433 MHz物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

摘要：物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前信息領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)。本文以CC1110芯片為核心，利用溫濕度、煙霧、亮度等傳感器結(jié)合自主開發(fā)的WIA-PA協(xié)議棧軟件，研制了一種基于433 MHz頻段的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)。利用該平臺(tái)提供的開發(fā)套件，可方便地開發(fā)智能家居、環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用系統(tǒng)。目前，重慶偉岸測器利用本平臺(tái)已成功開發(fā)了無線熱能表系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；開發(fā)平臺(tái)；傳感器節(jié)點(diǎn)

引言
    目前，我國已開放了433 MHz、470 MHz兩個(gè)無線射頻頻段，具有低功耗、低成本、穿透能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，在智能家居、無線抄表等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。筆者所在團(tuán)隊(duì)是傳感器網(wǎng)絡(luò)國家標(biāo)準(zhǔn)測試項(xiàng)目組與標(biāo)識(shí)項(xiàng)目組組長單位，參加了5個(gè)國際組織傳感網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域11項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)的制定，并擔(dān)任多個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)合編輯。本團(tuán)隊(duì)在物聯(lián)網(wǎng)方面的相關(guān)研究成果得到了國際上的廣泛認(rèn)可，核心技術(shù)正在形成專利池。為了降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)難度、推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，筆者利用實(shí)驗(yàn)室在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，研制了一種基于433 MHz
頻段的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)，推出了相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)套件。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。平臺(tái)包括433 MHz無線收發(fā)模塊、網(wǎng)絡(luò)適配器、網(wǎng)關(guān)、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、亮度傳感器、仿真器、自主開發(fā)的協(xié)議棧和上位機(jī)監(jiān)控軟件。

    開發(fā)平臺(tái)實(shí)物如圖2所示。溫濕度、煙霧傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)采集外界環(huán)境中的溫度、濕度以及煙霧濃度信息，通過相應(yīng)的調(diào)理電路送至無線傳輸模塊進(jìn)行處理。無線傳輸模塊主要負(fù)責(zé)將傳感器采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到無線接收模塊，無線接收模塊接收后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)打包后通過以太網(wǎng)發(fā)給上位機(jī)顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 傳感器節(jié)點(diǎn)
2．1．1 數(shù)據(jù)采集單元
    數(shù)據(jù)采集單元傳感器分別選用的是SHT75溫濕度傳感器、MS5100煙霧傳感器和光敏電阻。
    SHT75溫濕度傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測濕元件和一個(gè)能隙式測溫元件，并與一個(gè)14位的A／D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無縫連接。該傳感器具有超快響應(yīng)、抗十?dāng)_能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。
    與傳輸模塊的連接是通過發(fā)送模塊芯片的兩個(gè)I／O口，分別與傳感器SHT75的SCK、DATA兩引腳相連，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，VDD與3．3 V電壓相連。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA在低電平，所以還必須在I／O電路中DATA引腳上加上一個(gè)上拉電阻將信號(hào)提拉至高電平，用一個(gè)10 kΩ的電阻接至3．3 V電壓。
    MS5100煙霧傳感器具有小體積、高感應(yīng)靈敏度、良好的穩(wěn)定性、快速的相應(yīng)時(shí)間，且對(duì)煙霧、碳?xì)浠衔锖脱趸镉兄^高的靈敏度。測量原理如下：當(dāng)測到外部的煙霧時(shí)，傳感器的電阻Rs會(huì)發(fā)生變化。
    在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，采樣電阻RL采用100 Ω的電阻，由于傳感器輸出的電壓可能超過數(shù)據(jù)發(fā)送芯片能檢測的電壓最大值，因此必須在傳感器數(shù)據(jù)輸出端加上一組分壓電路，使傳感器輸出滿足傳輸芯片檢測條件。
    光敏電阻通過與1個(gè)20 kΩ的定值電阻組成分壓橋，可對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行簡單的測量。
2．1．2 供電系統(tǒng)單元
    供電系統(tǒng)單元主要是由3節(jié)干電池串聯(lián)進(jìn)行供電。3節(jié)干電池串聯(lián)得到的4．5 V 工作電壓能滿足傳感器的正常工作，經(jīng)LM1117電源轉(zhuǎn)換芯片后得到3．3 V 芯片工作電壓，供整個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊正常工作。同時(shí)也可以使用外接5 V電源對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。
2．2 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊
2．2．1 CC1110芯片概述
    CC1110芯片延用了TI公司ZigBee無線(定位)芯片CC2430／CC2431架構(gòu)。它結(jié)合一個(gè)高性能433 MHz、868／915 MHz射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器；具有32 KB可編程閃存、4 KB的RAM、模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時(shí)器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器(Watchdog Timer)、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路以及21個(gè)可編程I／O引腳。
    CC1110的RF射頻收發(fā)器集成了一個(gè)高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。這個(gè)調(diào)制解調(diào)器支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)500 kbps。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(xiàng)，能使性能得到提升。CC1110為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評(píng)估、連接質(zhì)量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的硬件支持。
     CC1110芯片工作時(shí)的電流損耗為16 mA和18 mA，速率為1．2 kbps；CC1110在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于16．2 mA或16 mA；速率為2．4 kbps。CC1110的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。
2．2．2 無線收發(fā)模塊
    數(shù)據(jù)發(fā)送接收部分主要利用433 MHz的單端天線，配合CC1110芯片中的TX／RX開關(guān)引腳來控制選通發(fā)送信道或者接收信道。CC1110內(nèi)部的T／R交換電路完成LNA和PA之間的交換。信號(hào)輸出經(jīng)過一個(gè)非平衡變換器，因?yàn)檫B接非平衡變換器可以使天線性能更好。非平衡變送器由兩個(gè)電容與兩個(gè)電感組成的電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端RF信號(hào)，與阻抗為50 Ω的天線適配。這樣住理論上使信號(hào)在傳輸中間沒有反射發(fā)生，達(dá)到天線的信號(hào)最大功率。
    CC1110低中頻信號(hào)接收是它的特性，CC1110將收到的RF信號(hào)通過低噪聲放大器LNA放大，并且將收到的同相信號(hào)和正交相位信號(hào)(I／Q)降頻轉(zhuǎn)換為中頻(IF)信號(hào)。過濾殘余在中頻(2 MHz)信號(hào)中的I／Q信號(hào)后，放大中頻信號(hào)。在中頻信號(hào)中，自動(dòng)增益控制以及精細(xì)信道的過濾、解調(diào)字節(jié)和包同步等都通過數(shù)字邏輯完成。CC1110的發(fā)射端基于RF頻率直接合成，頻率合成器包括一套完整的片上電感器、電容器(LC)、電壓控制振蕩器(VCO)和一個(gè)90°移相器，用來產(chǎn)生同相信號(hào)、正交相位信號(hào)(I／Q)和本地振蕩器(LO)信號(hào)給接收端的降頻合成器，最后信號(hào)經(jīng)放大后送至天線發(fā)送出去。
2．3 網(wǎng)絡(luò)適配器模塊
    網(wǎng)絡(luò)適配器在網(wǎng)絡(luò)中主要起到數(shù)據(jù)接收的作用，將節(jié)點(diǎn)上發(fā)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳給網(wǎng)關(guān)。
    本平臺(tái)中網(wǎng)絡(luò)適配器也可直接與電腦連接，完成網(wǎng)關(guān)的響應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線數(shù)據(jù)包的接收、分析與處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過USB接口上傳給上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)觀測；也可以使用上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)下發(fā)數(shù)據(jù)，并通過USB接口傳送給發(fā)送端，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的無線傳輸。
2．4 無線網(wǎng)關(guān)
    無線網(wǎng)關(guān)主要由控制電路與接口電路構(gòu)成，如圖3所示。控制電路由處理器單元(AT91R40008)、以太網(wǎng)控制單元(AX88796)、存儲(chǔ)器單元構(gòu)成。接口電路由無線模塊通信接口、以太網(wǎng)接口、串行接口組成。

2．4．1 處理器單元
    網(wǎng)關(guān)處理器選用Atmel公司的AT91R40008芯片。AT91R40008是基于ARM7的高性能處理器，運(yùn)行速度可達(dá)74 MIPS，硬件資源豐富。AT91R4 0008的電壓等級(jí)為：I／O口工作電壓為3．3 V，內(nèi)核(ARM7TDMI、片內(nèi)SRAM及片內(nèi)外圍)工作電壓為1．8V。
2．4．2 以太網(wǎng)控制單元
    以太網(wǎng)網(wǎng)卡芯片采用臺(tái)灣Asix公司AX88796芯片，包括MAC控制器和物理層接口兩部分，AX88796芯片依照IEEE802．3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)責(zé)處理有關(guān)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送，包括沖突檢測、幀頭的產(chǎn)生和檢測、CRC校驗(yàn)碼的生成和校驗(yàn)。
2．4．3 存儲(chǔ)器單元
    Flash存儲(chǔ)電路用于存放啟動(dòng)代碼及應(yīng)用程序，采用美國SST公司的SST39VF160芯片，存儲(chǔ)容量是1M×1 6位。微處理器通過片選NCS0以及NWR、NRD讀寫控制引腳對(duì)它進(jìn)行存取控制。

3 軟件設(shè)計(jì)
    本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用自定義的一種星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。軟件設(shè)計(jì)主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議程序、A／D轉(zhuǎn)換程序、外部中斷程序。無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議程序主要包括無線協(xié)議的相關(guān)部分初始化處理和對(duì)傳感器相關(guān)信息的處理；A／D轉(zhuǎn)換程序主要是對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)
據(jù)轉(zhuǎn)換處理；外部中斷程序主要是用于喚醒休眠的CC1110模塊。本平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式：
    ①無線數(shù)據(jù)模塊上電之前首先要配置其數(shù)據(jù)發(fā)送地址。將數(shù)據(jù)發(fā)送的目的地址寫成除0x00和0xFF之外的固定地址，本例中設(shè)置為0x11。
    ②將數(shù)據(jù)接收模塊的網(wǎng)絡(luò)地址配置成無線節(jié)點(diǎn)的目的地址0x11，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊可通過USB接口直接連接到上位機(jī)上。
    ③為無線設(shè)備上電，各個(gè)無線節(jié)點(diǎn)模塊按照載波監(jiān)聽(CSMA)控制策略，隨機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包。如果發(fā)送之前監(jiān)聽到信道中有其他數(shù)據(jù)包，等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后再次發(fā)送。
    ④數(shù)據(jù)接收端接到數(shù)據(jù)包后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上進(jìn)行顯示。
    無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議程序發(fā)送流程如圖4所示。

    經(jīng)過實(shí)際測試，在空曠可視條件下，通信距離可達(dá)80m，RSSI值為-100 dBm，系統(tǒng)組網(wǎng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)包丟包率為1％，設(shè)計(jì)符合要求。

4 應(yīng)用案例
    利用本平臺(tái)，筆者所在團(tuán)隊(duì)聯(lián)合重慶偉岸測器成功開發(fā)出基于433 MHz的無線熱能監(jiān)控系統(tǒng)。該套系統(tǒng)由433 MHz無線熱能表、樓層中繼器、樓頂中繼器、接收端網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)監(jiān)控計(jì)費(fèi)軟件組成。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。目前，該熱能監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在大連、甘肅等地投入實(shí)際使用。

    整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的過程是：每戶的熱能表每隔一段時(shí)間從休眠模式下被喚醒，進(jìn)行一次熱量數(shù)據(jù)采集；之后將熱量信息通過樓層中繼與樓頂中繼進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)無線網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)后，即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理；再通過以太網(wǎng)上傳給上位機(jī)監(jiān)控計(jì)費(fèi)軟件，進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。上位機(jī)監(jiān)控界面如圖6所示。

結(jié)語
    本文詳細(xì)介紹了基于433 MHz頻段的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)的硬件工作原理與設(shè)計(jì)方法，同時(shí)也討論了系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場測試，以及實(shí)際應(yīng)用案例可以證明，該平臺(tái)能很好地完成數(shù)據(jù)的采集、處理分析與組網(wǎng)。利用本開發(fā)平臺(tái)可以很方便地開發(fā)無線抄表、智能家居、環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用系統(tǒng)。