一種低成本無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

劉成巖，孫晶華

(哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

目前有多種可供選擇的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方案，如ZigBee，其具有功耗低、傳輸速率高、體積小、協(xié)議成熟、節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)同工作等特點(diǎn)。但ZigBee由于采用國(guó)外技術(shù)，其芯片價(jià)格高，限制了它的普及應(yīng)用。PT2262/PT2272系列編解碼芯片是一種采用CMOS工藝、低功耗、低價(jià)位芯片，在遙控門(mén)、防盜、玩具等產(chǎn)品中大量使用，但其在數(shù)據(jù)傳輸、安全性等方面有所不足。本文利用PIC16LF876單片機(jī)模仿PT2262編碼方式，并進(jìn)行了改進(jìn)，配合433 MHz高頻發(fā)射電路，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸組網(wǎng)。傳感器選用具有數(shù)字I2C接口的雙軸加速度傳感器MX6202，可以無(wú)線(xiàn)采集加速度、傾斜角數(shù)值，具有接口簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)部分均選用低電壓器件，實(shí)現(xiàn)了單節(jié)鋰電池供電。特別適合網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量龐大、對(duì)成本敏感(如家居、防盜、物聯(lián)網(wǎng)等)場(chǎng)合的應(yīng)用。

1 無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)兩部分。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)接收各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，匯總處理后經(jīng)GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)通知用戶(hù)。本文重點(diǎn)介紹傳感器節(jié)點(diǎn)，給出了軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)組成如圖1所示。其中無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)中的虛線(xiàn)框?yàn)閿U(kuò)展部分，F(xiàn)05V與J05U為微型433M發(fā)射接收模塊；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)部分負(fù)責(zé)匯總節(jié)點(diǎn)信息與外界通信，采用EM310模塊，GSM/GPRS傳輸。

傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星形連接方式，由各無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)組成。在大部分場(chǎng)合下(如防盜、環(huán)境監(jiān)測(cè)等)可以采用單向通信方式，即節(jié)點(diǎn)發(fā)射、網(wǎng)關(guān)接收，這樣，圖1中的虛線(xiàn)部中的節(jié)點(diǎn)的超外差接收電路、網(wǎng)關(guān)的RF發(fā)射電路即可以省去。當(dāng)需要實(shí)時(shí)采集、強(qiáng)調(diào)同步性時(shí)，加上虛線(xiàn)框內(nèi)部分，由網(wǎng)關(guān)集中控制各節(jié)點(diǎn)動(dòng)作，通過(guò)發(fā)采集或變更工作模式指令，控制各節(jié)點(diǎn)，采用雙向通信方案。本文介紹的為單向通信方案。

傳感器節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)的重要部分，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)采集工作，其工作穩(wěn)定與否對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有至關(guān)重要的作用。而當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，它的成本占系統(tǒng)的絕大部分。有許多節(jié)點(diǎn)需要獨(dú)立在室外工作并由電池供電，對(duì)能耗有較高的要求。為此，本設(shè)計(jì)通過(guò)PIC單片機(jī)模擬PT2262芯片編碼，對(duì)433MHz高頻電路完成鍵控調(diào)制(ASK)，省去了無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，實(shí)現(xiàn)了通用MCU+傳感器的節(jié)點(diǎn)方案，大大降低了系統(tǒng)成本。采用的PIC超低功耗MCU，具有與MSP430相似的節(jié)能特性，選用低電壓RF模塊F05V，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的3.3 V供電。

2 無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

表1 無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)方案比較

無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)是本文的重點(diǎn)部分，需要滿(mǎn)足低成本、低功耗、小體積、適合電池供電等要求。無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)方案比較如表1所示。

(1)本節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)所用器件及其性能：選用的PIC16LF876單片機(jī)，其性?xún)r(jià)比較高、外設(shè)豐富、工作穩(wěn)定，具有針對(duì)電池供電的低功耗系列；最高速率為4 MIPS，工作電壓為 2～5.5 V，22個(gè) I/O口，片上集成有 WDT、CCP、PWM、A/D 等 外 設(shè)，14 KB Flash，368 bit RAM、256 bit EEPROM，具有休眠省電模式。PIC16系列單片機(jī)不同型號(hào)之間大部分可兼容，可以根據(jù)需要，選用價(jià)格更低的PIC16F72或采用納瓦(nW)及超低功耗技術(shù)的PIC16F723，程序稍作改動(dòng)，器件即可封裝兼容。

(2)加速度傳感器選用數(shù)字I2C接口的雙軸加速度傳感器MXC6202，其具有±2 g的測(cè)量范圍，可以測(cè)量重力加速度，小體積、低功耗、接口簡(jiǎn)單，工作電壓范圍為2.7～3.6 V，有休眠模式，在保證低價(jià)格、小體積的同時(shí)，可以滿(mǎn)足防盜、人體姿態(tài)測(cè)量等應(yīng)用的需求。

(3)RF電路采用F05V微型發(fā)射模塊，具有2.1～3.5 V的低電壓、低功耗(10 mA，連發(fā))及1～10 kb/s的傳輸速率，可以滿(mǎn)足監(jiān)控等場(chǎng)合數(shù)據(jù)采集的需要。小體積、低價(jià)位，只有正電源、地、數(shù)據(jù)輸入、天線(xiàn)(天線(xiàn)按照手冊(cè)由導(dǎo)線(xiàn)繞制而成)輸出4個(gè)接口，可以像一個(gè)三極管一樣使用它。

(4)網(wǎng)關(guān)配套的接收電路是J05U超外差接收模塊，具有與F05V類(lèi)似的特點(diǎn)。使用PT2262/PT2272編解碼方案，開(kāi)闊地接收距離在300 m左右。

(5)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)采用的是電池供電的方式，因此，電池的好壞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作持久性有重要影響。本設(shè)計(jì)采用的是非充電性18650高容量鋰電池，電壓為3.7 V，容量在1 700 mah以上，具有涓流放電、電壓恒定等特點(diǎn)。經(jīng)肖特基二極管降壓后得到約3.3 V電壓為系統(tǒng)供電。

節(jié)點(diǎn)的硬件原理圖如圖2所示。

圖2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)原理圖

圖2中右上角是PT2262的管腳圖可以看出，PIC16F876單片機(jī)保留了PT2262的8 bit地址腳，4 bit數(shù)據(jù)腳。這樣做是為了增加系統(tǒng)靈活性，將節(jié)點(diǎn)模塊從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，只需變更三態(tài)編碼開(kāi)關(guān)A0～A7，就可將其設(shè)置成與欲轉(zhuǎn)入網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的地址 (6 561種)。4 bit數(shù)據(jù)口 D1～D4采用 2 bit撥碼開(kāi)關(guān)，為傳感器編號(hào)，這相當(dāng)于節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的ID(16種)。

圖2中右下角為加速度傳感器 MXC6202、I2C接口。X、Y軸加速度值各為12精度?？梢钥吹皆搨鞲衅鹘涌诤?jiǎn)單，沒(méi)有地址編碼腳，因地址在出廠前已確定，一路I2C總線(xiàn)只能有一片MXC6202。PIC16單片機(jī)集成了一路I2C接口，但為了以后擴(kuò)展多路加速度傳感器，采用軟件模擬的辦法， 用 RC4、RC5、RC6、RC7 4個(gè) I/O口模擬了兩路I2C接口電路。此外，I2C接口類(lèi)傳感器還帶有溫濕度傳感器STH1X、雙軸磁場(chǎng)傳感器MMC212X等，只要稍微更改程序，就可以擴(kuò)展到本系統(tǒng)上。

2.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)主要有兩個(gè)任務(wù)：模擬PT2262波形對(duì)高頻電路進(jìn)行ASK調(diào)制，模擬I2C總線(xiàn)讀寫(xiě)MXC6202。

要想讓軟件模擬一個(gè)硬件電路，必須掌握硬件電路的工作原理：PT2262是紅外遙控編碼器，PT2272是其接收解碼器，兩者常常配對(duì)使用。發(fā)射端PT2262共有12個(gè)地址端，發(fā)射的每一組數(shù)據(jù)都由12 bit脈沖組成，順序是從A0～A11，每個(gè)地址端有三種接法[1]。常見(jiàn)的是用其中 8 bit(A0～A7)作為地址編碼，其余 4 bit(D1～D3)作為數(shù)據(jù)編碼，外加1 bit同步碼，每組至少發(fā)送4次。接收端PT2272舍棄第一組，當(dāng)連續(xù)得到兩組與本身地址一樣的信號(hào)時(shí)，則解碼。參考文獻(xiàn)[1-2]分別介紹了單片機(jī)模仿PT2262的編碼方法和PT2272的解碼方法。

由于需要傳輸X、Y兩個(gè)軸各 12 bit加速度值，因此，每幀36 bit數(shù)據(jù)，幀間加1 bit同步碼，傳輸4次。單片機(jī)編碼方案如圖3所示。必須注意的是，由于高頻發(fā)射具有隨機(jī)性，在不發(fā)射時(shí)表現(xiàn)為白噪聲，因此解碼時(shí)應(yīng)舍棄第一幀數(shù)據(jù)，從第二幀開(kāi)始解碼。

圖3 單片機(jī)編碼方案

傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位格式分為：高電平(11)、低電平(00)、高阻態(tài)(01)三種，0、1由高低電平的占空比決定。軟件中設(shè) 200 μs、600 μs兩個(gè)延時(shí)函數(shù)。 單片機(jī)調(diào)用這兩個(gè)延時(shí)函數(shù)，在RA1管腳上輸出相應(yīng)的高低電平就能夠模擬出這三種狀態(tài)數(shù)值，從而完成單位數(shù)據(jù)的ASK調(diào)制。

單片機(jī)在發(fā)射前首先讀入預(yù)先設(shè)定的A0～A7 8 bit三態(tài)地址，D1～D4 4 bit節(jié)點(diǎn)網(wǎng)內(nèi)ID，再加上加速度傳感器X、Y軸的各12 bit加速度值，共36 bit數(shù)據(jù)，按圖3的格式依次發(fā)送出去，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。每幀數(shù)據(jù)傳輸4次，每幀之間由大約10 ms的幀間碼隔開(kāi)，幀間碼由一個(gè) 200 μs高電平與 10 ms的低電平組成，發(fā)送一次數(shù)據(jù)的時(shí)間約為200 ms，這樣1 s內(nèi)最多可傳送5次數(shù)據(jù)，在大多數(shù)場(chǎng)合是可以滿(mǎn)足要求的。為了節(jié)省能耗，可以根據(jù)需要選擇發(fā)射速率，在不發(fā)射時(shí)，應(yīng)使單片機(jī)、F05V、加速度傳感器處于休眠狀態(tài)。處于休眠狀態(tài)的PIC單片機(jī)可以使用看門(mén)狗等方式喚醒。用超外差接收模塊J05U接收，可以在300 m的開(kāi)闊地傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)需要較高的數(shù)據(jù)傳輸速率時(shí)，應(yīng)縮短寬窄脈沖時(shí)間長(zhǎng)度。但需要注意的是，當(dāng)脈沖寬度減少時(shí)，發(fā)射功率也同時(shí)減少。因距離與速度是矛盾的關(guān)系，當(dāng)發(fā)射功率超過(guò)20 Hz時(shí)，建議使用專(zhuān)用RF芯片。

MXC6202在使用中作為從器件，PIC單片機(jī)只要按照標(biāo)準(zhǔn)I2C時(shí)序控制MXC6202即可。參考文獻(xiàn)[3]介紹了利用單片機(jī)的普通I/O口模擬I2C總線(xiàn)的方法。MXC6202的地址在出廠時(shí)已經(jīng)確定了，共8種，在一路I2C總線(xiàn)上只能掛一個(gè)加速度傳感器。當(dāng)需要兩個(gè)MXC6202測(cè)三軸加速度時(shí)，需要占兩路獨(dú)立的總線(xiàn)。為此，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)I2C時(shí)序，模擬了兩路I2C總線(xiàn)，以?xún)陕费h(huán)采集。MXC6202示例驅(qū)動(dòng)程序如下：

測(cè)斜度時(shí)，采用查表與計(jì)算相結(jié)合的方法 (器件手冊(cè)中給出了參考方法)。單片機(jī)模擬的波形如圖4所示。圖4(a)是單片機(jī)RA1口模擬PT2262發(fā)出的一串?dāng)?shù)列。圖4(b)是從MXC6202器件中讀出的一幀數(shù)據(jù)，為便于觀察，將兩組波形重疊在一起，高的為總線(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)信號(hào)，低的為總線(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)。

圖4 單片機(jī)模擬的波形

3 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)由主控單片機(jī)、GSM模塊和超外差接收模塊J05U等組成，負(fù)責(zé)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理與控制，接收節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)并在必要時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)等方式告知用戶(hù)。網(wǎng)關(guān)選用PIC18F6621單片機(jī)，GSM模塊選用的是EM310模塊。網(wǎng)關(guān)主要部分原理圖如圖5所示。

PIC18F6621單片機(jī)有：兩個(gè)串口，使用串口2與EM310通信，串口 1用于外部接口，如作為 GPRS DTU、連接上位機(jī)、串口攝像頭等；傳送速率最高為 10 MIPS；4 KB RAM、64 KB Flash；內(nèi)部集成有 AD、WDT等外設(shè)。

EM310的1～6管腳與SIM卡電路連接。PIC18F6621有55個(gè)IO口，空余的I/O口可以接1602液晶進(jìn)行顯示。DS12C887時(shí)鐘芯片作為整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)基。需要注意的是，EM310在接通網(wǎng)絡(luò)的瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)接近2 A的峰值電流，因此電源部分需有冗余，因此推薦使用開(kāi)關(guān)電源。

網(wǎng)關(guān)的功能主要有三個(gè)：對(duì)接收到的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、判斷是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的信號(hào)及是否需要報(bào)警、控制EM310向設(shè)定手機(jī)發(fā)送短信及撥打電話(huà)等。

解碼是編碼的逆過(guò)程，關(guān)鍵是將發(fā)射節(jié)點(diǎn)編碼的600 μs、200 μs寬窄脈沖正確識(shí)別。 當(dāng)單片機(jī)偵聽(tīng)到開(kāi)始碼 (即連接J05U模塊的DATA引腳RD0產(chǎn)生第一個(gè)上升沿)時(shí)，開(kāi)始分析數(shù)據(jù)，舍棄第一幀數(shù)據(jù)，對(duì)第二幀、第三幀、第四幀進(jìn)行解碼。利用PIC單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器0計(jì)時(shí)，當(dāng)有電平高低變化時(shí)，記錄下TMR0數(shù)值，并清零，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。這樣可以把每一個(gè)高低電平寬度記錄下來(lái)； 然后比較解碼，180 μs～250 μs之間為窄脈沖，550 μs～650 μs之間為寬脈沖； 并將數(shù)據(jù)幀中的前 8個(gè)數(shù)據(jù)與EEPROM中預(yù)存的地址碼進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)有兩次相同時(shí)即表明正確解碼，將節(jié)點(diǎn)ID 4 bit數(shù)值，X、Y軸各12 bit數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來(lái)并進(jìn)行處理。

EM310是一款兼容型GSM/GPRS通信模塊，硬件兼容MC55，廣泛用于數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程測(cè)試等；內(nèi)嵌 TCP/IP協(xié)議，具有低價(jià)位、使用方便的特點(diǎn)。選用該模塊是為了方便系統(tǒng)GPRS功能擴(kuò)展 (如加接串口攝像頭實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)攝像、傳輸視頻等功能)。EM310進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)(尤其是進(jìn)行GPRS傳輸時(shí))，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)2 A左右的尖峰電流，因此網(wǎng)關(guān)供電需要采用2 A以上的電源(如開(kāi)關(guān)電源等)。EM310的所有命令、數(shù)據(jù)傳輸均通過(guò)串口，支持最高波特率為115 200 b/s，數(shù)據(jù)包包長(zhǎng)可以達(dá)到 2 KB，可以傳輸圖像數(shù)據(jù)，便于系統(tǒng)以后擴(kuò)展圖像監(jiān)控功能。

圖5 網(wǎng)關(guān)主要部分原理圖

EM310與PIC18F6621之間接口非常簡(jiǎn)單，只占用RX、TX、GND三根線(xiàn)，采用AT指令進(jìn)行通信，除個(gè)別指令外，每條指令均以回車(chē)符作為結(jié)束標(biāo)志。本設(shè)計(jì)中用到了發(fā)送短信與撥打電話(huà)功能。發(fā)送短信AT指令為：at+cmgs="139XXXXXXXX" ，在 EM310應(yīng)答后，發(fā)送短信內(nèi)容，并以“0x1A”結(jié)束短信內(nèi)容。撥打電話(huà)AT指令如下：ATD139XXXXXXXX； ，其中“139XXXXXXXX”為預(yù)先設(shè)定的用戶(hù)手機(jī)號(hào)碼。

本文提出了一種低成本的無(wú)線(xiàn)加速度傳感器方案，采用通用單片機(jī)模仿成熟的編解碼方案，降低了開(kāi)發(fā)難度與風(fēng)險(xiǎn)，有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，適合對(duì)成本敏感、而對(duì)速度要求不高的場(chǎng)合，如工地器材防盜、智能家居網(wǎng)絡(luò)等。節(jié)點(diǎn)選用的芯片均為低功耗芯片，采用大容量鋰電池就可以使節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期工作。I2C接口的傳感器種類(lèi)有很多，更換傳感器就可以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布檢測(cè)、糧食倉(cāng)庫(kù)溫濕度檢測(cè)等，而且PIC單片機(jī)內(nèi)集成有A/D，也可以與其他模擬輸出的傳感器結(jié)合，因此本方案有通用性。使用GPRS網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)試。

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