無線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　環(huán)境監(jiān)測(cè)是指通過對(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^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也可以通過與非門來調(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)過這樣后，三極管輸出為42n的純阻，然后經(jīng)過一個(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口來控制高速二極管的導(dǎo)通與關(guān)斷來實(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，1為有，0為無。

　　整個(gè)通信過程如下圖示，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。