實(shí)驗(yàn)室無線環(huán)境監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)

葉 青 錢衛(wèi)飛

(浙江樂清市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院，樂清 325604)

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實(shí)驗(yàn)室無線環(huán)境監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)

葉 青 錢衛(wèi)飛

(浙江樂清市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院，樂清 325604)

本文設(shè)計(jì)一個無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，控制實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度、光照以及完成對用電總電源的控制。系統(tǒng)由控制探測節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測終端兩部分構(gòu)成，控制節(jié)點(diǎn)完成對環(huán)境溫度、濕度、光照的采集與處理，適時向終端盒鄰近節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，終端完成命令的輸入和發(fā)布、探測信息的處理和顯示。同時監(jiān)測終端可以設(shè)置用電總電源的開啟和關(guān)閉時間。

無線環(huán)境檢測；探測節(jié)點(diǎn)；監(jiān)測終端

0 引言

隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)的發(fā)展，對實(shí)驗(yàn)室的要求越來越高，特別是溫度和濕度，直接影響檢測結(jié)果的正確性和準(zhǔn)確性。檢測結(jié)果需要復(fù)現(xiàn)性，就必須對檢測環(huán)境條件進(jìn)行智能化的記錄，需要一個智能化的系統(tǒng)來代替人工作業(yè)。針對高科技的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)了一套無線環(huán)境監(jiān)測裝置，完成實(shí)驗(yàn)室智能化的控制和科學(xué)化管理。

1 裝置總體方案

本裝置由一個監(jiān)測終端和可擴(kuò)展的不多于255個探測節(jié)點(diǎn)組成。監(jiān)控終端組成框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)控終端框圖

1)監(jiān)控終端以AT89S51為控制核心，F(xiàn)PGA用做發(fā)送接收數(shù)據(jù)的處理，當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，單片機(jī)通過普通I/O口發(fā)送8個字節(jié)的指令數(shù)據(jù)至FPGA系統(tǒng)，經(jīng)卷積編碼和交織編碼后，數(shù)據(jù)進(jìn)入FSK調(diào)制電路進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制器由三極管和晶振組成的皮爾斯晶體震蕩電路來產(chǎn)生10.7MHz載波信號，并通過控制變?nèi)荻O管的偏壓完成FSK調(diào)制，信號經(jīng)過一級放大后由射頻開關(guān)選擇發(fā)送通道由線圈發(fā)送出去。當(dāng)需要接受數(shù)據(jù)時，射頻開關(guān)切換到接收通道，信號通過線圈耦合，經(jīng)小信號放大，由FSK解調(diào)芯片MC3362完成信號解調(diào)。然后，將得到的數(shù)據(jù)送至FPGA，完成數(shù)據(jù)解幀和糾錯，最后送到單片機(jī)處理并顯示。由于使用了FPGA對數(shù)據(jù)進(jìn)行了卷積編解碼，在很大程度上降低了誤碼率，靈活度也得到了提高，一定程度上也降低了發(fā)射端的功率，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。顯示采用12864點(diǎn)陣型液晶。鍵盤可以寫入總電源的開啟和關(guān)閉的時間，通過單片機(jī)系統(tǒng)控制繼電器斷開和吸合，從而完成對總電源的控制。同時可以設(shè)置環(huán)境溫濕度的極限條件，超過時可以發(fā)出報警信號。

2)探測節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)類似(框圖省略)，使用同樣的發(fā)射和解調(diào)電路以及FPGA數(shù)據(jù)解碼電路。主要區(qū)別是探測節(jié)點(diǎn)包含預(yù)置地址接口、溫濕度測量電路、光照探測電路和電池測量電路以及一個數(shù)字小鍵盤。為降低功耗，探測節(jié)點(diǎn)使用低電壓低功耗單片機(jī)STC89LE52。

2 理論分析與電路設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射電路分析與設(shè)計(jì)

各探測節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測終端的發(fā)射電路可采用相同的電路結(jié)構(gòu)。發(fā)射電路框圖如圖2所示。

圖2 發(fā)射電路框圖

常用的數(shù)字調(diào)制方式主要有ASK、FSK和PSK。相比而言頻移鍵控(FSK)調(diào)制解調(diào)，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，低功耗，而且抗噪聲和抗衰落性能好，穩(wěn)定可靠。

本設(shè)計(jì)采用皮爾斯晶體震蕩電路。電路簡單調(diào)試方便，采用10.7MHz的晶振產(chǎn)生載波，將變?nèi)荻O管和石英晶體并聯(lián)后，接入震蕩回路構(gòu)成調(diào)頻振蕩器，控制變?nèi)荻O管偏壓實(shí)現(xiàn)調(diào)制。由于采用石英晶體，其頻率穩(wěn)定性很高，但由于石英晶體的感性區(qū)很小，調(diào)制的頻偏比較小，接收端的靈敏度要求較高。采用本電路的最大優(yōu)點(diǎn)在于功耗小，本設(shè)計(jì)最后測試整個發(fā)射部分電流僅為2.3mA。

2.2 接收電路分析與設(shè)計(jì)

各探測節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測終端的接收電路可采用相同的電路結(jié)構(gòu)。接收電路框圖如圖3所示。

圖3 接收電路框圖

本設(shè)計(jì)采用MC3362窄帶調(diào)頻接收專用芯片，芯片包含載波檢測電路和用于FSK檢測的比較器，非常適用于本設(shè)計(jì)，且在3V供電典型的工作電流僅為3.4mA。實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)閷l(fā)射頻率定在10.7MHz，所以，將接收放大的10.7MHz信號作為射頻信號直接輸入第二混頻輸入端，完成455kHz中頻變頻和鑒頻。為了提高輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，不采用MC3362自帶的過零比較器，將鑒頻輸出通過外部可調(diào)比較電壓的LMV358比較輸出數(shù)據(jù)。

由于檢波出來的信號較弱，需經(jīng)低頻放大以后才能進(jìn)行比較判斷。因此，解調(diào)電路部分應(yīng)包括檢波器、低頻放大器和脈沖整形電路。解調(diào)出來的數(shù)據(jù)信號送單片機(jī)進(jìn)行處理。

2.3 通信協(xié)議分析

2.3.1 數(shù)據(jù)包格式

本設(shè)計(jì)的信令和數(shù)據(jù)包由導(dǎo)前碼DQ(2)、同步碼WS(2)、本機(jī)地址碼DZ(2)、轉(zhuǎn)發(fā)地址碼ZF(2)、數(shù)據(jù)包DIGI(2)、校驗(yàn)碼CHECK(2)和導(dǎo)后碼DH(1)組成，共13個字節(jié)。

2.3.2 SPL編解碼與數(shù)據(jù)包傳輸

1)SPL編碼與數(shù)據(jù)包的發(fā)送。數(shù)據(jù)包的發(fā)送是由單片機(jī)的通用輸出端口從高位到低位串行逐位發(fā)送的，發(fā)送完DQ、WS以后，發(fā)真正的信令碼DZ、ZF、DIGI、CHECK時，將進(jìn)行SPL編碼，按照1變?yōu)?1，0變?yōu)?0的原則。

2)SPL解碼與數(shù)據(jù)包的接收。數(shù)據(jù)包的接收是發(fā)送的逆過程，是由單片機(jī)的通用接收端串行接收的，當(dāng)單片機(jī)串行接收到WS后，就接收已經(jīng)過SPL編碼的DZ、ZF、DIGI、CHECK。 如果按照01→1，10→0的原則進(jìn)行SPL解碼，如出現(xiàn)00或11的情況，認(rèn)為接收端出錯，如出現(xiàn)兩次，則信令無效，如只有一次，則暫時按00→0，11→1處理，留待下一步校驗(yàn)碼糾錯。

2.3.3 時隙與傳輸速率計(jì)算

考慮極端情況，即只有第一個節(jié)點(diǎn)能夠直發(fā)，其余節(jié)點(diǎn)都需該節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，則系統(tǒng)監(jiān)測完全部節(jié)點(diǎn)所需時間T=(256-1+2×255)ΔT=765ΔT。考慮到在5s內(nèi)監(jiān)測完255個節(jié)點(diǎn)，則時隙ΔT=5000ms/765=6.54ms?？紤]到各節(jié)點(diǎn)晶體振蕩器的頻率存在一定的誤差，實(shí)際發(fā)送信息所用時間t 取時隙ΔT的2/3，故t =2/3×ΔT=4.36ms。

傳輸速率V=(13字節(jié)×8bt)/4.36ms=23.8kbt/s。實(shí)際傳輸速率取24kbt/s。

2.4 環(huán)境與電池檢測電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)需要檢測環(huán)境溫度、濕度、照度信息監(jiān)測；同時，考慮到探測點(diǎn)為電池供電，電池電壓過低便不能正常工作，故設(shè)計(jì)電池電壓檢測電路，如圖4所示。

溫濕度監(jiān)測電路的核心器件是溫濕度傳感器，本設(shè)計(jì)選用數(shù)字型溫濕度傳感器SHT15。該傳感器溫度在檢測范圍10～40℃內(nèi)的精度可以達(dá)到±0.5℃，濕度檢測范圍10%RH～90%RH內(nèi)的精度可以到達(dá)±2%RH，完全可滿足本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室控溫的設(shè)計(jì)要求。

本設(shè)計(jì)完成對光照有無信息的檢測，故采用光敏電阻Rg實(shí)現(xiàn)“光敏-電阻”轉(zhuǎn)換，再通過與LM393判斷光照有無。

電池電壓檢測電路是利用微功耗基準(zhǔn)電源LM385，輸出1.2V電壓作為電壓基準(zhǔn)，通過比較器LM393對電池電壓進(jìn)行檢測比較，當(dāng)電池電壓低于2.8V時向單片機(jī)發(fā)出報警。

圖4 檢測電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測終端軟件設(shè)計(jì)[2]

終端單片機(jī)完成探測命令發(fā)布、探測到的節(jié)點(diǎn)信息的處理和顯示。當(dāng)需要探測節(jié)點(diǎn)信息時，終端以廣播方式發(fā)出探測命令，并啟動定時，確保255個節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)情況下都能可靠探測。當(dāng)監(jiān)測到節(jié)點(diǎn)信息時，將該節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行存儲、處理。全部節(jié)點(diǎn)的信息都接收下來處理完后，將地址信息、溫濕度信息、光照信息和電池電壓的信息依序送顯示器顯示[4]。然后，在進(jìn)行下一循環(huán)的監(jiān)測[3]。監(jiān)測終端主要程序流程如圖5。

圖5 監(jiān)控終端主要程序流程圖

3.2 探測節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

探測節(jié)點(diǎn)單片機(jī)完成對環(huán)境溫度、濕度、光照情況和電池電壓的采集和處理后，適時向終端和鄰近節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，并根據(jù)鄰近節(jié)點(diǎn)的需要及時向終端轉(zhuǎn)發(fā)信息。探測節(jié)點(diǎn)主要流程如圖6。

圖6 探測節(jié)點(diǎn)主要程序流程圖

4 系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析

4.1 測試儀器

精密露點(diǎn)儀(溫度準(zhǔn)確度±0.2℃，濕度準(zhǔn)確度±1.0%RH)；溫濕度檢定箱(溫度均勻度0.2℃，濕度均勻度1.0%RH); DTS1012數(shù)字存儲示波器;鋼卷尺；1731SL1A7A直流穩(wěn)壓電源；秒表；遮光罩。

4.2 測試方案與測試結(jié)果

4.2.1 節(jié)點(diǎn)探測功能測試

測試方法：將探測節(jié)點(diǎn)置于溫濕度檢定箱，同時將精密露點(diǎn)儀置于探測節(jié)點(diǎn)旁，設(shè)定需要測試的溫濕度點(diǎn)，每個測試點(diǎn)需要穩(wěn)定30min后讀取精密露點(diǎn)儀和探測節(jié)點(diǎn)的值，每個點(diǎn)測試3次后取平均值。測試數(shù)據(jù)見表1。光照有無采用遮光罩測試。

表1 探測節(jié)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)

測試結(jié)果：溫度在10～40℃的范圍內(nèi)準(zhǔn)確度可以達(dá)到±0.2℃，濕度檢測范圍10～90%RH內(nèi)準(zhǔn)確度可以到達(dá)±2%RH。

4.2.2 單機(jī)通信距離測試

測試方法：固定監(jiān)測終端，移動單只探測節(jié)點(diǎn)找到兩機(jī)能夠正常直接通信的最遠(yuǎn)距離，記錄兩線圈的實(shí)際距離，見表2。

表2 單機(jī)通信距離測試

測試結(jié)果：根據(jù)數(shù)據(jù)最遠(yuǎn)通信距離為7m。

4.2.3 多機(jī)網(wǎng)路測試

測試方法：固定監(jiān)測終端，移動第一塊探測節(jié)點(diǎn)到與監(jiān)測終端能夠正常通信的最遠(yuǎn)處，此時將第二塊探測節(jié)點(diǎn)從遠(yuǎn)離監(jiān)測終端方向接入網(wǎng)絡(luò)，移動該節(jié)點(diǎn)到此機(jī)信息能夠顯示在監(jiān)測終端上的最遠(yuǎn)處，打開遠(yuǎn)離監(jiān)測終端節(jié)點(diǎn)的電源使其處于連續(xù)發(fā)射狀態(tài)，此時開啟中繼探測節(jié)點(diǎn)，并記錄此時較遠(yuǎn)線圈和終點(diǎn)線圈的距離，見表3。

測試結(jié)果：最遠(yuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)距離為7m。

4.2.4 電池低電壓測試

測試方法：取下2節(jié)電池，用直流穩(wěn)壓電源代替電池，并將穩(wěn)壓電源電壓調(diào)至3V，此時電池功能正常，緩慢將穩(wěn)壓電源的電壓調(diào)低至2.8V時，探測節(jié)點(diǎn)蜂鳴器報警，提示電池電壓過低。

表3 多機(jī)通信距離測試

5 結(jié)論

智能化實(shí)驗(yàn)室管理已經(jīng)成為未來實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化管理的方向，本設(shè)計(jì)只是一個基礎(chǔ)的管理系統(tǒng)，完成了實(shí)驗(yàn)室溫度、濕度、光照有無和實(shí)驗(yàn)室總電源的開關(guān)時間設(shè)置的功能，未來我們可以進(jìn)一步擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)室各個用電儀器各個用電參數(shù)的監(jiān)測，無人時空調(diào)和檢測設(shè)備的開關(guān)設(shè)置，使得實(shí)驗(yàn)室用電全部智能化、人性化、節(jié)能化。

[1] 張洪潤.電子線路與電子技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，2005

[2] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)(第五版).北京：高等教育出版社，2006

[3] 石東海.單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)[J].陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2002

[4] 余朝琨.單片機(jī)控制的鎖相頻率合成技術(shù)[J].華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報，2001，3(24)

[5] 楊振江.智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應(yīng)用[J].陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2001

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.09