無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
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圖4發(fā)射電路
圖5接收電路 3.3 工作流程圖 監(jiān)測(cè)終端的軟件重要任務(wù)就是發(fā)送同步信號(hào),等待探測(cè)節(jié)點(diǎn)返回的數(shù)據(jù)。并在液晶上顯示出來(lái)。探測(cè)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是定時(shí)采集數(shù)據(jù),并在收到同步信號(hào)或者監(jiān)測(cè)到其它節(jié)點(diǎn)的時(shí)候發(fā)送數(shù)據(jù),并在收到中繼請(qǐng)求后提供中繼服務(wù)。圖6和圖7便是終端軟件和節(jié)點(diǎn)軟件的流程圖。
圖6終端軟件流程
圖7節(jié)點(diǎn)軟件流程 4 測(cè)試方法與數(shù)據(jù) 測(cè)試條件為:終端供電5 V。室溫為26 qc。下面進(jìn)行的是終端節(jié)點(diǎn)通信距離的測(cè)試。 終端、節(jié)點(diǎn)放置在同一水平面,在保證兩天線對(duì)準(zhǔn)的情況下,將距離分別設(shè)為1 em,9 cm。將節(jié)點(diǎn)A和B分別放在終端兩側(cè),距離為10 cm,測(cè)試溫度,光照,編碼預(yù)置功能。測(cè)試結(jié)果如表1(均有預(yù)置編碼的功能,探測(cè)延遲3 s)。
下面進(jìn)行的是中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)試。
將終端與節(jié)點(diǎn)A的距離沒為50 cm,兩者不能正常通信,將節(jié)點(diǎn)B插入到兩者中間,測(cè)試終端是否能夠正常識(shí)別2個(gè)節(jié)點(diǎn),然后將A,B 2個(gè)節(jié)點(diǎn)互換,測(cè)試足否能正常識(shí)別。測(cè)試結(jié)果如表2所示。
表2測(cè)試記錄
再次測(cè)試最大轉(zhuǎn)發(fā)距離,當(dāng)A作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí),最大轉(zhuǎn)發(fā)距離為66 cm,當(dāng)B作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí),最大轉(zhuǎn)發(fā)距離為80 em。
最后進(jìn)行的是節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試。
保持D1+I)2=50 cm。測(cè)試轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)測(cè)試。
實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn),2個(gè)節(jié)點(diǎn)都作為中繼的時(shí)候,最大的電流時(shí)3 mA,平均電流在2.4 mA。
5 測(cè)試結(jié)果分析
溫度、光照測(cè)量:溫度由于采用芯片內(nèi)集成溫度傳感器,可采用溫度計(jì)對(duì)溫度準(zhǔn)確度進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)算法補(bǔ)償,在23~40℃的范圍內(nèi),溫度準(zhǔn)確度在2℃以內(nèi)。終端與節(jié)點(diǎn)的通信距離最遠(yuǎn)町達(dá)35 cm。節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)r中繼轉(zhuǎn)發(fā)的功能。節(jié)點(diǎn)的電流非常小,在3 mA以內(nèi)。
表1測(cè)試記錄
環(huán)境監(jiān)測(cè)是指通過(guò)對(duì)影響環(huán)境質(zhì)量因素的代表值的測(cè)定,確定環(huán)境質(zhì)量(或污染程度)及其變化趨勢(shì)。隨著科技的不斷進(jìn)步,特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展,環(huán)境檢測(cè)由經(jīng)典的化學(xué)分析向儀器與計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)f無(wú)線環(huán)境的檢測(cè)。本文中設(shè)計(jì)了一個(gè)尤線環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng),以MSP430F5438單片機(jī)為控制核心,實(shí)際制作一個(gè)終端和2個(gè)節(jié)點(diǎn),終端能從節(jié)點(diǎn)獲取節(jié)點(diǎn)的環(huán)境溫度和光照信息,并且節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的功能。整個(gè)系統(tǒng)采用OOK調(diào)制方式,收發(fā)都使用一個(gè)天線,終端發(fā)射信號(hào)時(shí)。
將欲傳輸?shù)男畔⑼ㄟ^(guò)串口輸出的電平控制本振的開斷從而實(shí)現(xiàn)OOK調(diào)制,后級(jí)使用丙類功放發(fā)射,接收端節(jié)點(diǎn)將天線上的信號(hào)進(jìn)行放大,然后倍壓檢波,通過(guò)自適應(yīng)比較器解調(diào)出數(shù)據(jù),最后再向終端回傳環(huán)境信息。
1 總體方案設(shè)計(jì)
在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,終點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)都需要一個(gè)主控芯片進(jìn)行處理。主芯片選用MSP430F5438系列單片機(jī)。在信號(hào)調(diào)制方面采用了OOK(On.Off Keying)調(diào)制方案。在高頻功放方面,采用了分立元件自制戊類放大器使用NEC公司的產(chǎn)品2SC3355做功放管。最后確定通信協(xié)議方案選擇,設(shè)計(jì)思想足由檢測(cè)終端發(fā)起一次信息阿步傳輸,所有的節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的編號(hào)在不同的時(shí)隙發(fā)送信息,中繼節(jié)點(diǎn)自行搜索判斷。通過(guò)一系列的選擇和設(shè)汁,整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體方案框圖
系統(tǒng)以MSP430F5438單片機(jī)作為終端和節(jié)點(diǎn)的主控芯片,光照探測(cè)由光敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn),溫度可由單片機(jī)內(nèi)部自帶的溫度傳感器得到。,數(shù)據(jù)的調(diào)制、接收采用串口通信,使用I/O口來(lái)控制天線的收發(fā)模式。
2 系統(tǒng)的理論分析與計(jì)算
2.1 發(fā)射機(jī)的電路分析與設(shè)計(jì)
本地振蕩采用lO.7 M諧振器以及74HC00構(gòu)成的皮爾斯振蕩器,同時(shí)通過(guò)門級(jí)電路還可以增大對(duì)后級(jí)丙放的驅(qū)動(dòng)功率,而串121也可以通過(guò)與非門來(lái)調(diào)制信號(hào)。
實(shí)際測(cè)量5圈,直徑為3.4 em的線圈,在lO.7 MHz下測(cè)量得到電感量為1.553 uH,Q值為156。在lO.7 MHz時(shí)的損耗電阻為:
得到r=0.669,所以在并聯(lián)諧振下等效電阻為:
2.2 開關(guān)狀態(tài)功放輸入輸出匹配
在節(jié)點(diǎn)上采用高效率的開關(guān)狀態(tài)功放,而終端也可以使用戊類放大。設(shè)定輸出功率為0.1 w。首先計(jì)算C3355的輸出阻抗,假設(shè)C3355的輸出功率為0.1 w,根據(jù)功放的最佳負(fù)載計(jì)算得到,我們的電源電壓為Vc=3 V,設(shè)Vce=0.1V,輸出功率Po=0.1 w,計(jì)算得出最佳輸出電阻為
R=
從C3355的datasheet上則三極管的輸出得到集電極的輸出電容,故假設(shè)輸出電容是15 pF,阻抗可等效為一個(gè)42Ω的電阻與一個(gè)15 pF左右的電容并聯(lián)。取集電極饋電線圈的電感為10 uH兼作為輸出的諧振同路,此時(shí)所需的諧振電容為22.12 pF,所以還需要在集電極到地接入一個(gè)(10~22.12)pF的電容,為了便于調(diào)諧,采用了一只5/35pF的可調(diào)電容,經(jīng)過(guò)這樣后,三極管輸出為42n的純阻,然后經(jīng)過(guò)一個(gè)42 Ω~16.3 kΩ的三階低通濾波器實(shí)現(xiàn)阻抗變換,并且使輸出波形平滑(濾掉載波的高次諧波)。 在輸出端接了一個(gè)100 nF的隔直電容,這會(huì)使得輸出不再是42 Ω的純阻,所以經(jīng)過(guò)PSPICE仿真,進(jìn)行校準(zhǔn),得到最終的具體參數(shù)。
圖2 e3355開關(guān)狀態(tài)功放 2.3 接收機(jī)解調(diào)電路分析 由于本系統(tǒng)采用的是OOK凋制,所以采用靈敏度高的倍壓檢波。當(dāng)終端與節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí),為了提高接收靈敏度,所以使用了兩級(jí)放大,從而在距離較遠(yuǎn)的時(shí)候也能正常檢測(cè)到信號(hào)??紤]到在近距離時(shí),在天線線圈接收處加上限幅電路。這樣就保證了在近距離和遠(yuǎn)距離時(shí)都能夠接收到較好的信號(hào)。但是實(shí)際上由于在很遠(yuǎn)的時(shí)候接收到的信號(hào)還是很小,這樣就導(dǎo)致了隨著距離的遠(yuǎn)近需要改變比較器的參考電平,因此采用一個(gè)RC積分保持電路,使得能檢測(cè)到最大的峰值,這樣就實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)比較,從而在遠(yuǎn)距離時(shí)串口依然能夠正確識(shí)別信號(hào)。 為r實(shí)現(xiàn)天線的復(fù)用,使用一個(gè)開關(guān)電路來(lái)切換收發(fā)模式。這個(gè)開關(guān)電路使用單片機(jī)I/O口來(lái)控制高速二極管的導(dǎo)通與關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)切換的。 2.4 通信協(xié)議分析與設(shè)計(jì) 通信協(xié)議采用的是終端發(fā)起同步傳輸,各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)終端的同步信息同步自己的時(shí)鐘,然后在自己編號(hào)所分配的時(shí)隙內(nèi)依次傳輸。 信息的交換采用幀交換,每個(gè)幀由4個(gè)字節(jié)組成,結(jié)構(gòu)如下圖示。每一次發(fā)送或者接收都足以幀為單位。其中數(shù)據(jù)氳揍的低七位表示0~100 oC的溫度,最高位表示光照的有無(wú),1為有,0為無(wú)。 整個(gè)通信過(guò)程如下圖示,終端不斷發(fā)起同步傳輸,每個(gè)同步傳輸分為信息同步發(fā)送和中繼同步發(fā)送2個(gè)階段。信息同步發(fā)送階段收到終端同步信號(hào)的節(jié)點(diǎn)在分配給自己的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。中繼同步階段沒有收到終端同步信號(hào)的節(jié)點(diǎn)收到相鄰節(jié)點(diǎn)回復(fù)給終端的信息后,在本階段自己的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送中繼請(qǐng)求,目的ID為監(jiān)聽到的節(jié)點(diǎn)中的任意一個(gè),由選中的節(jié)點(diǎn)在下一個(gè)信息同步發(fā)送階段代替自己發(fā)送信息給終端。
圖3數(shù)據(jù)幀格式 為了克服各個(gè)節(jié)點(diǎn)定時(shí)不夠精確的問(wèn)題,需在每個(gè)幀之間加入保護(hù)間隔,在本協(xié)議中設(shè)計(jì)為發(fā)送一個(gè)字節(jié)的時(shí)間。 即發(fā)送一幀數(shù)據(jù)需要5個(gè)字節(jié)的時(shí)間。因此可以計(jì)算得到滿足要求最低的波特率。按照最壞情況計(jì)算,一共需要256×3A"時(shí)隙,每個(gè)時(shí)隙由5個(gè)字節(jié)之間,每個(gè)字節(jié)10個(gè)位,所以波特率大于: 這里為了留出余量設(shè)置為9 600 bps。 3 電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì) 3.1 發(fā)射電路分析與設(shè)計(jì) 在發(fā)射電路中(見圖4),我們選用74HC00,可在3 V電壓下工作,74HC()o實(shí)現(xiàn)了lO.7 MHz的載波產(chǎn)生,信號(hào)調(diào)制,功放驅(qū)動(dòng)為一體。功放的額定輸出功率是0.1 w。 3.2 接收電路設(shè)計(jì) 接收電路見圖5。接收機(jī)的前端采用了限幅電路,一個(gè)很小的電容(22 pF)后面接2個(gè)方向相反的二極管到地。這樣就保證了在收發(fā)天線很近的時(shí)候,接收到的電壓被限制在0.25 V。 控制收發(fā)的開關(guān)電路是有2個(gè)反向串聯(lián)的1N4148和一個(gè)4.7mH電感串聯(lián)一個(gè)5。6k電阻到單片機(jī)的I/O口。