无线环境监测模拟装置

1、1无线环境监测模拟装置无线环境监测模拟装置作品介绍作品介绍 2010-7-202010-7-2020009 全国大学生电子设计大赛全国大学生电子设计大赛高频组高频组 全体组员全体组员2赛题分析赛题分析设计方案介绍设计方案介绍 低功耗设计低功耗设计3设计任务：设计任务：设计并制作一个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。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）。监测终端和探测节点均含一套无线收发电路，要求具有无线传输数据功能，收发共用一个天线。赛题分析赛题分析4基本要求基本要求基本要求：基本要求： 1、制作2个探测节点。探测节点有编号预置功能，码预置范围为

2、00000001B11111111B。探测节点能够探测其环境温度和光照信息。温度测量范围为0100，绝对误差小于2；光照信息仅要求测量光的有无。探测节点采用两节1.5V干电池串联，单电源供电。（编码开关，光敏电阻，温度测量） 2、制作1个监测终端，用外接单电源供电。探测节点分布示意图如图1所示。监测终端可以分别与各探测节点直接通信，并能显示当前能够通信的探测节点编号及其探测到的环境温度和光照信息。（显示节点环境信息） 3、无线环境监测模拟装置的探测时延不大于5s，监测终端天线与探测节点天线的距离D不小于10cm。在010cm距离内，各探测节点与监测终端应能正常通信。（10cm通讯）赛题分析赛题

3、分析5发挥部分：发挥部分： 1、每个探测节点增加信息的转发功能，节点转发功能示意图如图2所示。即探测节点B的探测信息，能自动通过探测节点A转发，以增加监测终端与节点B之间的探测距离D+D1。该转发功能应自动识别完成，无需手动设置，且探测节点A、B可以互换位置。 2、在监测终端电源供给功率1W，无线环境监测模拟装置探测时延不大于5s的条件下，使探测距离D+D1达到50cm。 3、尽量降低各探测节点的功耗，以延长干电池的供电时间。各探测节点应预留干电池供电电流的测试端子。赛题分析赛题分析6说明：说明： 1、监测终端和探测节点所用天线为圆形空芯线圈，用直径不大于1mm的漆包线或有绝缘外皮的导线密绕5

4、圈制成。线圈直径为(3.40.3)cm(可用一号电池作骨架) 2、无线传输载波频率低于30MHz，调制方式自定。 3、监测终端和探测节点不得使用除规定天线外的其他耦合方式。 4、无线收发电路需自制，不得采用无线收、发成品模块。光照有无的变化，采用遮挡光电传感器的方法实现。 赛题分析赛题分析7总体需求:终端：节点环境信息的显示节点：电池供电，编码开关-设定节点编号，温度、光照。通信：线圈大小固定、基本要求10cm，发挥部分50cm。功耗：低功耗（无限制指标）关键技术： 1、低电源电压实现功率放大 2、收发共用天线实现双工 3、涉及中继的通信协议设计 4 4、低功耗设计、低功耗设计 赛题分析赛题分

5、析8系统整体框图系统整体框图节点和终端基本相同节点和终端基本相同终端显示节点中继通信节点中继通信终端发出请求后终端发出请求后节点信息发送给终端节点信息发送给终端91011通信频率、双工方法选择通信频率、双工方法选择 调制方式采用调制方式采用OOKOOK（2ASK2ASK），发射载波表示），发射载波表示1 1，不发射就是，不发射就是0 0。 终端及节点收发共用天线，系统通信方向只能采用半双工。终端及节点收发共用天线，系统通信方向只能采用半双工。 载波频率要求小于载波频率要求小于30M30M，实际选择，实际选择10.7M10.7M。 12 发射电路的选择电源电压：电源电压：2.9-3V2.9-3V

6、；线圈电压峰峰值：；线圈电压峰峰值：60-70V60-70V并联谐振：电压源供电，线圈电压小于激励的电压。并联谐振：电压源供电，线圈电压小于激励的电压。串联谐振：电流源供电，线圈电压约为电源电压串联谐振：电流源供电，线圈电压约为电源电压Q Q倍。倍。为了提高线圈电压为了提高线圈电压只能采取其它方法只能采取其它方法13系统的发射电路系统是一个完整戊类放大器（系统是一个完整戊类放大器（E E类）类）14接收电路的选择接收电路的选择15振荡器的设计振荡器的设计发送发送0时振荡器停振时振荡器停振 一个与非门和一个晶振即可构成振荡器。振荡器的启停受MSP430单片机控制。 16通信协议的设计通信协议的设

7、计 通信协议采用的是监测终端发起同步传输，各个节点根据终端的同步信息同步自己的时钟，然后在自己编号所分配的时隙内依次传输。 信息的交换采用帧交换，每个帧由四个字节组成。 每一次发送或者接收都是以帧为单位。其中数据字节的低七位表示0-100度的温度，最高位表示光照的有无，1为有，0为无。17通信协议的设计（续）通信协议的设计（续） 每个同步传输分为信息同步发送和中继同步发送两个阶段。信息同步发送阶段：收到终端同步信号的节点在分配给自己的时隙发送数据。 中继同步发送阶段：没有收到终端同步信号的节点收到相邻节点回复给终端的信息后，根据相邻节点ID计算本节点在中继同步阶段的时隙编号 ，并在中继同步阶段

8、自己的时隙内发送中继请求，目的ID为监听到的节点中的任意一个，由选中的节点在下一个信息同步发送阶段代替自己发送信息给终端。1819低功耗设计低功耗设计低功耗几点建议：1、选择单片机不能只看 静态功耗。2、慎重选择电源芯片。3、谨慎选择传感器4、 IO口低功耗设计原因：单片机工作时的功耗要比休眠高出3个数量级。原因：电源芯片自身消耗了太多的能量原因：一些传感器反应慢，功耗大合理使用IO口20低功耗低功耗MCU的选择的选择 以Mirochip的PIC24F16KA102为例，其超低休眠功耗为20nA，是深度休眠功耗。睡眠时所有的寄存器数值都被复位，如要保存寄存器数据，需要存入内部EEPROM，即每

9、次唤醒都要重新初始化。 其它类似的问题很多，要完成低功耗设计不能只看待机功耗，还需综合考虑。21低功耗低功耗MCUMSP430系列单片机系列单片机MSP430G2XX系列特性 0.1A RAM 保持模式 0.4A 待机模式 (VLO) 0.7A 实时时钟模式 220A/MIPS 工作模式 超快速地从待机模式唤醒 1 s22低功耗设计低功耗设计低功耗设计的几点建议：1、选择单片机不能只看 静态功耗。2、慎重选择电源芯片。3、谨慎选择传感器4、IO口低功耗设计工作时的功耗要比休眠高出3个数量级。芯片自身消耗了太多的能量部分传感器反应慢、功耗大合理使用IO口23低功耗低功耗不要使用普通电源芯片不要使

10、用普通电源芯片常用的1117-3.3的芯片，即使没有负载，静态电流就有1mA-10mA，是系统功耗的很多倍。电源芯片本身比单片机还要耗电！所以尽量不要选1117，7805.24低功耗设计低功耗设计低功耗设计的几点建议：1、选择单片机不能只看 静态功耗。2、慎重选择电源芯片。3、谨慎选择传感器4、 IO口低功耗设计工作时的功耗要比休眠高出3个数量级。芯片自身消耗了太多的能量部分传感器反应慢、功耗大合理使用IO口低功耗低功耗-温度传感器温度传感器DS18B20集成温度传感器 DS18B20传感器本身工作电流就接近1mA，更重要的是，对其进行读写时，MSP430需要很长的操作时间，不能休眠，功耗更大

11、。DS18B20成本低，可用于工业控制。但是速度慢功耗高，不适合低功耗应用26低功耗低功耗-温度传感器（续）温度传感器（续）MSP430F5438片内传感器：读写时间短、工作电流低温度信息2秒更新一次，2秒时间内只用工作30us。功耗几乎可以忽略。是很好的选择。 430内部传感器的资料：27低功耗低功耗-温度传感器温度传感器TMP温度传感器静态电流50uA。也是很好的选择28低功耗设计低功耗设计低功耗设计的几点建议：1、选择单片机不能只看 静态功耗。2、慎重选择电源芯片。3、谨慎选择传感器4、 IO口低功耗设计工作时的功耗要比休眠高出3个数量级。芯片自身消耗了太多的能量部分传感器反应慢、功耗大

12、合理使用IO口29低功耗低功耗-IO口设计口设计上拉下拉电阻取值必须仔细考量。光敏电阻实测：无光时电阻800K-900K，有光时仅1K。有光照时读到低电平。无光照时读到高电平。如果有漏光，无光时光敏电阻值为100K，则可能出现误读。所以需要良好遮光。30其它实现方案其它实现方案奖 励 等奖 励 等级级学校学校功耗功耗通信通信距离距离方案方案主控主控发射发射接收接收测温测温国 家 一国 家 一等奖等奖西安电子科西安电子科技大学技大学6 0 mW1 7 0cm4308550,ASK晶 体 管 级 联 放晶 体 管 级 联 放大大,LMC567DS18B20国 家 一国 家 一等奖等奖华中科技大华中

13、科技大学学9mW6 0 cm4302SC3355,OOK晶 体 管 级 联 放晶 体 管 级 联 放大大,TLC372430片内片内国 家 一国 家 一等奖等奖西北工业大西北工业大学学450mW6 0 cmC80519018,ASK晶 体 管 级 联 放晶 体 管 级 联 放大大,MC3458LM75国 家 一国 家 一等奖等奖成都信息工成都信息工程学院程学院9mW未见未见4309018,FSKKA8515,BB机机专用芯片专用芯片TMP275国 家 一国 家 一等奖等奖成都信息工成都信息工程学院程学院1 1 mW1 2 1cm4309018,FSKAN1184,BB机机专用芯片专用芯片TMP275国 家 二国 家 二等奖等奖西安电子科西安电子科技大学技大学1000mW1 0 cm430MC1648，9018 晶 体 管 级 联 放晶 体 管 级 联 放大大,LMC567TMP100国 家 二国 家 二