基于類似Zigbee技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

南昌大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院 胡小娟 何尚平 黃秋平

ZIGBEE是一種新興的短距離無線傳輸技術(shù)[1][2]。主要用于近距離無線連接。它在成百上千個(gè)微小的傳感器節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器節(jié)點(diǎn)只需要很少的能量，以接力轉(zhuǎn)發(fā)的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，通信效率非常高。一般用于滿足需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點(diǎn)多、要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大、而要求設(shè)備成本低、要求數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、安全性高，設(shè)備體積很小、功耗小的地方。ZigBee聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、軍事航空設(shè)備、消費(fèi)性電子、汽車自動(dòng)化、家庭和樓宇自動(dòng)化、醫(yī)用設(shè)備控制等。本系統(tǒng)需對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)控網(wǎng)點(diǎn)多，近距離無線傳輸，需接力轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)量不大，符合Zigbee技術(shù)特征，正是基于它進(jìn)行研究和應(yīng)用。

1.系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)由一個(gè)監(jiān)測終端和多個(gè)探測節(jié)點(diǎn)組成。監(jiān)測終端可以分別與各探測節(jié)點(diǎn)直接通信，每個(gè)探測節(jié)點(diǎn)之間還具有信息接力轉(zhuǎn)發(fā)和相互自動(dòng)識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊環(huán)境信息（如溫度、濕度、氣壓、光照等）的探測。監(jiān)測終端和探測節(jié)點(diǎn)均含有一套無線收發(fā)電路，收發(fā)天線由直徑為0.8mm的漆包線密繞5圈制成圓形空芯耦合線圈組成，線圈直徑為（3.4±0.3）cm。天線線圈間的介質(zhì)為空氣。本系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)只制作了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)探測節(jié)點(diǎn)，可擴(kuò)展到多達(dá)256個(gè)。系統(tǒng)功能示意圖如圖1和圖2所示（圖中的D代表識(shí)別距離）。

其中，系統(tǒng)中通信協(xié)議、無線信號(hào)調(diào)制方式與數(shù)據(jù)編解碼方案的確定尤其重要。

圖1 探測節(jié)點(diǎn)分布示意圖

圖2 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)功能示意圖

2.無線信號(hào)調(diào)制方式與數(shù)據(jù)編解碼方案

本系統(tǒng)中信號(hào)調(diào)制采用調(diào)幅方式。具體是“負(fù)載調(diào)制”[3][4]，即通過改變耦合線圈后級(jí)負(fù)載的大小來影響耦合線圈上波形的幅值。由于系統(tǒng)發(fā)射數(shù)據(jù)均為數(shù)字量，可以使用ASK（振幅鍵控方式）[4][5]。同時(shí)，在實(shí)際使用中，監(jiān)測端和單個(gè)探測節(jié)點(diǎn)端距離不是太遠(yuǎn)，監(jiān)測端檢測到的信號(hào)并不小，因此接收電路可使用包絡(luò)檢波、放大整形完成ASK模擬解調(diào)，并采用專用的數(shù)據(jù)編碼芯片PT2262實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼，編碼信號(hào)輸入模擬開關(guān)TS5A3166控制載波實(shí)現(xiàn)“負(fù)載調(diào)制”發(fā)射模擬信號(hào)，同時(shí)采用配對(duì)的專用的數(shù)據(jù)解碼芯片PT2272將ASK解調(diào)的模擬信號(hào)解碼還原成原來的數(shù)字信號(hào)。

3.通信協(xié)議方案

根據(jù)本無線網(wǎng)絡(luò)式環(huán)境監(jiān)測模擬系統(tǒng)的功能：(一)監(jiān)測終端實(shí)時(shí)監(jiān)測多達(dá)256網(wǎng)絡(luò)探測節(jié)點(diǎn)的環(huán)境信息；(二)各探測節(jié)點(diǎn)與其它結(jié)點(diǎn)之間或通過互相轉(zhuǎn)發(fā)或直接將環(huán)境信息自動(dòng)傳送給監(jiān)測終端。本系統(tǒng)中，專用數(shù)據(jù)編、解碼芯片PT2262和PT2272設(shè)定為8位地址管腳，4位數(shù)據(jù)管腳，提供256個(gè)地址碼很容易實(shí)現(xiàn)，但一次只能發(fā)送一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的4位，而一組環(huán)境信息數(shù)據(jù)位數(shù)遠(yuǎn)不止4位，而監(jiān)測終端由于只有一個(gè)接收線圈使得同一時(shí)間只能監(jiān)測一個(gè)址址的探測節(jié)點(diǎn)，因此監(jiān)測終端與探測節(jié)點(diǎn)，探測節(jié)點(diǎn)與探測節(jié)點(diǎn)之間通信必須要有協(xié)議。

從軟件編程的思路和降低編解碼的誤碼率的角度考慮，在本系統(tǒng)中，發(fā)送一組環(huán)境信息數(shù)據(jù)通信協(xié)議為“引導(dǎo)碼+節(jié)點(diǎn)地址碼+環(huán)境信息數(shù)據(jù)+命令”，經(jīng)PT2262/PT2272多次分幀編碼發(fā)送、接收解碼，再經(jīng)控制器處理整合還原。發(fā)送一幀碼字通信協(xié)議為“節(jié)點(diǎn)地址碼+4位數(shù)據(jù)+同步碼”。其中引導(dǎo)碼占用兩個(gè)字節(jié)，節(jié)點(diǎn)地址碼1個(gè)字節(jié)，環(huán)境信息數(shù)據(jù)碼和命令碼兩個(gè)字節(jié)。8位地址碼可以識(shí)別256個(gè)不同的探測節(jié)點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)需要。數(shù)據(jù)碼用來傳輸8Bit的數(shù)據(jù)，其中b0-b6用來表示溫度信息，b7用來表示光照的有無。命令碼用于實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通信的協(xié)議要求。規(guī)定：0xcc表示監(jiān)測終端對(duì)所有探測節(jié)點(diǎn)的廣播偵尋。0xc0表示探測節(jié)點(diǎn)搜索監(jiān)測終端。0xc1表示探測節(jié)點(diǎn)搜索探測節(jié)點(diǎn)。0xc2應(yīng)答信號(hào)。0xdd答復(fù)0xcc的廣播，并帶回節(jié)點(diǎn)信息。

先由監(jiān)測終端發(fā)出廣播偵尋所有范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)收到廣播即回復(fù)0xdd，并帶回節(jié)點(diǎn)信息。每個(gè)探測節(jié)點(diǎn)發(fā)出0xc0搜索監(jiān)測終端，若無應(yīng)答即表示節(jié)點(diǎn)在終端范圍以外。每個(gè)探測節(jié)點(diǎn)亦可發(fā)出偵尋信號(hào)0xc1并將監(jiān)測終端偵尋不到的探測節(jié)點(diǎn)的信息帶回給監(jiān)測終端。

4.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)介紹

綜上所述，本系統(tǒng)主要由監(jiān)測終端、探測節(jié)點(diǎn)和耦合線圈三個(gè)部分組成，監(jiān)測終端與探測節(jié)點(diǎn)硬件電路類似，探測節(jié)點(diǎn)既作為發(fā)射裝置又作為接收裝置其硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，而監(jiān)測終端只作為接收裝置其硬件電路結(jié)構(gòu)框圖除圖3虛線框中部分，其余與探測節(jié)點(diǎn)一樣。

本系統(tǒng)以ARM7處理器STM32F103作為主控制器，對(duì)監(jiān)測終端、探測節(jié)點(diǎn)的識(shí)別和信息讀、寫控制，并通過并行接口提供狀態(tài)控制、寫信息、預(yù)置和顯示。

4.1 發(fā)射前端部分電路

發(fā)射前端部分電路主要由載波電路、濾波電路、功率放大電路、模擬開關(guān)電路、編碼電路、溫度及光照檢測電路組成。其中載波電路采用8M晶振與SN74HC04N產(chǎn)生頻率為8M正弦發(fā)射信號(hào)，用S8050功率三極管兩級(jí)放大后幅值達(dá)到5V多。負(fù)載調(diào)制部分通過模擬開關(guān)TS5A3166實(shí)現(xiàn)，TS5A3166的帶寬為300MHz，導(dǎo)通電阻為0.9歐，在1MHz時(shí)的關(guān)斷衰減為64dB，將PT2262編碼后的數(shù)據(jù)直接接到模擬開關(guān)的控制口，來控制開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。模擬開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電阻很小，相當(dāng)于將線圈短路，模擬開關(guān)關(guān)斷時(shí)，相當(dāng)于開路，線圈上的幅度會(huì)隨著導(dǎo)通、關(guān)斷發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)了負(fù)載調(diào)制[6]。

4.2 接收前端部分電路

接收前端部分電路，由于線圈諧振耦合下來的信號(hào)是非常小的，因此需要對(duì)接收下來的信號(hào)進(jìn)行放大濾波整形處理，線圈接受信號(hào)下來之后可先經(jīng)S8050功率三極管放大，再通過檢波二極管檢波，然后低通濾波，簡單的LC低通濾波電路即可。載波信號(hào)可采用音頻信號(hào)頻率，為20KHz，使用寬帶單電源運(yùn)算放大器MAX4256對(duì)檢波后信號(hào)放大，放大倍數(shù)取100倍左右。放大后的載波和調(diào)制信號(hào)都得到了放大，為了濾除載波信號(hào)，使用程控濾波器MAX291對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)再通過LM311構(gòu)成施密特觸發(fā)器整形輸出。

4.3 耦合線圈匹配理論

因而，探測節(jié)點(diǎn)采用8M晶振產(chǎn)生接近與諧振頻率的載波頻率。

圖3 發(fā)射、接收硬件電路結(jié)構(gòu)圖

在環(huán)境信息采集功能方面，使用一些傳感器進(jìn)行檢測，如通過光敏電阻傳感器檢測光照，溫濕度傳感器檢測溫度和溫度，氣壓傳感器檢測大氣壓大小等等，本系統(tǒng)只設(shè)計(jì)了監(jiān)測環(huán)境溫度和光照有無，溫度與光照分別采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20和光敏電阻檢測，然后通過控制器對(duì)檢測到的信息進(jìn)行處理，通過液晶顯示器LCD1602實(shí)時(shí)顯示，并根據(jù)通信協(xié)議編碼發(fā)射。本系統(tǒng)實(shí)物剪影縮略圖如圖4和圖5所示：

圖4 系統(tǒng)實(shí)物剪影縮略圖1

圖5 系統(tǒng)實(shí)物剪影縮略圖2

5.系統(tǒng)測試

1）測試儀器

雙蹤示波器、數(shù)字萬用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、高頻信號(hào)發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源。

2）測試結(jié)果

載波信號(hào)頻率：20KHz。

探測節(jié)點(diǎn)載波頻率：8MHz。

監(jiān)測終端供電電壓為5V，功耗為0.72W，探測節(jié)點(diǎn)供電電壓為5V，功耗為0.86W。

監(jiān)測終端的識(shí)別效果測試：經(jīng)測試，響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于2秒，監(jiān)測終端與單個(gè)探測節(jié)點(diǎn)之間、單個(gè)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間識(shí)別距離在25cm內(nèi)效果非常好，最大識(shí)別距離可接近31cm；組網(wǎng)效果好，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間小于5秒，在最大識(shí)別距離內(nèi)，信息碼傳輸毫無誤碼。

6.結(jié)論

由于系統(tǒng)采用了仿ZIGBEE技術(shù)，架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定、安全、可靠，做到了低功耗、低成本、低復(fù)雜度。能準(zhǔn)確對(duì)周邊環(huán)境各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)傳感監(jiān)測，并且可以組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和大范圍內(nèi)傳輸。

[1]顧瑞紅,張宏科.基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2005,31(6):2-4.

[2]ZHANG Qian,YANG Xiang-long.A wireless solution for greenhouse monitoring and control system based on ZigBee technology[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào):英文版[J].2007(10):1-3.

[3]孫亞輝,張勇,劉浩,孫友法.基于負(fù)載變化鍵控理論的線圈耦合系數(shù)k的測定[J].上海生物醫(yī)學(xué)工程,2003(4):2-3.

[4]沈越泓.通信原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004,1:100-130.

[5]邢益軍.ASK無線數(shù)傳輸系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)[J].南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2005,5(4):1-3.

[6]王盛青,陸冰,賀鵬.無線識(shí)別裝置[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2008,12:42-48.

[7]韓成浩,翁元爐,李猛,靳京.基于射頻技術(shù)的無線識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2009(4):2-3.