模块自动退出空闲模式准备发送数据，进入发送模式;当天线接收到一个合法的RF数据包时，该数据将会转送到串口发射缓冲区内，模块进入接收模式;当命令模式字符序列形成时，模块进入命令模式;当接收到休眠触发时，模块进入睡眠模式，XBee ZB仅支持终端节点睡眠模式触发，且有管脚休眠和周期休眠两种触发模式。睡眠模式可大大降低模块的能耗，XBee ZB模块的管脚休眠触发机制是：当休眠控制管脚Sleep_RQ处于高电平状态时，模块开启睡眠模式;管脚处于低电平状态时，模块关闭睡眠模式。本节点设计使用单片机数字输出口控制来实现XBeeZB模块的正常工作模式与睡眠模式之间的切换，电路连接上，ATmega328P—PU的一路数字接口引脚与 XBee ZB模块的Sleep_RQ管脚连接以控制Sleep_RQ管脚的电平状态，再以软件程序进行辅助，设置XBee ZB模块进行周期性休眠，从而降低节点无线通信模块的能耗。arduino zigbee组网节点无线通信模块电路连接框图如图3所示。

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