无线环境监测模拟装置

无线环境监测模拟装置无线环境监测模拟装置

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耿东晛耿东晛

摘要摘要 本作品以MSP430单片机为核心，

利用数字温度传感器以及光敏电阻采集温度和光照信息；通过ASK 调制和调谐式解调（Tone Decoder）进行数据通讯，并采用CSMA 方式解决了多个节点公用同一信道的问题；采用存储转发机制以及对被转发的数据包赋予生命周期的方法，实现了自动转发功能以及对新节点加入和离开的自动识别。探测节点全部采用通用器件，以60mW 左右的平均功耗实现了节点间0.7m 以及转发方式下1.4m 的通讯距离，在达到指标要求的前提下降低了功耗和成本。

关键词：ASK 调制，Tone Decoder， CSMA，存储转发；

一、 方案论证与比较

1.1调制方案选择调制方案选择：：

方案1：采用FSK 调制，优点是具有较强的抗干扰能力。缺点是解调部分的硬

件较为复杂。

方案2：采用ASK 调制，优点是调制和解调的电路都相对简单，缺点是抗干扰

能力较差。通过在干扰较小的频段选择合适的载频，并通过窄带滤波能够消除大部分干扰，所以本作品选择了ASK 调制方式。

1.2解调方案选择解调方案选择：：

方案1：对ASK 信号放大与窄带滤波后，进行包络检波，再通过门限判决的方

法解调。该方案的成本低，缺点是抗干扰能力很差，窄带滤波器容易偏频，难以调试。

方案2：对ASK 信号放大后，采用调谐式解调器（Tone-Decoder）进行解调，

解调器本身是个窄带锁相环，能够省去窄带滤波器，且本身抗干扰能力较强；本作品中采用该方案。

1.3多点通讯方案选择多点通讯方案选择：：

多个节点间共用了同一个通信信道，因此在主机以及多节点之间涉及到信道复用问题。我们对比了以下方案：

方案1：采用时间分隔机制的信道复用，如主-从式的轮询点名或令牌环网络。

考虑到数据转发功能的实现必然要有多台主机，主-从式网络只允许一台主机显然不合适，而令牌环网络在节点随机离开后也会出现令牌无法传递的问题。并且，当节点编号未知时，依次搜索255个节点耗时很长。

方案2：基于碰撞侦测机制的信道复用，如A LOH A 、CSMA 等方式。优点是网络

中每个节点都可以作为主机，随时可以主动发送数据到任何其他节点。缺点是数据包可能因随机碰撞而丢失，且通讯延迟不可预计。但题目中要求5秒较为宽裕，而被传输的信息都是缓变量，允许进行多次重发。其中CSMA 方式在发送前进行载波侦听，不会出现A LOH A 在信道拥挤时将信道完全阻塞的现象，所以选择了CSMA 方式进行信道复用。 系统整体框图如图1，每个节点都采用低功耗的MSP430单片机对环境参数

进行采集和换算。用单片机内部的分频器对时钟分频产生载波，将串口数据流作为基带信号，用门电路进行调制，再通过丙类放大器谐振放大后发射。线圈接收的信号通过两级三极管放大器进行60d B 放大后，送入调谐式解调器进行解调，还原为基带信号，送至单片机串口；完成数据收发。

图1 系统整体框图

二、理论分析与参数计算、电路设计

2.1 2.1 收发电路分析收发电路分析收发电路分析 1）载波频率的选择载波频率的选择。。 电磁波能量分为磁场分量与电场分量两部分，线圈（环形天线）对其中的磁场分量敏感而对电场分量不敏感。虽然在理论上振荡频率越高电磁波越容易被发射，但考虑到实际的测试环境中存在各种磁场干扰，例如中波电台500kHz -1.6M Hz ，短波电台1.8M Hz -29.7M Hz ，占据了题目所限定频率范围的高端，因此我们选择500kHz 以下的频率。又考虑到工频设备100Hz 磁场以及开关电源的磁场干扰大约数十kHz 至100kHz ，我们取250kHz 的频率作为载波，避开了环境中可能的大部分干扰源。 2）发射电路分析发射电路分析。。 该系统中，信息通过磁场耦合，而线圈发射的磁场强度正

比于线圈中的电流。线圈内阻很小，如果直接给线圈施加大电流激励，系统功耗很大且能量几乎全部浪费在限流电阻上。为了以较小的功耗来获得较大的线圈电流，采用谐振式（丙类）放大器。经测量，直径3.5cm，5匝空心线圈的电感量L 0为1.87uH ，当谐振频率f 0=250kHz 时，与之并联的谐振电容C 0的容量为：

F 21.0L )f 2/(1C 0200µπ==

3）接收电路分析接收电路分析。。 对于接收放大器来说，线圈是一个低阻抗的信号源，不要求放大器具有高输入阻抗。ASK 解调对信号失真度要求也不严格，为了降低成本可采用三极管放大器，通过两级放大达到60d B 左右。放大后的信号通过解调后还原成基带信号（数据流）送至单片机串口。 2.2 2.2 通讯协议分析通讯协议分析

1） 通讯速率选择。 因为250kHz 载波频率较低，所以限制了通讯速率。考虑到

调谐解调器L MC567至少要20~100个载波周期才能实现可靠的检测，又考虑到串口采用每个比特中间时刻判决，需要留2倍裕量，最后以载波频率

的1/200，即1200bps 的速率进行通讯。

2） 信道复用分析。多点通信采用CSMA（载波侦听多路复用）方式，载波侦听

可以通过数据接收来实现。通过查询单片机RX D 引脚在一个字符时间内是否发生变化，来判定附近是否有其他节点正在发送数据。为了减小碰撞的概率，协议上尽可能采用短帧。每个节点采用随机时间作为发送间隔，若在发送前侦测到信道已被占用，则放弃本次发射，等待下一次发射窗口。发射间隔在0.25~1秒内随机变化，采用8字节数据帧，以1200bps 发送一帧需要60m s ，在2个节点情况下，每个节点碰撞发生的概率约为60m s/[(1000+250)/2]=1/10；而5秒内平均有8次发射窗口，数据连续5秒被阻塞的概率仅有1×10-8。当节点数量增加时，平均传输延迟变长，但每个节点一定能遇到发射窗口。

3） 转发协议分析。为了实现自动转发功能，每个节点内部都保留一定的存储空

间，用于存储它所收到的所有其他节点的数据。在连续运行一段时间后，每个节点内都存储有该节点所在连通域内的所有节点的数据。监控终端只要访问任一节点，即可获得该连通域内的所有节点数据。为了判别节点的离开，每一个数据都附加有生命周期，当生命周期结束后，该数据会被删除。协议数据帧格式如图2，每个节点发送自身的物理地址（拨码开关编号）、环境参数，并且附带转发它所接收到的其他节点数据；帧尾添加C R C 校验。

0=已失效1=有效00=无01=弱10=中0=已失效1=有效11=强

00=无01=弱10=中11=强

图2 通信协议帧格式

2.3 2.3 无线收发电路设计无线收发电路设计无线收发电路设计

无线收发电路如图3，主要分为发射和接收两部分。利用MSP430F1232单片机的时钟分频输出功能，将晶振（2M Hz ）8分频后输出250kHz 载波。串口发送数据通过与非门进行250kHz 调制，再驱动Q 5和L 1、C1构成的谐振放大器，通过线圈L 1发送出去。当数据停止发射时，Q 5截止，发射部分自动断开，不影响接收部分的工作。