无线环境监测模拟装置（D题） 摘要：本无线环境监测模拟装置实现了无线双工模拟通信协议自动组网的功能。整个系统的硬件部分由锁相环提供稳定高频载波，利用直接调频和混频解调的方式实现发射接收。利用锁相环还可以实现数字切换频率，使发射和接收共用一块高频模块。针对无线网络模型的设计，软件部分在编解码的基础上实现了简单通信协议的设计，初步建立起一个无线传感器网络模型。 关键词：无线双工 通信协议 锁相环 网络模型 一、系统方案 本系统设计为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。该装置由一个监测终端和多个探测节点组成。监测终端和探测节点均含有一套无线收发电路，故系统中信号调制方式与软件编解码方案的选择尤其重要，以下针对这两部分作重点说明。 1、信号调制方案选择 方案一、信号调制采用调幅方式。由于本装置所传数据均为数字量，可以使用ASK（振幅键控方式）。同时，接收机电路使用包络检波还原调制数字信号。但考虑到无线环境监测模拟装置所需传输的数字信号位数多，在外界的各种干扰下，使已调波产生寄生调幅，形成噪声。调幅方式不能采用限幅，也就很难xx外来的干扰。因此，本设计不采用调幅的方式。 方案二、信号调制采用调频方式。此方案采用锁相环产生稳定正弦波，通过单片机程控输出不同的频率作为发射载波和接收电路的本振。发射电路采用直接调频的方式，通过程控切换与接收电路共用一个天线。接收部分使用SONY的CXA1691BS专用收音机接收芯片，中频采用10.7MHz，外围电路相对比较简单，易于实现接收效果。而且调频在抗干扰效果，提高数据传输的解码效率和电源效率都比调幅方式更具有优势，所以本设计选此方案。 2、编码方案选择 方案一、采用高低电平的占空比不同表示“1”与“0”。设置传输一位码元的周期为固定值，即传输波特率固定。定义“1”为800us高电平与200us低电平，占空比为4/5。定义“0”为200us低电平与800us高电平，占空比为1/5。一帧数据以“引导码+数据”的方式发送。此方案在大多数有线通信中被采用，但考虑到无线通信过程中噪声干扰的不确定性。长时间的高电平或低电平都很容易产生毛刺导致误码。而且编码中有长时间的低电平或高电平，硬件电路的不易实现整形和解调。所以编码不采用此设计方案。 方案二、采用占空比相同而周期不同的形式表示“1”与“0”。一个码元用占空比为1、2的形式表示。定义数据“1”表示为周期等于1ms，数据“0”表示为周期等于2ms。引导码为2个字节的AAH。种编码方式和数据帧的定义，可以避免长“1”或长“0”时出现长时间的高电平或低电平，增加了码元通信的可靠性。同时，这种编码方式可以获得有效的同步信号，即使在传输40 Bit（本装置设计发送一帧数为5个字节，即40Bit）的长串数据的情况下，仍能有效的控制通信过程的同步要求。 二、系统总体设计说明 本系统分为硬件与软件两个设计部分，以下分别就硬件与软件作详细设计说明。 1、系统硬件设计 本系统的总体框图如图1所示：
图1 无线环境监测模拟装置系统框图 本装置设计的硬件分为检测终端与探测节点两个部分。其中监测终端只有一个，探测节点可以多达256个，由监控终端和探测节点组成无线传感网络，监测终端实时采集各个节点的环境监测数据，并且各节点之间可转发数据并传送给监测终端。在实际制作中，只制作两个探测节点。整体设计框图如图1所示。 监测终端部分： 系统采用27MHz作为调频的载波频率，由锁相环电路产生，并利用CXA1691BS内部的FM调谐器组成压控振荡电路，这种设计可以提高了电路的稳定性，但CXA1691BS的本振信号微弱，调试较为困难。天线通过二极管开关电路切换实现传输信号的回路在接收机与发射机之间的转换。如图2所示。
图2 发送接收整体框图 接收电路由CXA1691BS完成，解调输出需要增加一级比较电路，对解调后的信号进行整形滤波，然后输入单片机进行信号采集和分析。终端电路的发射部分采用锁相环直接调制经过放大后由共用天线输出。整个电路在以STC 探测节点部分： 探测节点电路设计的思路与监测终端类似，均采用发射接收一体共用天线由锁相环产生稳定高频振荡。探测节点电路的环境监测采集采用单总线温度传感器DS18B20，电路简单，只需一个I/O端口即可。光照信息使用光敏电阻接成分压式电路输出给MCU管脚。 2、系统软件设计 系统软件设计包括两个部分，一个是软件编解码的码型设计，一个是无线通信协议的设计。 码型设计： 从软件编程的思路和降低编解码的误码率的角度考虑，我们采用了方案二，即以1KHz的频率表示数据“1”，周期为1ms。以500Hz的频率表示数据“0”，周期为2ms。占空比均为1/2。在码型确定下来之后，又确定以两个字节的AAH作为一帧数据的同步头。这种编码方式和数据帧的定义，可以避免长“1”或长“0”时出现长时间的高电平或低电平，增加了码元通信的可靠性。同时，这种编码方式可以获得有效的同步信号，即使在传输40 Bit（本装置设计发送一帧数为5个字节，即40Bit）的长串数据的情况下，仍能有效的控制通信过程的同步要求。 通信协议： 根据本无线环境监测系统的功能，设计通信协议为：发送一帧数据包括“引导码+ID码+数据+命令”，共5个字节。其中引导码占用两个字节，地址码1个字节，数据码和命令码两个字节。8BitID码可以识别256个不同的探测节点，能够满足系统需要。数据码用来传输8Bit的数据，其中b0-b6用来表示温度信息，b7用来表示光照的有无。命令码用于实现组网通信的协议要求。规定： Oxcc表示监测终端对所有探测节点的广播侦寻。 0xc0表示探测节点搜索监测终端。 0xc1表示探测节点搜索探测节点。 0xc2应答信号 0xdd答复0xcc的广播，并带回节点信息 先由监测终端发出广播侦寻所有范围内的节点，节点收到广播即回复0xdd，并带回节点信息。每个探测节点发出0xc0搜索监测终端，若无应答即表示节点在终端范围以外。每个探测节点亦可发出侦寻信号0xc1并将监测终端侦寻不到的探测节点的信息带回给监测终端。 |
