无线环境监测模拟装置 101-33组

1、无线环境监测模拟装置101-33组摘要：本系统基于ZigBee通信技术的基本原理，以MSP430单片机为控制核心，实现了环境温度和光照信息的采集以及节点之间无线数据传输的功能。系统由一个监测终端和两个探测节点组成，三者均含一套收发电路；探测节点能够探测环境温度和光照信息，并能将探测到的信息直接传输或通过其他探测节点转发到监测终端；监测终端能自动检测探测节点的有无及其地址。系统采用FSK的调制方式，接收电路采用专用FSK解调芯片MC13135实现，监测终端与探测节点之间的直接通信距离大于20cm，通过中间节点转发后有效探测距离大于50cm，误码率小于1%。根据通信协议将传输码率设为4000bps

2、，实际测量探测时延<3s,完全满足题目要求。系统正常工作时，监测终端发射状态电源供给功率为600mW，探测节点工作时最大功耗为210mW。另外，系统还具有时钟显示和误码率测试功能。关键词：ZigBee 无线通信 环境监测 FSK 一 方案论证与选择1. 调制方式的方案论证本系统要传输的是数字信号，常用的数字调制方式有以下三种：方案一：ASK方式。ASK是用调制信号去键控载波的有无，其调制和解调电路均较简单，缺点是对信道特性变化敏感，抗干扰能力较差。方案二：FSK方式。FSK是用调制信号去键控载波的频率，其抗干扰能力强于，调制和解调较易实现，多用于中低速率通信。其缺点是频带利用率较差。方案

3、三：PSK方式。PSK是用调制信号去键控载波的相位，其抗干扰能力强于方式一、二，但调制和解调电路较复杂，多应用于高速率通信中。综合比较，本系统选择方案二实现，实际测量天线回路的带宽约为32kHz，设定FSK载波频率间隔为20kHz时通信效果良好。2. FSK产生方案论证方案一：锁相环调制。利用锁相环的窄带跟踪特性，将调制信号加到压控振荡器(VCO)的输入端，合理设计环路滤波器的截止频率，使之远低于调制信号的频率，从而VCO产生的频率能跟踪调制信号的变化，实现FSK调制。其优点是单片锁相环即能实现，功耗较低，解调也可用锁相环实现。缺点是频偏较小时，VCO输入端调制信号幅度也较小，且要求VCO增益

4、足够小。方案二：模拟开关键控。用锁相环合成两个载波频率，然后通过模拟开关键控产生FSK信号。优点是两载波之间的频率间隔可以做到很小，且频率十分稳定，缺点是功耗稍大。实际测试表明，在用方案一实现FSK调制时，得到的载频为12MHz、频偏为20KHz的FSK信号频率有抖动，解调出来的信号抖动较大，故选用方案二。3. 功率放大的方案论证为了将调制后的信号以较大的功率发射出去，需要加入功率放大电路，常用的有丙类功放和丁类功放两种。方案一：丙类功率放大器。又称谐振功率放大器，晶体管工作时，电流的通角小于90°，波形存在较大失真，一般采用调谐回路作为负载，同时起滤波和阻抗匹配的作用，理想效率较高

5、。但实际调试较困难，且效率难以做到较高。方案二：丁类功率放大器。又称D类功放，工作时晶体管处于开关状态；导通时，管子进入饱和区，器件内阻接近于零；截止时，电流为零，器件内阻接近于无穷大；这样，就使集电极功耗大为减少，效率大大提高。从功耗和调试难度的角度考虑，本系统选择方案二。采用低端功率MOSFET驱动芯片UCC37321实现，UCC37321的最高驱动电流为，完全满足题目要求。4. FSK解调方案论证方案一：锁相环解调。原理与锁相环调制相同，只是设计环路滤波器的截止频率高于调制信号的频率，使VCO的频率锁定在载波频率上，从而实现FSK解调。该方案优点是电路简单、功耗低，缺点是接受灵敏度不高。

6、方案二：采用专用集成解调芯片解调。受带宽限制，可选用窄带FSK解调芯片MC13135实现，MC13135采用二次变频，内部含混频器、振荡电路、限幅放大电路，具有较高的接收灵敏度和较强的噪声抑制能力，且调试简便。经实测，方案二和方案一的功耗相差不大，为了增大通信距离，本系统选择方案二实现。二 系统总体方案设计及实现框图根据以上方案论证，结合题目要求，我们设计出整个系统的示意图如图2.1所示，实际只制作节点A、B，探测节点和监测终端的实现框图如图2.2所示。图2.2中，监测终端不含其中的编码预置、温度采样和光照检测部分；探测节点不含键盘和显示电路；监测终端和探测节点都包含FSK调制电路、功率放大电

7、路和FSK解 图2.1 系统整体示意图调电路，终端与节点以及节点与节点之间的通信都由MSP430控制实现。图2.2 探测节点和监测终端的实现框图三 理论分析与计算1. 发射电路分析发射电路由FSK调制电路、功率放大电路和天线匹配电路组成。题目要求传输载波频率低于30MHz，而线圈的辐射电阻为，其中为工作波长，为线圈的面积，为匝数。传输载波频率越大，越大，发射效率越高。但频率越高，电路的功耗越大，对器件的要求也越高，本系统选取载波频率为12MHz。经实测，根据题意绕制的线圈的电感值约为2uH，在12MHz频率时的阻抗约为 图3.1 天线匹配0.2，传输带宽，FSK载波为12MHz、12.02MH

8、z，码元速率为4kbps，带宽满足。FSK采用键控方式实现，通过锁相环产生载波后由模拟开关进行选通。发射末端由线圈和串联电容构成谐振回路，如图3.1所示，C1为隔直电容，由串联谐振公式得匹配电容C约为88pF，谐振时线圈两端电压最大，发射功率最大，但由于接收机具有较高的灵敏度，为了降低发射功耗，实际电路中改变C的值，使其失谐，但功率放大器的效率不会降低。2. 接收电路分析本系统接收电路由专用集成FSK接收芯片MC13135实现，它采用了二次变频技术，其原理如图3.2所示。接收机含两个中频、，输入的信号经滤波、低噪放大后与本地产生的振荡信号进行第一次混频将其下变频至；下变频信号通过带通滤波器之后

9、，应用一个可实现主动镜像干扰抑制的综合混频器，将所需信号下变频至；下变频信号经限幅放大后进行正交鉴频，解调出调制信号。设接收信号频率为，第一本振频率为，第一中频为，由于较大，第一像频远离；二次变频还会产生第二像频，由于第二中频频率较低，通频带很窄，第二像频不会落入带内；并且是一个固定频率，可以用陷波电路彻底抑制掉。因此，二次变频具有很强的镜像抑制能力。又由于芯片集成的限幅放大器、混频器具有很高的增益，使得其具有相当高的灵敏度。图3.2 二次变频原理框图3. 通信协议分析ZigBee是一种新兴的短距离无线组网通信技术，采用自组织网通信技术，即网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是在数据传输前

10、通过网络对目前所有可通信的路径进行搜索，并选择其中最近的一条传输数据，如传不通再选用稍远的通路传输，以此类推。本系统含1个监测终端和255个探测节点，采用如图2.1所示的网状通信结构(实际只制作两个探测节点)，正是一种简化的ZigBee模型。将终端和两个节点分别记为A、B、C，通信数据包括检测信息(广播信息)、探测命令(读取指定节点探测信息)、节点地址信息、探测信息(由节点发至终端的环境信息)及转发信息(由节点发至其他节点或终端的信息)，其数据帧格式如图3.3所示。其中起始帧用于起始同步和区别信息种类；地址范围为1255时，为了避免与起始帧相同，地址帧采用两帧传输，多余位加入帧奇偶校验信息；要

11、传输的温度信息共有12位，而光照信息用1位表示，则数据信息共13位，以两帧传输；由于起始帧确定时，传输信息类型也确定，相应的数据位数也确定，为了提高传输效率，不加入停止帧。终端主要发送命令信息和接收探测信息，节点同时具有与终端直接通信和与其他节点转发通信的功能，所有信息的传递严格按照时序进行，具体流程如图5所示。本系统传输速率设为4kbps，故传输检测信息、探测命令信息、节点地址信息、探测信息和转发信息的时间分别为2.75ms、8.25ms、11ms、13.75ms和13.75ms。探测经过最长路径(A-B-C-B-A)时，理论最长时延(仅考虑两节点)为=44ms。图3.3 数据帧结构四 主要

12、功能电路设计1. 发射电路设计发射电路由载波产生电路、FSK调制电路和功率放大电路组成，如图4.1所示。其中载波产生由锁相环CDCE937实现，CDCE937是TI公司生产的一款可编程锁相环时钟合成器，其内部含3个独立的锁相环，每个锁相环工作时的电流为9mA，频率上限230MHz，输出可以2.5V或3.3V单独供电。通过CDCE937产生频率分别为12MHz和12.02MHz的载波1、2，本振频率为22.71MHz。键控采用模拟开关TS5A3159，其导通电阻为1.1，带宽为100MHz，工作电流仅0.1uA。功率放大采用低端功率MOSFET驱动芯片实现，其最高驱动电流为，输入兼容TTL电平和

13、CMOS电平，供电范围4.0V15.0V，而且带使能端，在接收状态时芯片停止工作。图4.1 发射电路2. 接收电路设计由MC13135构成的FSK解调电路如图4.2所示。MC13135通过二次变频和正交鉴频实现FSK解调，其供电电压为2.06.0V，工作电流3.5mA，输入频率200MHz，接收灵敏度为1uVrms。由CDCE937产生的22.71MHz本振信号与接收到的FSK信号进行第一次混频得到10.7MHz的中频信号；中频信号经10.7MHz陶瓷滤波器后与晶振产生的10.245MHz进行第二次混频得到455kHz的中频信号；中频信号经正交鉴频后输出解调信号，鉴频的调谐采用并联LC回路，通

14、过设置L和并联电阻的值可以得到合适的Q值，使解调效果最佳。解调输出的信号经过RC滤波后进行整形放大，经电平转换后送给单片机。图4.2 接收电路五 软件部分设计图5 软件流程图本系统由MSP430控制监测终端与探测节点以及探测节点之间的通信，具体流程如图5所示。对于监测终端，系统初始化后检测探测节点有无，若接收到信息，即将检测到的节点地址显示出来；还可通过按键控制读取已探测到的节点信息，或重新检测探测节点。对于探测节点，系统初始化后处于等待状态，收到广播信息，即终端发射检测命令时，延时后将本地址信息发送给终端，延时后将检测命令转发给其他节点；在收到探测命令时，若不为本节点地址，则延时后将探测到的

15、信息发送出去，否则延时后将命令信息转发出去；在接受到转发信息，即自其他节点传向终端的信息时，延时后将接收到的信息重新发送出去。由于只制作两个探测节点，故延时的设置只需要考虑另外一节点和终端的发送，理论值取为(节点A)或ms(B)，ms(A)或ms(B)，(A)或ms(B)，ms(A)或ms(B)，(A)或ms(B)，实际取稍大一些的延时，以提高稳定性。六 测试与分析1. 测试使用仪器及型号60MHz数字存储示波器Tektronix TDS1002、秒表、米尺20MHz便携示波器FLUKE 123、40MHz函数信号发生器SG1040MT4080A手持RLC数字电桥、3位半数字万用表DT9205

16、A2. 测试方案2.1 温度测试方案以温度万用表测出的温度作为标准值，设定监测终端与探测节点的距离小于10cm，将监测终端收到的温度值显示在LCD上，计算误差。2.2 监测终端与探测节点直接通信的距离和时延测试方案单独测量监测终端与探测节点之间的通信距离、时延，另一个节点移开；在终端能正确接收到探测信息的前提下(即接受到的温度和光照信息与2.1中测得的信息一致时)，用米尺和秒表分别测出探测距离和延时。2.3 转发功能及探测距离、时延测试方案将其中一个节点放在距监测终端小于2.2中测得的最大通信距离的位置上，另一个节点放在距监测终端大于2.2中测得的最大通信距离的位置上，由终端读取远距离节点的探

17、测信息；在能正确接收到探测信息的前提下(判断方式与2.2一样)，用米尺和秒表分别测出探测距离和延时。交换节点位置，重复上述测试。2.4 功耗测试方案按照题目所示的测试电路，用3位半数字万用表直流电流档读正常工作时的最大显示值，计算出功耗。3. 测试结果与分析3.1 温度的测试结果见附表1，可见测量误差为1，满足题目要求。3.2 监测终端与探测节点直接通信的距离和时延的测试结果见表1所示，从表中可以看出，系统监测终端与探测节点间的直接通信距离和探测时延均满足题目要求，经过实际测试，最大通信距离为25cm，最长探测时延为900ms。表1 监测终端与探测节点直接通信的距离和时延的测试结果次数节点结果

18、1结果2结果3距离(cm)时延(s)误码距离(cm)时延(s)误码距离(cm)时延(s)误码节点A00.60.6%100.60.8%4011%节点B00.60.7%100.70.8%411%3.3 转发功能及探测距离、时延的测试结果见表2所示，其中D1为靠近监测终端的节点与监测终端的间距，D2为两探测节点之间的距离，从表中可以看出，每个探测节点都能实现自动转发信息的功能，监测终端与探测节点之间的探测距离大于50cm，满足题目要求。表2 转发功能及探测距离、时延的测试结果近端节点D1(cm)D2(cm)时延(s)功能节点A40202.52能实现转发节点B30302.55能实现转发3.1 功耗测试结果与分析监测终端和探测节点正常工作时的功耗测试结果