基于WSN的宽量程射频功率检测系统设计

姚达雯，周国平，封维忠，黄峰，王鑫鑫

(南京林业大学信息科学与技术学院，江苏南京210037)

射频信号功率的检测已成为无线通信系统中的重要环节，目前有4种测量功率的方法：二极管检测功率法、等效热功耗检测法、真有效值/直流(TRMS/DC)转换检测功率法和对数放大检测功率法[1]。前3种方法分别存在误差大、操作复杂、受温度影响大等缺陷；最后一种方法避免了以上缺陷，但只适用于测量正弦信号，ADI推出的AD8362芯片也应用了这种方法，却能适用任何形式的输入信号，且大大提高了集成度和检测精度。然而，AD8362的线性测量范围较窄，无法满足大功率信号的检测。本设计通过CC2430的内部8051单片机与数字衰减器HMC274和AD8362构成闭环控制的方式，提高了量程范围，并通过CC2430的射频收发功能构成无线网络节点，借助ZigBee无线技术和GPRS通信技术实现大范围的多点功率采集。

1 硬件系统设计

1.1 设计方案

系统框图如图1所示，由传感器节点、协调器节点和监控上位机三部分构成。传感器节点由CC2430作为主控芯片，由AD8362和HMC274构成传感器探头。各节点通过ZigBee协议以多跳路由的方式将各节点功率值传输给协调器节点，协调器节点由CC2430、LCD显示模块和MC35i短信模块构成，当收到传感器节点采集的数据后，MC35i通过GPRS网络将数据传输给监控人员的手机，从而实现了宽量程、大范围的射频信号功率采集。

图1 系统框图

1.2 电源模块

传感器节点采用普通AA干电池供电，采集探头HMC274和AD8362需要5 V电源，而CC2430需要3.3 V电源，TC35i则需要4.2 V电源，因此必须搭建电压转换电路。采用ASM1117将+5 V转化为+3.3 V，输出电压经过电容滤波后提供给CC2430，并采用LM2941稳压芯片实现5 V转4.2 V的电源模块设计,转换电路如图2所示。

图2 电源转换电路

1.3 CC2430主控芯片

CC2430是Chipcon公司推出的适用于ZigBee无线网络应用的片上系统。内部集成低功耗8051控制器和符合IEEE802.15.4标准的CC2420RF射频收发器。其中，8051控制器具有32/64/128 KB的Flash、8 KB RAM、8路14位模/数转换器、1个16位定时器和2个8位定时器[2]。CC2430在传感器节点中的作用主要有：(1)接收AD8362的输出电压，并将其转换为功率信号；(2)控制HMC274的衰减值，确保AD8362的输出电压在线性范围内；(3)利用内部射频收发器将各节点功率值通过ZigBee协议组网发送给协调器节点。CC2430在协调器节点中的作用主要有：(1)利用内部射频收发器接收各传感器节点数据；(2)控制LCD模块显示节点信号功率；(3)控制短信模块MC35i实现与上位机/手机的通信。

1.4 功率检测探头

功率检测探头采用闭环控制电路，由天线接收到的射频信号首先通过衰减初值为0 dB的数字衰减器HMC274，再由射频变压器将信号转换为差分输入到AD8362进行功率检波，AD8362的输出电压经过电位器分压后输入CC2430的P0.6口,由CC2430进行内部A/D转换和线性计算后进行判断,当CC2430检测到的电压超过AD8362的线性输出上限+10 dBm对应的3.5 V时[3-4]，则通过P1.0～P1.4口控制HMC274以步进1 dB调节衰减量，将输入AD8362的功率控制在它的线性范围内，从而使量程上限提高31 dB，实现宽量程(-50 dB～+40 dB)检测。功率检测探头的电路如图3所示。

1.5 MC35i短信模块

图3 功率检测探头电路

MC35i是西门子公司的新一代GSM/GPRS双模模块，可以工作在900 MHz和1 800 MHz两个频段，功耗分别为2 W和1 W,工作电压为3.3～4.8 V，本设计采用4.2 V供电。它的GPRS模块永久在线功能提供了很快的数传速率，体积小，功耗低，能提供数据、语音、短信、传真功能，广泛用于遥感测量记录传输、远程信息处理和电话应用中[5-6]。本设计中MC35i作为协调器节点与上位机/手机的通信模块，外围电路如图4所示，其中CC2430的I/O口需要通过高压驱动器7407实现对MC35i的驱动。

图4 短信模块

2 软件系统设计

2.1 协调器节点软件设计

本设计以IAR Embedded Workbench为开发环境，以C语言为编程语言，采用移植性和可读性较好的ZStack开源程序为模板，改变其中的APP程序建立项目。在整个网络中，协调器节点用于接收传感器节点采集的数据，并进行显示和发送。上电后，协调器节点首先进行ZigBee协议初始化、信道扫描并建立网络。网络形成后，进入允许绑定模式，响应传感器节点的绑定请求[7-8]。绑定成功后，等待传感器节点发送数据，当接收到相应数据后，初始化MC35i模块，建立GPRS连接，向上位机/手机发送节点数据。

2.2 传感器节点软件设计

传感器节点负责检测射频信号强度，并进行数据处理及与协调器的通信。软件部分主要包括数据采集程序和网络通信程序。在网络通信部分，传感器节点能自动加入网络并发送绑定请求，等待绑定成功后定时将采集数据发送给协调器。如果绑定失败，传感器节点将自动移除绑定[8]。在数据采集部分，为拓宽AD8362量程，采用闭环控制思路，主要包括电平数据采集、数据处理、衰减器控制量的调整和存储，流程图如图5所示。

图5 数据采集程序

2.3 短信模块软件设计

CC2430通过串口发送AT指令对MC35i进行控制，并与GPRS网络引擎进行相互通信、交换数据[5]。本设计采用PDU模式将协调器节点收集到的数据以短信的形式发送到检测人员的手机，发送流程如图6所示。协调器采集完毕后，如需向检测人员发送节点数据，则启动MC35i，将数据分组PDU打包后发送[9]。当存在一个或一个以上传感器节点检测到的功率值超过-50 dB～+40 dB量程范围，且在系统设定时间内报警没有排除时，发送报警短信。

图6 短信发送流程

3 实验结果分析

为了检测探头是否达到宽量程的标准，对功率采集探头进行了单独测试。记录功率真值及其对应的AD8362输出电平,将测试得到的100组数据录入到Origin7.5的表格中并进行拟合,得到满量程输出曲线如图7所示。当射频信号功率大于10 dB时，CC2430控制HMC274的衰减量，输入到AD8362的射频信号减小到10 dB以下，对应输出电压趋近于临近3.5 V的一条直线，此时的射频功率值为CC2430的P1口控制的衰减值与AD8362输出电平对应的功率值之和。

图7 满量程输出曲线

为了验证系统工作性能，将调试好的装置进行了实际测试，在室温(20℃)下，对5台ZY12RFSys32BB1射频训练仪产生的2.4 GHz射频信号的功率值进行了采集。将检测功率与实际功率进行了对比，结果如表1所示。可见整个系统测量误差可以控制在0.5%以内,工作稳定，通信效果理想。

表1 实验数据

本文采用ZigBee无线技术与GPRS通信技术相结合，设计了一款测量量程宽、测量范围广的WSN多点射频功率检测系统。以CC2430作为核心控制和射频收发设备，采用闭环控制采集探头，实现-50 dB～+40 dB量程范围的功率检测。经过实验检测，系统误差在0.5%以内，通信效果理想，实现了预期的宽量程和宽范围检测。

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