無線環(huán)境監(jiān)測模擬裝置

余水清?オ?

無線通信技術、無線技術給人們帶來的影響是無可爭議的。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題的研究對象是通信系統(tǒng)中的發(fā)送設備和接收設備的各種高頻功能電路的功能、原理和基本組成。在科學技術的快速發(fā)展，通信集成電路不斷更新的今天，研究本課題應特別注意對電路功能和基本原理的理解。

一、系統(tǒng)方案設計

（一）設計任務

設計并制作一套無線環(huán)境監(jiān)測模擬裝置，實現(xiàn)對周邊溫度和光照信息的探測與采集。該裝置由 1 個監(jiān)測終端和不多于255個探測節(jié)點組成（實際制作2個）。每個裝置由無線收發(fā)信機，耦合線圈（天線），傳感器，信息處理器，顯示器等多個模 塊構成，實現(xiàn)監(jiān)測終端對不同探測節(jié)點周邊環(huán)境信息的探測與采集。命題所要求系統(tǒng)具體的性能與術指標：實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信；探測節(jié)點可預置編碼，并不多于255個；溫度測量范圍0℃～100℃，絕對誤差小于2℃；探測有無光照；探測時延小于5s；監(jiān)測終端與探測節(jié)點通信距離不小于10cm，增加節(jié)點轉發(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.調制解調方式

數(shù)字通信中常用的調制方式有ASK，F(xiàn)SK，PSK等。由于探測節(jié)點由電池供電，而FSK或PSK調制解調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現(xiàn)ASK調制解調方式。

2.載波頻率

對耦合線圈作為天線傳遞信息進行計算與分析，在發(fā)射功率一定的情況下，載頻越高，天線指向性越強，則接收信號質量越好。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，由晶體振蕩器產生。

3.功放的選擇

由于探測節(jié)點的低電壓供電要求使得功率放大在使用普通元件時變得相對困難，經測試，非門振蕩器所產生的信號，經模擬電路處理，接50Ω負載最低幅值達1.65V（6.4mW），可以直接接到天線發(fā)射，無需再加功放電路。

4.單片機選型

監(jiān)測終端：監(jiān)測終端可以采用5v電源供電，因此可以選用5V電源的單片機，我們采用了AT89S52單片機，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 存儲器。AT89S52單片機具有編程容易，兼容性強等優(yōu)點，出于AT89S52單片機是我們了解的比較深入，同時也是我們使用的比較多的單片機，所以我們選擇AT89S52做我們監(jiān)測終端的處理器。

探測節(jié)點：探測節(jié)點是由兩節(jié)電池3V供電，單片機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系列單片機兼容的微處理器。

（三）系統(tǒng)方案框圖

對每一個探測節(jié)點和檢測終端都制作同樣的收發(fā)信機，其結構示意圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)發(fā)射：單片機串口發(fā)數(shù)據(jù)，經晶體ASK調制發(fā)射機將數(shù)據(jù)進行調制，再通過天線匹配網(wǎng)絡，最終將信號經耦合線圈發(fā)送出。

數(shù)據(jù)接收：耦合線圈接收射頻信號，經選頻進入接收機混頻，然后差頻出一個5M的中頻信號，再通過接收機內的ASK解調電路將信號解調出來。輸出基帶信號，再經模擬信號處理獲得數(shù)字信息。

二、理論分析計算與電路設計

（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。

根據(jù)要求實際制作的線圈，用LCR電橋測量的結果為：LANT=1.5UH，RANT=25mΩ，CANT=7.5pF。天線的品質因數(shù)是天線正確調諧和所獲得性能的一個重要特性，所制線圈的品質因數(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。要進行正確的數(shù)據(jù)傳輸這個值還要減少，由于帶寬B=Fr/Q，以及時間與帶寬乘積規(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。

2.發(fā)射機

系統(tǒng)發(fā)射采用ASK調制方式。系統(tǒng)采用非門振蕩器產生27MHz載頻信號，運用或非門數(shù)字器件實現(xiàn)符合邏輯要求的ASK已調信號。發(fā)射功率大于等于6.5mW（50Ω假負載）。發(fā)射機硬件實現(xiàn)電路如圖4所示?？紤]到功耗問題以及邏輯電路穩(wěn)定工作，發(fā)射機在發(fā)送數(shù)據(jù)之前10ms啟動晶體振蕩，然后調制基帶信號。

（二）接收部分

1. 3839a接收機

3839A接收機電路如圖5所示。3839A是一款低電壓供電，帶有高速接收信號強度指示（RSSI）輸出的 FM 接收機芯片，分析其內部結構框圖。射頻信號進入3839A與本振混頻得到中頻，然后經中頻濾波器，進入中頻放大器，再次對中頻濾波，然后經中頻限幅放大器輸出，而3839A芯片內部的快速 RSSI（100kHz）根據(jù)中頻放大器和中頻限幅放大器獲取RSSI信號。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輕松實現(xiàn)ASK信號的解調。RSSI的轉換速率可輕松滿足系統(tǒng)的最高通信速率。

2.解調信號處理

接收機解調信號處理電路如圖6所示。信號解調后經過一級同相放大，放大后經過一級電壓比較器輸出到單片機處理。解調后的信號很微弱不足以直接送給單片機處理，同相放大是為了滿足我們對信號電壓的要求。信號在放大后，經過一級比較器，將解調信號轉換為數(shù)字信號。

（三）傳感器

1.光電傳感器

有光照時，光電二極管導通，26腳為低電平，沒光照時，光電二極管截止，26腳為高電平，設置合適的門限電壓，單片機通過判斷26腳的電平高低判別有無光照信息。

2.溫度傳感器

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誤差小于2℃，滿足命題要求。

（四）信號處理

1.終端

終端電路包括一個單片機最小系統(tǒng)、顯示電路、LED指示電路。單片機首先發(fā)出搜索信號去搜索探測節(jié)點，探測節(jié)點接收到信號后，發(fā)回一個應答信號給終端，然后再發(fā)數(shù)據(jù)。終端通過串口接收把數(shù)據(jù)接收進來進行處理，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亮表示探測節(jié)點A有光照信息，LED2不亮表示探測節(jié)點A沒有光照信息。LED3亮表示探測節(jié)點B有光照信息，LED3不亮表示探測節(jié)點B沒有光照信息。

2.探測節(jié)點

探測節(jié)點信號處理電路就是一個單片機最小系統(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處理，光照信號和溫度信號在數(shù)字編碼后通過串行口進行發(fā)送。

三、系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括兩個部分，一個是軟件編解碼的碼型設計，一個是無線通信協(xié)議的設計。

1.碼型設計

方案一，采用高低電平的占空比不同表示“1”與“0”。設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。長時間的高電平或低電平都很容易產生毛刺導致誤碼。而且編碼中有長時間的低電平或高電平，硬件電路的不易實現(xiàn)整形和解調。所以編碼不采用此設計方案。

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。引導碼為2個字節(jié)的AAH。種編碼方式和數(shù)據(jù)幀的定義，可以避免長“1”或長“0”時出現(xiàn)長時間的高電平或低電平，增加了碼元通信的可靠性。同時，這種編碼方式可以獲得有效的同步信號，即使在傳輸40Bit（本裝置設計發(fā)送一幀數(shù)為5個字節(jié)，即40Bit）的長串數(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“1”或長“0”時出現(xiàn)長時間的高電平或低電平，增加了碼元通信的可靠性。同時，這種編碼方式可以獲得有效的同步信號，即使在傳輸40Bit（本裝置設計發(fā)送一幀數(shù)為5個字節(jié)，即40Bit）的長串數(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)測系統(tǒng)的功能，設計通信協(xié)議為：發(fā)送一幀數(shù)據(jù)包括“引導碼+ID碼+數(shù)據(jù)+命令”，共5個字節(jié)。其中引導碼占用兩個字節(jié)，地址碼1個字節(jié)，數(shù)據(jù)碼和命令碼兩個字節(jié)。8BitID碼可以識別256個不同的探測節(jié)點，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。命令碼用于實現(xiàn)組網(wǎng)通信的協(xié)議要求。規(guī)定：

Oxcc表示監(jiān)測終端對所有探測節(jié)點的廣播偵尋。

0xc0表示探測節(jié)點搜索監(jiān)測終端。

0xc1表示探測節(jié)點搜索探測節(jié)點。

0xc2應答信號

0xdd答復0xcc的廣播，并帶回節(jié)點信息

先由監(jiān)測終端發(fā)出廣播偵尋所有范圍內的節(jié)點，節(jié)點收到廣播即回復0xdd，并帶回節(jié)點信息。每個探測節(jié)點發(fā)出0xc0搜索監(jiān)測終端，若無應答即表示節(jié)點在終端范圍以外。每個探測節(jié)點亦可發(fā)出偵尋信號0xc1并將監(jiān)測終端偵尋不到的探測節(jié)點的信息帶回給監(jiān)測終端。

3. 程序流程圖

四、測試方法和測試結果

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

經測試，裝置的部分指標如下：

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

測試部分顯示結果如下：

五、結束語

本裝置采用單片機、無線傳感器網(wǎng)絡技術、結合嵌入式技術實現(xiàn)了一種通用的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)能隨時對待環(huán)境內的溫度和光的有無信號進行實時監(jiān)測，是低功耗、高可靠性的檢測控制系統(tǒng)。每個節(jié)點采集到兩種數(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)，而對環(huán)境感知而言，動態(tài)數(shù)據(jù)才是最重要的，這就要求節(jié)點自身能對先期采集到的數(shù)據(jù)進行過濾篩選，分離出有用的數(shù)據(jù)，再與相鄰節(jié)點共享。單片機進行決策需要融合多傳感器、多點的數(shù)據(jù)，達到最優(yōu)傳輸、最遠距離。

責任編輯朱守鋰