无线环境监测模拟装置

余水清

无线通信技术、无线技术给人们带来的影响是无可争议的。如今每一天大约有15万人成为新的无线用户。该课题的主要技术在于无线数据传输，研究该课题的主要意义在于让我们更加深入地了解无线数据传输的原理。本课题的研究对象是通信系统中的发送设备和接收设备的各种高频功能电路的功能、原理和基本组成。在科学技术的快速发展，通信集成电路不断更新的今天，研究本课题应特别注意对电路功能和基本原理的理解。

一、系统方案设计

（一）设计任务

设计并制作一套无线环境监测模拟装置，实现对周边温度和光照信息的探测与采集。该装置由 1 个监测终端和不多于255个探测节点组成（实际制作2个）。每个装置由无线收发信机，耦合线圈（天线），传感器，信息处理器，显示器等多个模 块构成，实现监测终端对不同探测节点周边环境信息的探测与采集。命题所要求系统具体的性能与术指标：实现无线数据通信；探测节点可预置编码，并不多于255个；温度测量范围0℃～100℃，绝对误差小于2℃；探测有无光照；探测时延小于5s；监测终端与探测节点通信距离不小于10cm，增加节点转发功能，通信距离不小于50cm；尽量降低整套装置的功耗。

（二）方案论证与选择

1.调制解调方式

数字通信中常用的调制方式有ASK，FSK，PSK等。由于探测节点由电池供电，而FSK或PSK调制解调方式需要的供电电压和功耗较高，所以我们选用功耗低且易于实现ASK调制解调方式。

2.载波频率

对耦合线圈作为天线传递信息进行计算与分析，在发射功率一定的情况下，载频越高，天线指向性越强，则接收信号质量越好。受限于命题载波频率小于30MHz 的要求，最终将载波频率定为12MHz，由晶体振荡器产生。

3.功放的选择

由于探测节点的低电压供电要求使得功率放大在使用普通元件时变得相对困难，经测试，非门振荡器所产生的信号，经模拟电路处理，接50Ω负载最低幅值达1.65V（6.4mW），可以直接接到天线发射，无需再加功放电路。

4.单片机选型

监测终端：监测终端可以采用5v电源供电，因此可以选用5V电源的单片机，我们采用了AT89S52单片机，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器。AT89S52单片机具有编程容易，兼容性强等优点，出于AT89S52单片机是我们了解的比较深入，同时也是我们使用的比较多的单片机，所以我们选择AT89S52做我们监测终端的处理器。

探测节点：探测节点是由两节电池3V供电，单片机必须选择更低电压的。在作品中，我们选择了STC12LE5A16S2。STC12LE5A16S2是一种更低功耗，与51系列单片机兼容的微处理器。

（三）系统方案框图

对每一个探测节点和检测终端都制作同样的收发信机，其结构示意图如图1所示。

数据发射：单片机串口发数据，经晶体ASK调制发射机将数据进行调制，再通过天线匹配网络，最终将信号经耦合线圈发送出。

数据接收：耦合线圈接收射频信号，经选频进入接收机混频，然后差频出一个5M的中频信号，再通过接收机内的ASK解调电路将信号解调出来。输出基带信号，再经模拟信号处理获得数字信息。

二、理论分析计算与电路设计

（一）发射部分

1. 耦合天线

天线线圈等效电路如图2所示，其中LANT表示线圈电感量，RANT表示线圈的等效电阻，CANT表示线圈的分布电容。

根据要求实际制作的线圈，用LCR电桥测量的结果为：LANT=1.5UH，RANT=25mΩ，CANT=7.5pF。天线的品质因数是天线正确调谐和所获得性能的一个重要特性，所制线圈的品质因数Q=ωR*LANT/RANT=10178.8。而根据线圈的几何形状，Q的值通常在50到100之间。要进行正确的数据传输这个值还要减少，由于带宽B=Fr/Q，以及时间与带宽乘积规定B*T≥1，得出Q≤fR*T。由于元件的容差和对温度的依靠，Q通常取35，所以要降低原始Q因数。须串入一个外部电阻REXT=ωRLANT/35-RANT=7.24Ω。采用图2所示的电路图将天线匹配到50Ω。

2.发射机

系统发射采用ASK调制方式。系统采用非门振荡器产生27MHz载频信号，运用或非门数字器件实现符合逻辑要求的ASK已调信号。发射功率大于等于6.5mW（50Ω假负载）。发射机硬件实现电路如图4所示。考虑到功耗问题以及逻辑电路稳定工作，发射机在发送数据之前10ms启动晶体振荡，然后调制基带信号。

1. 3839a接收机

3839A接收机电路如图5所示。3839A是一款低电压供电，带有高速接收信号强度指示（RSSI）输出的 FM 接收机芯片，分析其内部结构框图。射频信号进入3839A与本振混频得到中频，然后经中频滤波器，进入中频放大器，再次对中频滤波，然后经中频限幅放大器输出，而3839A芯片内部的快速 RSSI（100kHz）根据中频放大器和中频限幅放大器获取RSSI信号。由于该套通信系统所建立的信道是ASK信道，则可以根据该芯片的RSSI轻松实现ASK信号的解调。RSSI的转换速率可轻松满足系统的最高通信速率。

2.解调信号处理

接收机解调信号处理电路如图6所示。信号解调后经过一级同相放大，放大后经过一级电压比较器输出到单片机处理。解调后的信号很微弱不足以直接送给单片机处理，同相放大是为了满足我们对信号电压的要求。信号在放大后，经过一级比较器，将解调信号转换为数字信号。

（三）传感器

1.光电传感器

图7光照判断

有光照时，光电二极管导通，26脚为低电平，没光照时，光电二极管截止，26脚为高电平，设置合适的门限电压，单片机通过判断26脚的电平高低判别有无光照信息。

2.温度传感器

采用低电压供电SPI总线的数字温度传感器DS18B20，该温度传感器最大绝对误差小于2℃，满足命题要求。

（四）信号处理

1.终端

终端电路包括一个单片机最小系统、显示电路、LED指示电路。单片机首先发出搜索信号去搜索探测节点，探测节点接收到信号后，发回一个应答信号给终端，然后再发数据。终端通过串口接收把数据接收进来进行处理，处理的信息包括光照信息和温度信息，温度信息通过1602LCD显示出来，光照信息通过LED2、LED3的亮灭来指示。LED2亮表示探测节点A有光照信息，LED2不亮表示探测节点A没有光照信息。LED3亮表示探测节点B有光照信息，LED3不亮表示探测节点B没有光照信息。

2.探测节点

探测节点信号处理电路就是一个单片机最小系统电路，光电传感器电路和温度传感器电路得到光照信息和温度信息后送到单片机处理，光照信号和温度信号在数字编码后通过串行口进行发送。

三、系统软件设计

系统软件设计包括两个部分，一个是软件编解码的码型设计，一个是无线通信协议的设计。

1.码型设计

方案一，采用高低电平的占空比不同表示“1”与“0”。设置传输一位码元的周期为固定值，即传输波特率固定。定义“1”为800us高电平与200us低电平，占空比为4/5。定义“0”为200us低电平与800us高电平，占空比为1/5。一帧数据以“引导码+数据”的方式发送。此方案在大多数有线通信中被采用，但考虑到无线通信过程中噪声干扰的不确定性。长时间的高电平或低电平都很容易产生毛刺导致误码。而且编码中有长时间的低电平或高电平，硬件电路的不易实现整形和解调。所以编码不采用此设计方案。

方案二，采用占空比相同而周期不同的形式表示“1”与“0”。一个码元用占空比为1、2的形式表示。定义数据“1”表示为周期等于1ms，数据“0”表示为周期等于2ms。引导码为2个字节的AAH。种编码方式和数据帧的定义，可以避免长“1”或长“0”时出现长时间的高电平或低电平，增加了码元通信的可靠性。同时，这种编码方式可以获得有效的同步信号，即使在传输40Bit（本装置设计发送一帧数为5个字节，即40Bit）的长串数据的情况下，仍能有效的控制通信过程的同步要求。

从软件编程的思路和降低编解码的误码率的角度考虑，我们采用了方案二，即以1KHz的频率表示数据“1”，周期为1ms。以500Hz的频率表示数据“0”，周期为2ms。占空比均为1/2。在码型确定下来之后，又确定以两个字节的AAH作为一帧数据的同步头。这种编码方式和数据帧的定义，可以避免长“1”或长“0”时出现长时间的高电平或低电平，增加了码元通信的可靠性。同时，这种编码方式可以获得有效的同步信号，即使在传输40Bit（本装置设计发送一帧数为5个字节，即40Bit）的长串数据的情况下，仍能有效的控制通信过程的同步要求。

2.通信协议

根据本无线环境监测系统的功能，设计通信协议为：发送一帧数据包括“引导码+ID码+数据+命令”，共5个字节。其中引导码占用两个字节，地址码1个字节，数据码和命令码两个字节。8BitID码可以识别256个不同的探测节点，能够满足系统需要。数据码用来传输8Bit的数据，其中b0-b6用来表示温度信息，b7用来表示光照的有无。命令码用于实现组网通信的协议要求。规定：

五、结束语

本装置采用单片机、无线传感器网络技术、结合嵌入式技术实现了一种通用的无线环境监测系统。本系统能随时对待环境内的温度和光的有无信号进行实时监测，是低功耗、高可靠性的检测控制系统。每个节点采集到两种数据，是某一段区域的数据。传感器采集到的数据大部分是静态数据，而对环境感知而言，动态数据才是最重要的，这就要求节点自身能对先期采集到的数据进行过滤筛选，分离出有用的数据，再与相邻节点共享。单片机进行决策需要融合多传感器、多点的数据，达到最优传输、最远距离。

责任编辑朱守锂