无线环境监测模拟装置技术的介绍_技术资料

　　一、设计任务及要求

　　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，收发共用一个单片机。

　　1.基本要求

　　(1)制作2 个探测节点。探测节点有编号预置功能，编码预置范围为00000001B ~ 11111111B。

　　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0℃~ 100℃，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。

　　(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。

　　(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0 ~ 10cm 距离内，各探测节点与监测终端应能正常通信。

　　2.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。

　　(4)其他。

　　以ATmega16 单片机为核心，利用温度传感器、光敏电阻以及高速运放等器件，结合ASK(幅移键控)调制技术，设计并制作了一套半双工的无线环境监测模拟装置。该装置由一个监测终端和多个探测节点组成。其中，监测终端具有数据通信、液晶显示等功能;探测节点功能则包含编码输入、温度检测、光照检测、数据通信、数据转发等。监测终端能同时监测各探测节点的温度、光照、编码等信息，并采用点阵式液晶屏显示信息;探测节点之间能接收并自动转发数据信息。该系统采用低功耗器件，具有造价低、工作稳定可靠、速度快、数据传输率高等优点，监测端电源供给功率为625mW 时，探测距离D+D1 大于50cm.

　　二、方案比较与论证

　　本装置由监测终端监测255 个探测节点，根据题目要求将系统分为两大模块，即监测终端与探测节点，两大模块之间采用ASK(振幅键控)方式进行数据通信，以下对系统重要部分进行方案论证。

　　1.调制方式选择

　　方案一：采用ASK(振幅键控)电路。载波在数字信号1 或0 的控制下通或断，在信号为1 的状态下载波接通，此时传输通道上有载波出现;在信号为0 的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。那么接收端就可以根据载波的有无还原出数字信号的1 和0.对于二进制幅度键控信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍。ASK 波形如图3 所示。

　　方案二：采用FSK(频移键控)电路。频移键控是利用两个不同频率f1 和f2 的振荡源来代表信号1 和0,其波形如图4 所示。用数字信号的1 和0 去控制两个独立的振荡源交替输出。

　　综上所述，ASK(振幅键控)电路设计简单，而FSK(频移键控)电路需要可变的频率信号，设计相对比较复杂，考虑到性价比等因素，选用方案一。

　　2.节点转发功能选择

　　方案一：采用TH71221可编程无线收发芯片。它可应用于低功耗多通道或单通道半双工数据传输系统，可工作在ISM 频段(300 ~ 930M)。在可编程用户模式下，通过使用一个外部压控振荡变容二极管使它的最低工作频率可低至27MHz。

　　方案二：采用小型继电器控制发送与接收。当节点需要发送数据时，继电器常开触点闭合，数据通过圆形空芯线圈发送数据;当节点不需要发送数据时，继电器常闭触点导通，系统处在接收状态。

　　综上所述，采用方案一实现电路较为复杂，芯片价格昂贵，也不符合题意;采用方案二，不仅电路简单，而且价格较低，考虑性价比等因素，选择方案二。

　　3.系统结构方框图

　　本装置由一个监测终端和多个探测节点组成，探测节点具有温度、光照信息测量以及信息转发等功能，而监测终端则能接收各探测节点的环境温度、光照等信息，并通过液晶屏显示。探测节点上的温度测量电路采用DS18B20 单总线数字温度传感器实现，其精度为 .光照探测采用单片机A/D 转换器采集光敏电阻电压实现。信号的处理以及接收部分采用高速运放、小型继电器等器件，结合LC 谐振电路实现。监测终端与探测节点的系统框图如图5所示，信号处理电路的框图如图6 所示。

　　三、理论分析与计算

　　1.发射电路分析与计算

　　本装置的发射电路主要由LC 谐振电路以及晶体振荡器组成，采用的天线线圈为圆形空心线圈，两线圈均为密绕线圈，匝数都为5 匝，线圈间的介质为空气。线圈直径为3.4cm,用不大于1mm 的漆包线绕制。振荡信号采用11.0952MHz 的有源晶振信号经过放大后产生，根据LC 并联谐振电路汤姆逊公式：

　　选取f=11.0952MHz 的频率，实测电感线圈的容量为6μH,则计算出电容：C=3.3pF.

　　2.接收电路分析与计算

　　本装置接收电路主要由放大电路、带通滤波电路以及整形电路组成。放大电路采用高速运放AD603 实现，图7 所示为AD603 的典型应用电路，该电路可以将信号放大30dB.

　　电感线圈接收到的编码信号经过放大电路放大后，通过LC 带通滤波器将干扰信号滤除，然后再进行放大以及整形及解调，最后将信号送至单片机RXD.LC 带通滤波器的特征频率f=11.0592MHz.

　　3.通信协议分析

　　由于要构成监测终端与探测节点的通信监控网络，通信接口与通信协议的选择尤为重要。底层采用单片机的UART 串口通信协议进行位同步和奇偶校验，高层采用帧校验，发现错误帧则丢弃，以保证显示数据正确。该通信协议由起始码、站号、特征码、命令码、地址、数据、块检查码以及结束码等。图8 所示为改通信协议格式。