无线环境监测模拟装置设计

无线环境监测模拟装置的设计
摘要：简要介绍一种无线环境监测模拟装置的设计方案，给出收发电路、通信协议和系统软件的设计方法。

该装置可对周边多点环境温度、光照等环境信息进行探测，实现各探测点与监测终端之间信息的无线传输。

关键词：无线环境监测模拟装置设计
0 引言
在很多情况下，监控中心都需要对周边及关键位置的环境信息（如温度、照度、湿度等）进行监测和处理。

各探测点信息采用有线传输是一种可靠的方法，但受建筑物装修要求和环境障碍等因素限制，不宜采用有线方式传输时，使用无线方式传输无疑是一种经济适用的选择。

本装置要求能在5秒钟内完成对255个探测节点环境温度和光照信息的无线探测，并自动巡回或手动选择显示相关环境信息。

1 系统方案设计
根据设计要求，为便于对周边多点环信息进行探测，实现监测终端与各探测节点之间信息的无线传输，本装置由探测节点分机和监测终端两大部分组成。

探测节点分机由单片机、温度检测电路、照度检测电路、无线发射电路和接收电路等组成；监测终端由单片机、无线发射电路、无线接收电路和显示电路等组成。

系统结构如图1所示。

各探测节点分机完成对环境温度和照度信息的采集与处理，并适时向监测终端和邻近检测节点发送信息；监测终端完成探测命
令的发布、探测信息的处理、存储与显示。

1.1 信息传送与转发方案为防止某个探测节点在上传信息时发生碰撞，系统采用“时分复用”信道的通信方式。

约定每个节点必须在规定的时隙δt内完成信息发送。

某个节点接收到监测终端发来的“探测命令”时，或接收到邻近节点转来的第一个“探测命令”时。

启动定时，定时时间到便开始发送信息。

定时时长根据每个节点地址不同或是否能直接接收终端“探测命令”为依据决定。

当监测终端需要探测环境温度和照度信息时，便以广播通信方式向各个探测节点发布“探测命令”。

能直接接收终端“探测命令”的节点同时启动定时，某个探测节点定时时间到，便开始向终端和邻近节点发送信息（含地址、温度和照度信息）。

终端将信息接收下来送单片机存储、处理；不能直接接收“探测命令”的节点（如地址序号为j的节点），在接到第一个邻近节点（如地址序号为i
的节点）发出的信息时，便认为收到了“间接探测命令”，于是开始启动定时。

由于每转发一个节点信息需要两个δt，因此转发节点j的定时时长
t=（256-i+2j）δt。

定时时间到，便发送含有i节点地址、j节点地址与环境数据的信息。

此时，若i节点收到j节点发出的含有本节点（i节点）地址的信息，表明j节点需要本节点转发信息；若i节点收到的j节点信息中不含有本节点（i节点）地址的信息，表明j节点不需要本节点转发信息。

1.2 信息处理与显示方案由于要求在5秒内完成对255个探测节点环境信息的探测，考虑到最多可能有254个节点的信息需要转发。

这样，监测终端对每个节点的探测时间只有几十毫秒，这么短的时间无法实现“即时检测即时显示”，只能将地址信息和环境信息全部接收下来处理后，再根据需要送显示器显示。

显示方式有三种选择：一是自动巡回显示，二是手动设定/选择显示，三是报警节点优先显示。

1.3 通信协议
1.3.1 数据包格式本系统的信令和数据包由同步码ws、功能码fc、数据包长度码sig、数据包内容digi和校验码check五部分组成。

数据包格式如下：
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1.3.2 spl编解码与数据包传输①spl编码与数据包的发送。

数据包ws、fc、sig、digi、dheck的发送是由单片机的通用输出端口从高位到低位串行逐位发送的，发送完ws以后，发真正的信令码fc、sig、digi、dheck时，将进行spl编码，按照1变为01，0变为10的原则，fc由原15位变成30位。

②spl解码与数据包的接收。

数据包的接收是发送的逆过程，是由单片机的通用接收端串行接收的，当单片机串行接收到ws后，即着手接收已经过spl编码的fc、sig、digi、dheck。

如果按照011，100的原则进行spl 解码，若出现00或11的情况，认为接收端出错，若出错两次，则信令无效，若只有一次，则暂时按000，111处理，留待下一步校
验码纠错。

③差错控制编码检错与纠错。

差错控制的基本思路是，在发送端根据要传输的数据系列加入多余码元，使原来不相干的变为相干的数据，即编码。

传输时将多余码元和信息码元一并传送。

接收端根据信息码元和多余码元间的规则进行检验，即译码。

根据译码结果进行差错检测。

当发现差错时，由译码器自动将错误纠正。

这种多余码元就是校验码。

2 电路与程序设计
2.1 发射电路各探测节点和检测终端的发射电路可采用相同的电路结构。

电路一般由脉冲产生电路、脉冲整形电路、调制与发射电路构成。

载波频率的稳定与否是发射电路能否稳定、可靠地工作的关键，本设计采用振晶与高速与非门构成的振荡器来产生稳定的载波信号。

信号的发射是通过线圈耦合的方式实现的，因而射频功放应选择谐振功放。

谐振功放有a、b、c、d类，综合考虑电路的复杂程度及效率问题，本设计选用三极管构成的c类放大器对高频信号进行射频功率放大和发射。

常用的数字调制方式主要有ask、fsk和psk。

相比而言，fsk、psk电路比较复杂，本设计选择100%ask调制。

100%ask以100%的能量进行数据传输，保证了信号的较高抗干扰性，解调容易，在一定程度上提高了通信的可靠性。

2.2 接收电路各探测节点和检测终端的接收电路可采用相同的
电路结构。

电路主要由混频器、本机振荡器、中频放大器、检波器、低频放大器和脉冲整形电路构成。

混频器的作用是提高接收电路的灵敏度、选择性。

如果没有混频电路，接收电路将直接放大接收到的高频信号，将会出现灵敏度低、选择性差的问题。

采用混频器后，将高频信号变为固定的中频，故在混频器后设置中频放大器，中频放大器在固定中频上放大信号，放大电路可以设计得最佳，使放大器的增益做得更高且不易自激。

本设计中频放大器中设置了一个藕合谐振电路和一个选频网络，以进一步提高接收电路的选择性和抗干扰能力。

由于检波出来的信号较弱，须经低频放大以后才能进行比较判决。

因此解调电路部分应包括由检波器、低频放大器和脉冲整形电路。

解调出来的数据信号送单片机进行处理。

2.3 系统软件设计
2.3.1 监测软件设计终端单片机节点完成探测命令发布、探测到的节点信息的处理和显示。

当需要探测节点信息时，终端以广播方式发出探测命令，并启动定时，定时时长为512δt（δt为一个节点上传信息所需时间），确保255节点在转发情况下都能可靠探测。

当探测到节点信息时，将该节点信息进行存储、处理。

全部节点的信息都接收下来处理完后，将地址信息、温度信息和光照信息依序送显示器显示。

然后再进行下一循环的探测。

主要程序流程如图2所示。

2.3.2 节点软件设计探测节点单片机完成对环境温度、照度信
息和电池电压的采集与处理，适时向终端和邻近节点发送信息，并根据临近节点的需要及时向终端转发信息。

主要程序流程如图3所示。

3 结束语
本装置为一模拟实验系统，由于各探测节点能够接收和转发邻近节点传来的信息，不仅数据传送可靠，而且通信距离远比点对点大。

测试结果表明：该装置能够准确完整地监测和处理各探测节点的环境信息。

只要适当增加发射电路的载波频率和发射功率就能增加探测距离和范围，以适应实际应用要求。

参考文献：
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