基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的圖像傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(tái)顯示出來的探測(cè)系統(tǒng)。

它集傳感器技術(shù)、圖像探測(cè)技術(shù)、震動(dòng)探測(cè)技術(shù)、聲音探測(cè)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)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

(1)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。

(2)系統(tǒng)前端傳感器及GPS模塊——信號(hào)采集部分：主要是由圖像、聲音、震動(dòng)以及紅外傳感器組成的探測(cè)單元和GPS模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)完成戰(zhàn)場(chǎng)信息監(jiān)測(cè)任務(wù)。

(3)指揮中心測(cè)控平臺(tái)部分：主要完成對(duì)監(jiān)測(cè)單元的遠(yuǎn)程控制及信號(hào)接收任務(wù)，并對(duì)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(shí)準(zhǔn)確地把握戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，做出相應(yīng)的決策。

本文主要是對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中圖像傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件編程的思想進(jìn)行了介紹。

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(tái)的電池變換后供給。MSM7512 B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(shí)，可以取得準(zhǔn)確的波特率，能有效避免定時(shí)器工作產(chǎn)生的積累誤差，外接的補(bǔ)償元件是二個(gè)30 pF電容。

為了防止單片機(jī)程序運(yùn)行時(shí)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(chǔ)器。由于調(diào)制解調(diào)芯片MSM7512B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(tái)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(tái)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(cè)指示，如果亮則表示調(diào)制解調(diào)器檢測(cè)到了信道中的有效載波信號(hào);D4為數(shù)據(jù)傳輸指示，系統(tǒng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)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(shí)，產(chǎn)生一個(gè)下降沿脈沖，觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷INTO(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(shí)，可用TTL或MOS電路驅(qū)動(dòng)，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(chǎng)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)芯片的使用和控制是一樣的。所不同的是：?jiǎn)纹瑱C(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(hào)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(cè)指示，D12為數(shù)據(jù)傳送指示。

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(shí)，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(gè)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(hào)，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(tái)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(gè)部分，三個(gè)主程序?yàn)椋喊l(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(gè)子程序?yàn)椋翰铄e(cuò)處理子程序、發(fā)送延時(shí)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(hào)聯(lián)絡(luò)。所有聯(lián)絡(luò)“握手”信號(hào)均為#0AAH，接收正確后應(yīng)答信號(hào)為#00H，接收錯(cuò)誤則應(yīng)答為#0FFH。

傳感器一方在無數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，通過單片機(jī)的編程控制使MSM7512B工作在省電模式，此時(shí)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(zhǎng)電池的使用時(shí)間。

單片機(jī)與MSM7512B的邏輯控制關(guān)系：P1.O→MOD2，P1.1→MODl，P1.5→AOG，另外 P1.4→電臺(tái)PTT，單片機(jī)控制MSM7512B和電臺(tái)進(jìn)行收、發(fā)轉(zhuǎn)換。前端傳感器有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)下降沿的脈沖信號(hào)啟動(dòng)整個(gè)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(gè)串行口都工作于串行口工作方式1;定時(shí)器T1工作于方式2(自動(dòng)重裝初值)，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(shí)器T2工作于方式1，作定時(shí)器，用來設(shè)計(jì)安排延時(shí)。

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，為了減少電臺(tái)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(hào)，接收方在連續(xù)2次收到正確的聯(lián)絡(luò)信號(hào)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(hào)，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(dòng)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(hào)而誤操作，減少誤報(bào)的機(jī)率。

另外綜合考慮電臺(tái)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(shí)時(shí)間，在設(shè)計(jì)程序時(shí)專門安排了一個(gè)延時(shí)時(shí)間。

經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，得出一個(gè)比較合適的延時(shí)時(shí)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(shí)70 ms，因?yàn)闀r(shí)間太短了系統(tǒng)不能正常工作，太長(zhǎng)了可能會(huì)影響數(shù)據(jù)的傳輸速率，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)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(duì)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(jiǎn)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Mo-dem與電臺(tái)接口電路的設(shè)計(jì)過程，最后敘述了整個(gè)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。