城市照明监控系统硬件设计优化

城市照明监控系统的硬件部分包括路端单灯测控器和路端通信装置。ZigBee网络中的结点分为三类：协调器、路由结点、终端结点。路端单灯测控器由路由结点或终端结点加上外围采集控制模块构成。路端通信装置主要包括协调器和GPRS通信模块。

1）路端单灯测控器的硬件设计

路端单灯测控器是无线传感网络中的网络结点，它的主要功能是控制并检测单个路灯的状态。每个测控器之间通过自主定义的网络协议组成网络。每条路形成一个独立的网络，该路的主控结点既是一个路由，也是一个网关，是单灯网络和Internet的接口，负责将单灯网络的数据传输至后台服务器。单灯测控器还可检测单灯的状态值即单灯的电流值。

由于ZigBee网络中结点数量较大，为了便于生产，将协调器、路由结点和终端结点的主要区别放在软件方面。硬件方面除了协调器具有通用异步收发接口UART外，其他都是相同的。各结点的微控制器单元（MCU）均采用TI公司的2.4G射频芯片CC2530，该芯片支持802.15.4协议及ZigBee标准。图8－28为路端单灯测控器的硬件结构。

图8－28　路端单灯测控器的硬件结构

路端单灯测控器的硬件设计采用分层模式，即将主控模块和天线模块设计在一块板上，留出接口。将电源模块、采集模块、控制模块等设计在单灯测控器底板上，也留出相对应的接口。使用时将两块板接插在一起即可。这样的分层设计具有较高的灵活性，各层模块的功能分明，易于实现且便于测试。

硬件设计主要包括：CC2350主控芯片最小系统电路的设计、射频匹配电路的设计、电流采集模块电路的设计、继电器控制模块电路的设计、电源模块电路的设计。

（1）CC2530主控芯片最小系统电路设计

CC2530主控芯片最小系统电路如图8－29所示，它是MCU内部程序正常运行所必需的外围电路。

图8－29　CC2530主控芯片最小系统电路

最小系统主振荡器晶振是必需的，且其对晶振精度也有特殊的要求，根据IEEE 802.15.4标准，必须使用32 MHz的晶振。实时时钟（Real－Time Clock，RTC）振荡器采用频率为32.768kHz的晶振，其主要作用是提供稳定的时钟信号给软件设计用。

（2）射频匹配电路设计

本设计采用50Ω单极子天线，为了达到天线与馈线的最佳匹配，采用巴伦电路（平衡、非平衡转换电路）完成双端口到单端口的转换。RF－P／RF－N首先连接到巴伦匹配电路，然后连接到谐波滤波电路，最后连接到射频天线接口。此外为了减少其他方面带来的噪声干扰，特别增加了电源去耦电容、阻容滤波等。CC2530模块发送数据时，信号从差分射频端口RF－P、RF－N经巴伦电路变为单端信号，选通功率放大电路（Power Amplifier，PA），放大后的信号从天线发射出去。接收信号时，从天线接收的信号经低噪声放大电路（Low－Noise Amplifier，LNA）放大，经巴伦电路转换，由RF－P、RF－N端口接收。P1为天线接收头。射频匹配电路如图8－30所示。

图8－30　射频匹配电路

（3）电源模块电路设计

路端单灯测控器的电源模块电路如图8－31所示。它采用220V、50Hz交流电源供电，交流电经过变压器和桥堆整流稳压后变为12V和5V的直流电压。12V直流电压用于控制继电器，其中为了使输出的12V电压更稳定，电路中采用了LM7812稳压电源芯片。5V直流电压供给采集模块电路。经LM1117－3.3可将5V直流电压转换成3.3V直流电压供给CC2530最小系统。

图8－31　电源模块电路

（4）电流采集模块电路设计

电流采集模块电路如图8－32所示。采集模块是路端单灯测控器的信号采集机构，负责采集单灯的电流值。电流采集模块通过电流感应线圈获得电流感应信号，然后通过电路转换将其转换为MCU允许范围的0～3.3V的电压信号，以便MCU识别单灯是否通电及测量具体电流的大小。

图8－32　电流采集模块电路

（5）继电器控制模块电路设计

继电器控制模块电路如图8－33所示。控制模块是路端单灯测控器的执行机构，是实现单灯开启和关闭的实际执行部分。控制模块的主要部件是一个双刀双掷继电器。当P1－0口输出高电平时，继电器吸合，Out1与IN1接通，灯亮；当P1－0口输出低电平时，继电器断开，Out1与IN1不通，灯灭。

图8－33　继电器控制模块电路

2）路端通信装置的硬件设计

路端通信装置作为一个单灯网络的主控结点，是路灯网络和Internet的接口网关。路端通信装置的主控芯片采用了Philips推出的一款支持实时仿真的32位／16位的具有ARM7TDMI－S内核的微控制器LPC2368，可大大简化外围硬件电路设计，降低设计成本与复杂度。GPRS模块采用华为生产的GTM900C，它是一款双频900／1 800 MHz高度集成的GSM／GPRS模块，内嵌TCP／IP协议模块，易于集成。

路端通信装置的硬件结构如图8－34所示，该装置包括两个部分：CC2530无线通信模块和路端通信装置底板。CC2530无线通信模块主要作为路灯网络的协调器使用，它通过串口将路灯网络的数据信息传输到路端通信装置的GPRS数据收发处理模块。路端通信装置底板则用LPC2368芯片作为控制单元。

关于CC2530无线通信模块的硬件设计，在前节中已经介绍过了，在此不再赘述。本节主要介绍路端通信装置底板的硬件设计方案，主要包括：LPC2368主控芯片最小系统电路的设计、电源模块电路的设计、LPC2368外围接口电路的设计以及GTM900C外围电路的设计。

图8－34　路端通信装置硬件结构

（1）LPC2368主控芯片最小系统电路设计

LPC2368适用于为了各种目的而需要进行串行通信的应用。这些微控制器包含了10／100Ethernet MAC、USB 2.0全速接口、4个UART接口、2路CAN通道、1个SPI接口、2个同步串行端口SSP、3个内部集成电路总线（Inter－Integrated Circuit bus，I2C）接口、1个I2S接口。此外，LPC2368包含了一个高达512kB的Flash存储器系统和一个32kB大小的静态RAM存储器，它们均可用于代码或数据的存储，完全可以满足本系统的需要。

LPC2368的内核为ARM7TDMI－S处理器，它是一个通用的32位微处理器，性能优异且功耗极低。它有2个指令集：标准的32位ARM指令集和16位THUMB指令集。ARM结构是基于精简指令集计算机原理设计的，其指令集和相关的译码机制比较简单。此外，ARM7TDMI－S处理器使用流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可以连续工作，处理速度快。

图8－35所示的是LPC2368最小系统电路，它包括主控芯片、晶振电路、按键复位电路等，图中还给出了最小系统中各元件的参考值。(www.xing528.com)

LPC2368晶振电路包括主振荡器和RTC振荡器。主振荡器频率为12 MHz，它可以在不使用锁相环（Phase Locked Loop，PLL）的情况下用作CPU的时钟源。RTC振荡器的频率为32.768KHz，可用作RTC或看门狗定时器的时钟源，也可用于驱动PLL和CPU。

此外，LPC2368还包含4个复位源：RESET管脚、看门狗复位、上电复位和掉电检测电路。RESET管脚是施密特触发的输入管脚。任何复位源均可使芯片复位有效，一旦操作电压到达一个可使用的级别，则启动唤醒定时器。复位将保持有效直到外部复位被撤除，此时振荡器开始运行。看门狗复位可在软件中实现，本系统硬件中设计了按键复位电路。

调试接口采用20脚的JTAG，如图8－36所示。其中TDI为数据串行输入，TMS为模式选择信号，TCK为时钟信号，RTCK为时钟返回信号，TDO为数据串行输出，RESET为目标系统复位信号。LPC2368的软件调试与下载采用Jlink仿真器，它是SEGGER公司为支持仿真ARM内核芯片而推出的JTAG仿真器，可配合IAR EWARM，ADS，KEIL，WINARM，Real－View等集成开发环境支持所有ARM7／ARM9／Cortex－M3内核芯片的仿真、烧录。

图8－35　LPC2368最小系统电路

图8－36　JTAG调试接口

（2）电源模块电路设计

路端通信装置的电路中需要5V电源来驱动液晶和GPRS模块，3.3V电源给ZigBee协调器结点及主控芯片LPC2368供电。由于液晶和GPRS同时工作时对电源稳定性要求较高，所以采用5V开关电源输入。5V转3.3V电源芯片则采用LM1117－3.3。

电源模块电路的好坏直接影响整个系统工作的稳定性及可靠性。对于路端通信装置的电源模块，在电源引脚上接了滤波电容来提高其抗干扰性。此外，在进行PCB布线时，将滤波电容靠近所连接的电源引脚，以抑制高频噪音，降低电源波动对系统的影响。路端通信装置的电源模块电路如图8－37所示。

图8－37　电源模块电路

（3）液晶接口电路设计

液晶显示模块采用的是TOPWAY生产的LMB162NFC，它是一款16×2点阵字符型液晶，可以显示数字和英文字符。LMB162NFC本身具有字符发生器，功能十分丰富，它可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0～D7和RS、R／W、EN三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光。

该款液晶采用标准的16脚接口。V0用来调整液晶显示器的对比度。LCD－RS为寄存器选择信号线，其电平为低时选择指令寄存器，电平为高时选择数据寄存器。LCD－RW为读写信号线，其电平为低时进行写操作，电平为高时进行读操作。LCD－CS为使能端，当其引脚电平由高变低时，液晶模块执行命令。LCD－DB0～LCD－DB7为8位双向数据线。液晶接口电路如图8－38所示。

图8－38　液晶接口电路

（4）按键接口电路设计

路端通信装置的按键电路使用了5个按键，分别连接至5个I／O口，通过检测I／O口引脚是否出现低电平来判断是否有按键按下。按键接口电路如图8－39所示。平时无按键按下时，I／O口为高电平；当有按键按下时，I／O口为低电平。对于按键防抖动在嵌入式软硬件设计时均有考虑，硬件为阻容滤波。

图8－39　按键接口电路

（5）I2C接口电路设计

本系统中需要存储大量的单灯结点上传的实时状态信息，故决定采用I2C总线技术将单灯状态信息存储于EEPROM中。I2C总线是由Philips公司开发的两线式串行总线，它是同步通信的一种特殊形式，具有控制方式简单，接口线少，通信速率较高等优点，主要用于连接微控制器及其外围设备。

EEPROM存储芯片使用ATMEL生产的256kbit串行电可擦的可编程只读存储器AT24C256，它采用8引脚双排式封装，具有结构紧凑、存储容量大等特点。AT24C256具有如下特点：

①三种工作电压：5.0V（4.5～5.5V），2.7V（2.7～5.5V），1.8V（1.8～3.6V）；

②内部可以组织成32k×8bit的存储单元；

③采用2线串行接口；

④符合双向数据传送协议；

⑤可以进行硬件写保护操作；

⑥具有64字节的页写模式。

I2C模块AT24C256的接口电路如图8－40所示。

图8－40　I2C接口电路

（6）GPRS接口电路设计

GPRS模块采用华为GTM900C无线模块，它是一款三频段的GSM／GPRS无线模块，支持标准的AT命令及增强AT命令。外部CPU使用AT命令集通过UART串口控制GTM900C，从而实现远程无线通信、音频处理等功能。

GTM900C的接口包括天线和信号连接器。信号连接器有40个引脚，结合城市照明监控系统对GPRS的通信需求，需使用到的GPRS模块接口引脚如图8－41所示，采用标准SIM卡的六脚接口。信号连接器中Vbatt＋是电源模块的正电压，GND为电源模块的地。SYNC接口作为GTM900C模块的状态输出信号，将该引脚连接到LED指示灯上，通过LED灯的状态可以判断GTM900C模块此时的工作状态。1GT为输入信号接口，可以通过该引脚来控制GTM900C的开机和关机。RXD1和TXD1为串口信号接口，可以通过这个接口发送命令给GTM900C控制其工作，该接口外接3.3V的TTL电平。RTS1信号为输入接口，外界可以通过控制该引脚来复位GTM900C模块。该引脚平时为高电平，当将引脚拉低一段时间（超过10ms）后，GTM900C模块将复位。

布线时要注意SIM卡模块和GTM900C模块尽量靠近，因为SIM卡模块属于较高频的电路，走线时两个部分要比较近，这样干扰较小，提高了稳定性。

图8－41　GTM900C模块接口电路