無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸電路的設(shè)計(jì)

陳 紅 李 瑋

摘 要:無線多傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由探測單元和指揮中心組成。該系統(tǒng)中,圖像無線傳輸?shù)难芯渴且粋€很重要的部分,對圖像無線傳輸系統(tǒng)的硬件軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),主要包括無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及其接口設(shè)計(jì)等。根據(jù)系統(tǒng)的需要,在無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)方面構(gòu)建了單片機(jī)控制下的調(diào)制解調(diào)器模塊、調(diào)制解調(diào)器與PC機(jī)的接口模塊等。

關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);調(diào)制解調(diào);圖像傳輸;單片機(jī)

中圖分類號:TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-076-03

Design of Transmission Circuit on Wireless Sensor Network System

CHEN Hong1,LI Wei2

(1.Nanjing College of Information Technology, Nanjing,210046,China;2.Jiangsu Provincial Electric Power Test Research Institute Company, Nanjing,210036,China)

Abstract:Wireless multi-sensor network system is composed of command center and lots of detection units.It mainly includes the following items: design of the data communication by wireless channel,design of the image sampling system and design of different units developed to system including the modem and unit of radio interface.According to the system requirement,the research has constructed under the monolithic integrated circuit control modem module,the modem and the wireless military station′s interface module in the wireless data transmission system aspect.

Keywords:wireless multi-sensor network;modem;image transmission;single chip computer

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是一種RGS系統(tǒng)(遠(yuǎn)程地面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)),它是一種利用多種傳感器作為綜合情報(bào)采集元件,進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、編碼等處理后,發(fā)送給指揮中心,處理還原后在監(jiān)控平臺顯示出來的探測系統(tǒng)。它集傳感器技術(shù)、圖像探測技術(shù)、震動探測技術(shù)、聲音探測技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)字編碼壓縮技術(shù)、信息融合技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體,是由多種高新技術(shù)集成的綜合性技術(shù)[1,2]。無線多傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:

(1) 系統(tǒng)前端傳感器[3]及GPS模塊——信號采集部分:主要是由圖像、聲音、震動以及紅外傳感器組成的探測單元和GPS模塊構(gòu)成,負(fù)責(zé)完成戰(zhàn)場信息監(jiān)測任務(wù)。

(2) 信息傳輸部分:主要負(fù)責(zé)將采集到的信息壓縮編碼和進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線傳輸。

(3) 指揮中心測控平臺部分:主要完成對監(jiān)測單元的遠(yuǎn)程控制及信號接收任務(wù),并對搜集到的各種信息進(jìn)行融合處理、分析。將處理結(jié)果提供給指揮中心人員,使他們能及時準(zhǔn)確地把握戰(zhàn)場態(tài)勢,做出相應(yīng)的決策。本文主要是對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中圖像傳輸系統(tǒng)[4]的硬件設(shè)計(jì)與軟件編程的思想。

1 發(fā)射端調(diào)制解調(diào)器硬件電路設(shè)計(jì)和工作原理

調(diào)制解調(diào)器硬件電路在發(fā)射方和接收方,由于所需完成的任務(wù)不同,實(shí)際上是不一樣的。發(fā)射方調(diào)制解調(diào)器電路原理圖如圖1所示。

系統(tǒng)使用+5 V的電源由無線電臺的電池變換后供給。MSM7512B[5]使用專用的3.579 545 MHz的晶體,由于其內(nèi)部有接地電容,不用外接補(bǔ)償元件;單片機(jī)使用頻率為11.059 2 MHz的晶體,主要是為了在波特率設(shè)置時,可以取得準(zhǔn)確的波特率,能有效避免定時器工作產(chǎn)生的積累誤差,外接的補(bǔ)償元件是二個30 pF電容。為了防止單片機(jī)程序運(yùn)行時的誤操作,應(yīng)將單片機(jī)EA/VPP端(31腳)置高電平,確保單片機(jī)訪問內(nèi)部的程序存儲器。由于調(diào)制解調(diào)芯片MSM75l2B和單片機(jī)W77E58都支持TTL電平,所以單片機(jī)的第一串行通信口TXD,RXD可以直接與MSM75125B的XD和RD相連;單片機(jī)的P1.0,P1.1分別連接MSM7512B的MOD2和MOD1,按通信的要求,在收發(fā)之間轉(zhuǎn)換,以控制調(diào)制解調(diào)芯片的工作狀態(tài);P1.4則控制無線電臺收/發(fā)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換(PTT)。MSM75125B的AO和AI分別通過接口電路與無線電臺的送/受話器相連。作為系統(tǒng)外部監(jiān)視的顯示電路全部由發(fā)光二極管和電阻構(gòu)成,其中紅色發(fā)光二極管D1為電源指示,

亮則表示系統(tǒng)的初始化過程正確;黃色發(fā)光二極管D2為發(fā)送正確指示,系統(tǒng)每正確完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù),它應(yīng)閃爍一次; D3為載波檢測指示,如果亮則表示調(diào)制解調(diào)器檢測到了信道中的有效載波信號;D4為數(shù)據(jù)傳輸指示,系統(tǒng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時它就開始閃爍,直至數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。如果前端傳感器有數(shù)據(jù)需要傳送時,產(chǎn)生一個下降沿脈沖,觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷INT0(P3.2),單片機(jī)響應(yīng)中斷后,將前方來的8位并行數(shù)據(jù)由P2口(P2.0～P2.5)讀入,由于P2口內(nèi)部有上拉電阻,因此作為輸入口時,可用TTL或MOS電路驅(qū)動,而不要外加上拉電阻。W77E58的串行通信口2可留作系統(tǒng)的擴(kuò)展口備用。

2 接收方調(diào)制解調(diào)器與單片機(jī)的接口電路

接收方調(diào)制解調(diào)器電路與戰(zhàn)場傳感器方調(diào)制解調(diào)器電路在單片機(jī)和調(diào)制解調(diào)芯片的使用[6]和控制是一樣的。所不同的是:單片機(jī)的第二串行口通過電平轉(zhuǎn)換電路與計(jì)算機(jī)的RS 232C口相連,把接收到的數(shù)字信號傳送給微機(jī)。接收方調(diào)制解調(diào)器與單片機(jī)的接口電路[7]如圖2所示。發(fā)光二極管顯示電路作用也不完全相同,其中D1～D8為接收數(shù)據(jù)顯示,它能把正確接收的數(shù)據(jù)以二進(jìn)數(shù)的形式顯示出來,D9為系統(tǒng)的電源指示,D10為發(fā)送正確指示,D11為載波檢測指示,D12為數(shù)據(jù)傳送指示。

圖2 接收方調(diào)制解調(diào)器與單片機(jī)的接口電路

3 調(diào)制解調(diào)器與PC機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)

調(diào)制解調(diào)器與PC機(jī)接口實(shí)際上也就是調(diào)制解調(diào)器中單片機(jī)W77E58與PC機(jī)的接口電路,W77E58支持TTL電平,而微機(jī)串行通信口RS 232C支持EIA電平,因此在實(shí)現(xiàn)它們之間的串行通信時,必須設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路,以滿足它們各自的需要。

電平轉(zhuǎn)換電路是指揮中心方調(diào)制解調(diào)器與微機(jī)的接口電路,它也是數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)硬件電路(指揮中心方)的一個組成部分。其工作過程如下:由調(diào)制解調(diào)器解調(diào)出來的數(shù)字信號[8],由單片機(jī)處理后,從W77E58的串行通信口2,經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232、PC機(jī)的RS 232C口(DB9)和微機(jī)內(nèi)部的UART,最后傳遞給CPU,在監(jiān)控平臺上顯示出來。其電路原理圖如圖3所示。

4 圖像無線傳輸軟件設(shè)計(jì)

程序共分五個部分,三個主程序?yàn)?發(fā)送方單片機(jī)程序、接收方單片機(jī)程序和微機(jī)接收程序;兩個子程序?yàn)?差錯處理子程序、發(fā)送延時子程序。

收、發(fā)雙方及單片機(jī)與PC機(jī)之間的聯(lián)絡(luò)均采用軟件“握手”信號聯(lián)絡(luò)。所有聯(lián)絡(luò)“握手”信號均為#0AAH,接收正確后應(yīng)答信號為#00H,接收錯誤則應(yīng)答為#0FFH。

傳感器一方在無數(shù)據(jù)需要傳輸時,通過單片機(jī)的編程控制使MSM7512B工作在省電模式,此時調(diào)制解調(diào)芯片(不含W77E58)的功耗僅為0.1 mW,可以最大限度地延長電池的使用時間。

單片機(jī)與MSM7512B的邏輯控制關(guān)系:P1.0→MOD2,P1.1→MOD1,P1.5→AOG,另外P1.4→電臺PTT,單片機(jī)控制MSM7512B和電臺進(jìn)行收、發(fā)轉(zhuǎn)換。前端傳感器有數(shù)據(jù)傳輸時,產(chǎn)生一個下降沿的脈沖信號啟動整個系統(tǒng)的程序運(yùn)行,數(shù)據(jù)傳輸完畢后,系統(tǒng)返回初始狀態(tài)。單片機(jī)的P1.5口控制選擇MSM7512B的的輸出電平。

設(shè)定單片機(jī)的2個串行口都工作于串行口工作方式1;定時器T1工作于方式2(自動重裝初值)[9],作波特率發(fā)生器,通過調(diào)整T1的初裝值,用來選擇1 200 b/s,600 b/s和300 b/s三種速率;定時器T2工作于方式1,作定時器,用來設(shè)計(jì)安排延時。

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,為了減少電臺靈敏度不高和信道質(zhì)量差誤碼等影響,發(fā)送方需連續(xù)發(fā)5次“握手”聯(lián)絡(luò)信號,接收方在連續(xù)2次收到正確的聯(lián)絡(luò)信號以后,才確認(rèn)是有效的聯(lián)絡(luò)予以響應(yīng),否則認(rèn)為是干擾信號,不予以響應(yīng)。這樣既能減少各類原因造成的接收機(jī)程序不啟動運(yùn)行導(dǎo)致漏報(bào)的可能性,又能保證接收機(jī)不因干擾信號而誤操作,減少誤報(bào)的機(jī)率。另外綜合考慮電臺的收發(fā)轉(zhuǎn)換和調(diào)制解調(diào)芯片的收發(fā)轉(zhuǎn)化所需的各類延時時間,在設(shè)計(jì)程序時專門安排了一個延時時間。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn),得出一個比較合適的延時時間,即不論通信哪一方,在由收轉(zhuǎn)為發(fā)狀態(tài)后,都先延時70 ms,因?yàn)闀r間太短了系統(tǒng)不能正常工作,太長了可能會影響數(shù)據(jù)的傳輸速率,降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r性。系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)射端和接收端單片機(jī)程序流程圖如圖4所示。

5 結(jié) 語

通過對MSM7512B調(diào)制解調(diào)芯片性能特點(diǎn)的了解,設(shè)計(jì)出了發(fā)射端和接收端調(diào)制解調(diào)器的實(shí)際電路,然后簡單介紹了具有雙串口功能的單片機(jī)W77E58的性能特點(diǎn)后,給出了數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)的接收方單片機(jī)與PC機(jī)之間串行通信的硬件電路圖,并描述了Modem與電臺接口電路的設(shè)計(jì)過程,最后敘述了整個系統(tǒng)單片機(jī)軟件的特點(diǎn)。從整體上給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理圖。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、微電子制造技術(shù)、軟件編程技術(shù)等領(lǐng)域,具有跨學(xué)科的特點(diǎn),在軍事、民防、環(huán)境、生態(tài)、農(nóng)業(yè)、健康、家庭和其他領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景,在空間探索和災(zāi)難救助等特殊領(lǐng)域,傳感器網(wǎng)絡(luò)業(yè)有其得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1]紀(jì)陽,張平.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)[J].中興通訊技術(shù),2005(4):32-35.

[2]盛敏,田野,李建東.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與自組織網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀[J].中興通訊技術(shù),2005(4):24-27.

[3]王家楨,王俊杰.傳感器技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1996.

[4]畢厚杰.圖像通信工程[M].北京:人民郵電出版社,1995.

[5]陸賽珍.無線數(shù)據(jù)通信中調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)與發(fā)展,1991(3):40-43.

[6]李鍵,王立寧.803l單片機(jī)控制調(diào)制解調(diào)器遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,1999(5):37-39.

[7]黃宜適.單片F(xiàn)SK調(diào)制解調(diào)芯片MSM7512B及其應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,1998(9):4-7.

[8]馬光星.調(diào)制解調(diào)器與傳輸信道的關(guān)系[J].現(xiàn)代電信科技,1994(2):28-32.

[9]付曉光.單片機(jī)原理與實(shí)用技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

作者簡介 陳 紅 女,山東鄆城人,碩士研究生,助教。主要研究方向?yàn)楣怆娮蛹夹g(shù),電子通信。