無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)短距離接收研究

一、引言

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將成百上千的傳感器節(jié)點(diǎn)布置在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)形成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)通過特定的協(xié)議高效、穩(wěn)定、正確的組織起來(lái)，協(xié)同工作完成某項(xiàng)應(yīng)用任務(wù)，達(dá)到數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通信和信息處理的能力。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)傳送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，具有快速構(gòu)建、部署方便的特點(diǎn)，不易受到目標(biāo)環(huán)境的限制，因此在環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市交通管理、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、倉(cāng)儲(chǔ)管理、汽車電子等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用。

　　在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，對(duì)采集數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)等的功能要求各有兼顧，其處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力都是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和協(xié)同工作，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟硬件技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。本文主要是對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的短距離接收進(jìn)行設(shè)計(jì)探討。

　　二、接收節(jié)點(diǎn)工作原理
 

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)模塊主要由接收芯片T5743 和MCU 微處理器PIC18F6620 構(gòu)成，如圖1，發(fā)射端采用ATMEL 公司的的T5754 做為數(shù)據(jù)發(fā)射芯片，與接收芯片T5743 相匹配，以一定的發(fā)射接收頻率和數(shù)據(jù)傳輸速率協(xié)同工作。接收芯片T5743 通過DATA 串行雙向數(shù)據(jù)線與MCU微處理器PIC18F6620 的I/O 口進(jìn)行通訊，MCU 微處理器接收數(shù)據(jù)時(shí)，用DATA_CLK 作為同步時(shí)鐘，微處理器PIC18F6620 向接收芯片T5743 發(fā)送指令時(shí)依靠特殊時(shí)序來(lái)達(dá)成數(shù)據(jù)接收和處理。接收過程用軟件控制的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和實(shí)現(xiàn)對(duì)接收芯片T5743 的控制，在接收數(shù)據(jù)之前，微處理器PIC18F6620 通過DATA 線將MUC 內(nèi)的程序?qū)懭虢邮招酒呐渲眉拇嫫骼?，?duì)接收芯片進(jìn)行配置，隨后等待接收數(shù)據(jù);當(dāng)有數(shù)據(jù)來(lái)時(shí)，由接收芯片T5743 的LNA_IN 端接入，經(jīng)低噪聲放大器放大后送入混頻器，使其變換成中頻;在中頻級(jí)，經(jīng)變換的信號(hào)在送入解調(diào)器之前被放大和濾波。

　　三、接收節(jié)點(diǎn)芯片

　　ATMEL的T5743芯片是集成UHF 無(wú)線電接收模塊，帶有PLL 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的接收芯片，采用SO20 封裝[2]。T5743芯片是為滿足低數(shù)據(jù)率、低成本RF 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的要求而開發(fā)出來(lái)的，其數(shù)據(jù)傳輸速度為1～10kB/s，編碼方式為曼切斯特或雙相位方式，可用于接收頻率范圍為300MHz～450MHz(433.92MHz 和315MHz)的ASK 數(shù)據(jù)傳輸;高靈敏度，全集成VCO，可實(shí)現(xiàn)低功耗功能，電源電壓4.5V~5.5V;單端RF 輸出容易與天線或PCB 版的印制天線相適配;

　　工作溫度范圍為-40℃～105℃。

　　T5743 芯片帶有一雙向串行數(shù)據(jù)接口DATA，通過DATA 芯片可與MCU 進(jìn)行串行通訊，交換信息。它可以工作在2 種典型頻率433.92MHz 和315MHz，由MODE 引腳來(lái)選擇，置高為433.92MHz，置低為315MHz，接收頻率在1kB～10kB 之間可選，由軟件設(shè)定。設(shè)計(jì)中由于采用1MHz 中頻與前端SAW濾波器相配合實(shí)現(xiàn)了高鏡像抑制，基于使新型SAW 器件，達(dá)到了40dB 抑制，并能用簡(jiǎn)單的雙向數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)與微控制器的通信，利用單獨(dú)引腳經(jīng)微控制器實(shí)現(xiàn)電源管理。

　　T5743 芯片的RF 前端是一個(gè)超外差結(jié)構(gòu)，將射頻輸入信號(hào)變換成1MHz IF 信號(hào)。RF 前端由低噪聲放大器LNA，

　　本地振蕩器LO、混頻器和RF 放大器組成。LO 是由PLL 鎖相環(huán)產(chǎn)生的載波頻率，供混頻器使用。RF 信號(hào)經(jīng)RF 輸入腳LNA-IN 輸入，在433.92MHz 時(shí)輸入阻抗為1000Ω/pF，在設(shè)計(jì)輸入網(wǎng)絡(luò)時(shí)首先考慮噪聲匹配，適當(dāng)調(diào)整元件值和印制板的分布電感電容與輸入端的匹配，達(dá)到T5743 在高信噪比時(shí)靈敏度最高。這樣，從RF 前端來(lái)的信號(hào)經(jīng)全集成4 階IF 濾波器濾波，達(dá)到334.92MHz 的應(yīng)用，中頻的中心頻率為l MHz。

　　設(shè)計(jì)中解調(diào)器的工作方式由寄存器OPMODE 設(shè)置，邏輯“L”設(shè)置解調(diào)器為FSK 方式;邏輯“H”設(shè)置解調(diào)器為ASK方式。在ASK 方式使用了自動(dòng)門限控制電路，它將檢測(cè)參考電壓設(shè)置在一個(gè)能獲得好信噪比的適當(dāng)值上，這個(gè)電路也能有效抑制任何類型的帶內(nèi)噪聲信號(hào)或競(jìng)爭(zhēng)發(fā)射，如果S/N 超過10dB 即能很好檢測(cè)出數(shù)據(jù)信號(hào)。在FSK 方式下，如果S/N超過2dB 就能檢測(cè)出數(shù)字信號(hào)。

　　解調(diào)器的輸出信號(hào)，經(jīng)數(shù)字濾波器濾波后送到數(shù)字信號(hào)處理電路，數(shù)字濾波器的通帶與數(shù)據(jù)信號(hào)的特性相匹配。數(shù)字濾波器由1階高通和3 階低通濾波器組成。高通濾波器的截止頻率fcu _ DF 由公式(1)決定。低通濾波器的截止頻率由所選波特率范圍(BR-Range)決定，BR-Range 在OPMODE 寄存器中設(shè)定，BR-Range 的設(shè)置必須與波特率相適應(yīng)。

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)字電路和模擬濾波器的全部定時(shí)都是來(lái)自一個(gè)時(shí)鐘。這一時(shí)鐘周期TCLK 是從晶體振蕩器經(jīng)分頻器得到的，分頻次數(shù)由MODE 引腳端的邏輯狀態(tài)控制[3]。晶體振蕩器的頻率是由RF 輸入信號(hào)決定的，它也同時(shí)決定了本地振蕩器的頻率(fLO)。T5743 芯片的工作狀態(tài)是由OPMODE 和LIMIT 的兩個(gè)15 位RAM 寄存器進(jìn)行設(shè)置的，寄存器可由雙向DATA 口編程。如果寄存器內(nèi)容由于掉電而改變，這一狀態(tài)由一個(gè)稱為復(fù)位標(biāo)識(shí)(RM)的輸出表示出來(lái)，在這種情況下的接收電路必須重新編程。在加電復(fù)位(POR)后，寄存器被置為默認(rèn)模式，如果接收機(jī)工作默認(rèn)模式，不需對(duì)寄存器編程。同樣，如果接收電路不是在復(fù)位方式，就會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的OFF 指令編程;如果接收電路處在復(fù)位方式，相應(yīng)的OFF 指令編程不會(huì)被啟動(dòng)，在DATA 腳仍呈現(xiàn)復(fù)位標(biāo)志。

 四、接收節(jié)點(diǎn)電路

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)芯片T5743 是一個(gè)高度集成的PLL 無(wú)線接收模塊，能夠接收并解調(diào)FSK 調(diào)制的曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)，同時(shí)通過一個(gè)雙向數(shù)據(jù)口將其發(fā)送出去[4]。該無(wú)線接收芯片通過一個(gè)智能的輪詢方式使接收節(jié)點(diǎn)在大部分時(shí)間處于休眠模式，只有在監(jiān)測(cè)到有效傳輸時(shí)，才會(huì)結(jié)束休眠模式轉(zhuǎn)換為接收模式，并將數(shù)據(jù)流傳送給控制器。這樣，可以最大限度地減少能量消耗。圖2 為無(wú)線接收節(jié)點(diǎn)電路原理圖。

　　圖2 中接收芯片的T5743 的XTO 是參考晶振的出入端，引腳LNA_IN 提供RF 到LNA 輸入，設(shè)計(jì)采用的接收頻率為433.92MHz，所以fXTO=6.76438MHz，將MODE 引腳設(shè)置為高電平，數(shù)據(jù)時(shí)鐘周期TCLK 為2.0697μs。DATA 引腳接到RB0 引腳，DATA_CLK 引腳接到RB2 引腳，POLLING 引腳接到RC7 引腳，IC_ACTIVE 引腳接到RF1 引腳，至此完成T5743 與MCU 微處理器PIC18F6620 的連接。

　　接收芯片的T5743 的LF 引腳連接一個(gè)帶寬為100kHz 的無(wú)源環(huán)路濾波器。LNA_GND 引腳的電感L 為25nH，L 是饋電電感，以建立供電DC 通路。C7 與L 一起形成串聯(lián)諧振電路。LNA_IN 引腳連接天線，中間部分為T 型匹配網(wǎng)絡(luò)。

　　五、數(shù)據(jù)傳輸誤碼率測(cè)試

　　對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)有效性的測(cè)試，必須通過驗(yàn)證系統(tǒng)的性能進(jìn)行，在一定距離內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)通信測(cè)試時(shí)，判斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院陀行訹5]。在對(duì)網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)的T5743 芯片完成輸入輸出波形和電路邏輯的時(shí)序檢測(cè)后，將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)與PC 機(jī)相連，改變發(fā)射端與接收端之間的距離，測(cè)試通訊距離及相應(yīng)的誤碼率。設(shè)計(jì)中將發(fā)射端以5kB 的數(shù)據(jù)速率發(fā)送20062120133～20062240266 均勻遞增的測(cè)試數(shù)據(jù)，誤碼測(cè)試程序?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)與自己生成的數(shù)據(jù)序列(20062120133～20062240266)同步、對(duì)比測(cè)得誤碼率。表1 為接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)誤碼率測(cè)試結(jié)果。

　　在通信距離及通信誤碼率測(cè)試過程中，5m～10m 通信距離中外界干擾對(duì)系統(tǒng)的影響較小，甚至人為制造的電磁干擾對(duì)其通信誤碼率影響也較小，接收節(jié)點(diǎn)能夠穩(wěn)定有效的工作;10m～30m 的通信距離，外界的干擾對(duì)系統(tǒng)的影響較大，接收節(jié)點(diǎn)通信誤碼率上升，但仍能滿足通訊要求，接收節(jié)點(diǎn)工作性能出現(xiàn)間或不穩(wěn)定;大于30m 以上系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，通信誤碼率上升很快，接收節(jié)點(diǎn)已不能滿足通信數(shù)據(jù)傳輸要求。

　　六、結(jié)論

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)以無(wú)線通信技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)，采用RF 射頻接收芯片T5743 無(wú)線接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，將接收數(shù)據(jù)經(jīng)過MCU微處理器PIC18F6620 處理，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)的無(wú)線接收，在短距離無(wú)線通信中能夠有效、準(zhǔn)確的接收數(shù)據(jù)，減少誤碼率的發(fā)生。