無線環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬裝置

文/中山市第一中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 余水清

無線環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬裝置

文/中山市第一中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 余水清

無線通信技術(shù)、無線技術(shù)給人們帶來的影響是無可爭(zhēng)議的。如今每一天大約有15萬人成為新的無線用戶。該課題的主要技術(shù)在于無線數(shù)據(jù)傳輸，研究該課題的主要意義在于讓我們更加深入地了解無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑怼１菊n題的研究對(duì)象是通信系統(tǒng)中的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備的各種高頻功能電路的功能、原理和基本組成。在科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，通信集成電路不斷更新的今天，研究本課題應(yīng)特別注意對(duì)電路功能和基本原理的理解。

一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

(一)設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)并制作一套無線環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊溫度和光照信息的探測(cè)與采集。該裝置由1個(gè)監(jiān)測(cè)終端和不多于255個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)組成(實(shí)際制作2個(gè))。每個(gè)裝置由無線收發(fā)信機(jī)，耦合線圈(天線)，傳感器，信息處理器，顯示器等多個(gè)模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端對(duì)不同探測(cè)節(jié)點(diǎn)周邊環(huán)境信息的探測(cè)與采集。命題所要求系統(tǒng)具體的性能與術(shù)指標(biāo):實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信;探測(cè)節(jié)點(diǎn)可預(yù)置編碼，并不多于255個(gè);溫度測(cè)量范圍0℃～100℃，絕對(duì)誤差小于2℃;探測(cè)有無光照;探測(cè)時(shí)延小于5s;監(jiān)測(cè)終端與探測(cè)節(jié)點(diǎn)通信距離不小于10cm，增加節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)功能，通信距離不小于50cm;盡量降低整套裝置的功耗。

(二)方案論證與選擇

1．調(diào)制解調(diào)方式

數(shù)字通信中常用的調(diào)制方式有ASK，F(xiàn)SK，PSK等。由于探測(cè)節(jié)點(diǎn)由電池供電，而FSK或PSK調(diào)制解調(diào)方式需要的供電電壓和功耗較高，所以我們選用功耗低且易于實(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制解調(diào)方式。

2．載波頻率

對(duì)耦合線圈作為天線傳遞信息進(jìn)行計(jì)算與分析，在發(fā)射功率一定的情況下，載頻越高，天線指向性越強(qiáng)，則接收信號(hào)質(zhì)量越好。受限于命題載波頻率小于30MHz的要求，最終將載波頻率定為12MHz，由晶體振蕩器產(chǎn)生。

3．功放的選擇

由于探測(cè)節(jié)點(diǎn)的低電壓供電要求使得功率放大在使用普通元件時(shí)變得相對(duì)困難，經(jīng)測(cè)試，非門振蕩器所產(chǎn)生的信號(hào)，經(jīng)模擬電路處理，接50Ω負(fù)載最低幅值達(dá)1．65V(6．4mW)，可以直接接到天線發(fā)射，無需再加功放電路。

4．單片機(jī)選型

監(jiān)測(cè)終端:監(jiān)測(cè)終端可以采用5v電源供電，因此可以選用5V電源的單片機(jī)，我們采用了AT89S52單片機(jī)，AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。AT89S52單片機(jī)具有編程容易，兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，出于AT89S52單片機(jī)是我們了解的比較深入，同時(shí)也是我們使用的比較多的單片機(jī)，所以我們選擇AT89S52做我們監(jiān)測(cè)終端的處理器。

探測(cè)節(jié)點(diǎn):探測(cè)節(jié)點(diǎn)是由兩節(jié)電池3V供電，單片機(jī)必須選擇更低電壓的。在作品中，我們選擇了STC12LE5A16S2。STC12LE5A16S2是一種更低功耗，與51系列單片機(jī)兼容的微處理器。

(三)系統(tǒng)方案框圖

對(duì)每一個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)和檢測(cè)終端都制作同樣的收發(fā)信機(jī)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)發(fā)射:單片機(jī)串口發(fā)數(shù)據(jù)，經(jīng)晶體ASK調(diào)制發(fā)射機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，再通過天線匹配網(wǎng)絡(luò)，最終將信號(hào)經(jīng)耦合線圈發(fā)送出。

數(shù)據(jù)接收:耦合線圈接收射頻信號(hào)，經(jīng)選頻進(jìn)入接收機(jī)混頻，然后差頻出一個(gè)5M的中頻信號(hào)，再通過接收機(jī)內(nèi)的ASK解調(diào)電路將信號(hào)解調(diào)出來。輸出基帶信號(hào)，再經(jīng)模擬信號(hào)處理獲得數(shù)字信息。

二、理論分析計(jì)算與電路設(shè)計(jì)

(一)發(fā)射部分

1．耦合天線

天線線圈等效電路如圖2所示，其中LANT表示線圈電感量，RANT表示線圈的等效電阻，CANT表示線圈的分布電容。

圖2 線圈等效電路

根據(jù)要求實(shí)際制作的線圈，用LCR電橋測(cè)量的結(jié)果為:LANT=1．5UH，RANT=25mΩ，CANT=7．5pF。天線的品質(zhì)因數(shù)是天線正確調(diào)諧和所獲得性能的一個(gè)重要特性，所制線圈的品質(zhì)因數(shù)Q=ωR *LANT/RANT=10178．8。而根據(jù)線圈的幾何形狀，Q的值通常在50到100之間。要進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)傳輸這個(gè)值還要減少，由于帶寬B=Fr/Q，以及時(shí)間與帶寬乘積規(guī)定B*T≥1，得出Q≤fR*T。由于元件的容差和對(duì)溫度的依靠，Q通常取35，所以要降低原始Q因數(shù)。須串入一個(gè)外部電阻REXT=ωRLANT/35－RANT=7．24Ω。采用圖2所示的電路圖將天線匹配到50Ω。

圖3 天線發(fā)射電路

2．發(fā)射機(jī)

系統(tǒng)發(fā)射采用ASK調(diào)制方式。系統(tǒng)采用非門振蕩器產(chǎn)生27MHz載頻信號(hào)，運(yùn)用或非門數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)符合邏輯要求的ASK已調(diào)信號(hào)。發(fā)射功率大于等于6．5mW(50Ω假負(fù)載)。發(fā)射機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示。考慮到功耗問題以及邏輯電路穩(wěn)定工作，發(fā)射機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前10ms啟動(dòng)晶體振蕩，然后調(diào)制基帶信號(hào)。

圖4 ASK調(diào)制電路

(二)接收部分

1．3839a接收機(jī)

3839A接收機(jī)電路如圖5所示。3839A是一款低電壓供電，帶有高速接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)輸出的FM接收機(jī)芯片，分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。射頻信號(hào)進(jìn)入3839A與本振混頻得到中頻，然后經(jīng)中頻濾波器，進(jìn)入中頻放大器，再次對(duì)中頻濾波，然后經(jīng)中頻限幅放大器輸出，而3839A芯片內(nèi)部的快速RSSI(100kHz)根據(jù)中頻放大器和中頻限幅放大器獲取RSSI信號(hào)。由于該套通信系統(tǒng)所建立的信道是ASK信道，則可以根據(jù)該芯片的RSSI輕松實(shí)現(xiàn)ASK信號(hào)的解調(diào)。RSSI的轉(zhuǎn)換速率可輕松滿足系統(tǒng)的最高通信速率。

圖5 3839接收機(jī)電路

2．解調(diào)信號(hào)處理

接收機(jī)解調(diào)信號(hào)處理電路如圖6所示。信號(hào)解調(diào)后經(jīng)過一級(jí)同相放大，放大后經(jīng)過一級(jí)電壓比較器輸出到單片機(jī)處理。解調(diào)后的信號(hào)很微弱不足以直接送給單片機(jī)處理，同相放大是為了滿足我們對(duì)信號(hào)電壓的要求。信號(hào)在放大后，經(jīng)過一級(jí)比較器，將解調(diào)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

圖6 解調(diào)信號(hào)處理電路

(三)傳感器

1．光電傳感器

圖7 光照判斷

有光照時(shí)，光電二極管導(dǎo)通，26腳為低電平，沒光照時(shí)，光電二極管截止，26腳為高電平，設(shè)置合適的門限電壓，單片機(jī)通過判斷26腳的電平高低判別有無光照信息。

2．溫度傳感器

圖8 溫度檢測(cè)

采用低電壓供電SPI總線的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該溫度傳感器最大絕對(duì)誤差小于2℃，滿足命題要求。

(四)信號(hào)處理

1．終端

圖9 終端信號(hào)處理電路

終端電路包括一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示電路、LED指示電路。單片機(jī)首先發(fā)出搜索信號(hào)去搜索探測(cè)節(jié)點(diǎn)，探測(cè)節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)后，發(fā)回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)給終端，然后再發(fā)數(shù)據(jù)。終端通過串口接收把數(shù)據(jù)接收進(jìn)來進(jìn)行處理，處理的信息包括光照信息和溫度信息，溫度信息通過1602LCD顯示出來，光照信息通過LED2、LED3的亮滅來指示。LED2亮表示探測(cè)節(jié)點(diǎn)A有光照信息，LED2不亮表示探測(cè)節(jié)點(diǎn)A沒有光照信息。LED3亮表示探測(cè)節(jié)點(diǎn)B有光照信息，LED3不亮表示探測(cè)節(jié)點(diǎn)B沒有光照信息。

2．探測(cè)節(jié)點(diǎn)

圖10 探測(cè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理電路

探測(cè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理電路就是一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，光電傳感器電路和溫度傳感器電路得到光照信息和溫度信息后送到單片機(jī)處理，光照信號(hào)和溫度信號(hào)在數(shù)字編碼后通過串行口進(jìn)行發(fā)送。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分，一個(gè)是軟件編解碼的碼型設(shè)計(jì)，一個(gè)是無線通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。

1．碼型設(shè)計(jì)

方案一，采用高低電平的占空比不同表示“1”與“0”。設(shè)置傳輸一位碼元的周期為固定值，即傳輸波特率固定。定義“1”為800us高電平與200us低電平，占空比為4/5。定義“0”為200us低電平與800us高電平，占空比為1/5。一幀數(shù)據(jù)以“引導(dǎo)碼+數(shù)據(jù)”的方式發(fā)送。此方案在大多數(shù)有線通信中被采用，但考慮到無線通信過程中噪聲干擾的不確定性。長(zhǎng)時(shí)間的高電平或低電平都很容易產(chǎn)生毛刺導(dǎo)致誤碼。而且編碼中有長(zhǎng)時(shí)間的低電平或高電平，硬件電路的不易實(shí)現(xiàn)整形和解調(diào)。所以編碼不采用此設(shè)計(jì)方案。

方案二，采用占空比相同而周期不同的形式表示“1”與“0”。一個(gè)碼元用占空比為1、2的形式表示。定義數(shù)據(jù)“1”表示為周期等于1ms，數(shù)據(jù)“0”表示為周期等于2ms。引導(dǎo)碼為2個(gè)字節(jié)的AAH。種編碼方式和數(shù)據(jù)幀的定義，可以避免長(zhǎng)“1”或長(zhǎng)“0”時(shí)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的高電平或低電平，增加了碼元通信的可靠性。同時(shí)，這種編碼方式可以獲得有效的同步信號(hào)，即使在傳輸40Bit(本裝置設(shè)計(jì)發(fā)送一幀數(shù)為5個(gè)字節(jié)，即40Bit)的長(zhǎng)串?dāng)?shù)據(jù)的情況下，仍能有效的控制通信過程的同步要求。

從軟件編程的思路和降低編解碼的誤碼率的角度考慮，我們采用了方案二，即以1KHz的頻率表示數(shù)據(jù)“1”，周期為1ms。以500Hz的頻率表示數(shù)據(jù)“0”，周期為2ms。占空比均為1/2。在碼型確定下來之后，又確定以兩個(gè)字節(jié)的AAH作為一幀數(shù)據(jù)的同步頭。這種編碼方式和數(shù)據(jù)幀的定義，可以避免長(zhǎng)“1”或長(zhǎng)“0”時(shí)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的高電平或低電平，增加了碼元通信的可靠性。同時(shí)，這種編碼方式可以獲得有效的同步信號(hào)，即使在傳輸40Bit(本裝置設(shè)計(jì)發(fā)送一幀數(shù)為5個(gè)字節(jié)，即40Bit)的長(zhǎng)串?dāng)?shù)據(jù)的情況下，仍能有效的控制通信過程的同步要求。

2．通信協(xié)議

根據(jù)本無線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能，設(shè)計(jì)通信協(xié)議為:發(fā)送一幀數(shù)據(jù)包括“引導(dǎo)碼+ID碼+數(shù)據(jù)+命令”，共5個(gè)字節(jié)。其中引導(dǎo)碼占用兩個(gè)字節(jié)，地址碼1個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)碼和命令碼兩個(gè)字節(jié)。8BitID碼可以識(shí)別256個(gè)不同的探測(cè)節(jié)點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)需要。數(shù)據(jù)碼用來傳輸8Bit的數(shù)據(jù)，其中b0－b6用來表示溫度信息，b7用來表示光照的有無。命令碼用于實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通信的協(xié)議要求。規(guī)定:

Oxcc表示監(jiān)測(cè)終端對(duì)所有探測(cè)節(jié)點(diǎn)的廣播偵尋。

0xc0表示探測(cè)節(jié)點(diǎn)搜索監(jiān)測(cè)終端。

0xc1表示探測(cè)節(jié)點(diǎn)搜索探測(cè)節(jié)點(diǎn)。

0xc2應(yīng)答信號(hào)

0xdd答復(fù)0xcc的廣播，并帶回節(jié)點(diǎn)信息

先由監(jiān)測(cè)終端發(fā)出廣播偵尋所有范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)收到廣播即回復(fù)0xdd，并帶回節(jié)點(diǎn)信息。每個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出0xc0搜索監(jiān)測(cè)終端，若無應(yīng)答即表示節(jié)點(diǎn)在終端范圍以外。每個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)亦可發(fā)出偵尋信號(hào)0xc1并將監(jiān)測(cè)終端偵尋不到的探測(cè)節(jié)點(diǎn)的信息帶回給監(jiān)測(cè)終端。

3．程序流程圖

圖11 軟件流程

四、測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果

測(cè)試儀器要用到示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、掃頻儀、高低頻信號(hào)發(fā)生器、穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表。

經(jīng)測(cè)試，裝置的部分指標(biāo)如下:

接收最大有效距離誤差率輸入頻率示波器顯示電源30厘米左右2%左右12MHz 50mv

測(cè)試部分顯示結(jié)果如下:

圖12 ASK調(diào)制

五、結(jié)束語

本裝置采用單片機(jī)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、結(jié)合嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種通用的無線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)能隨時(shí)對(duì)待環(huán)境內(nèi)的溫度和光的有無信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是低功耗、高可靠性的檢測(cè)控制系統(tǒng)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到兩種數(shù)據(jù)，是某一段區(qū)域的數(shù)據(jù)。傳感器采集到的數(shù)據(jù)大部分是靜態(tài)數(shù)據(jù)，而對(duì)環(huán)境感知而言，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)才是最重要的，這就要求節(jié)點(diǎn)自身能對(duì)先期采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾篩選，分離出有用的數(shù)據(jù)，再與相鄰節(jié)點(diǎn)共享。單片機(jī)進(jìn)行決策需要融合多傳感器、多點(diǎn)的數(shù)據(jù)，達(dá)到最優(yōu)傳輸、最遠(yuǎn)距離。

責(zé)任編輯朱守鋰