基于类似Zigbee技术的环境监测模拟系统设计

【摘要】提出了一种基于负载调制的ASK载波模式，通过线圈耦合作用，实现无线传感器网络节点以双工模拟通信协议自动组网的方法(类似ZIGBEE技术)，并利用此方法设计出了一套对周边环境信息监测的无线监测模拟系统。

【关键词】ZIGBEE技术；负载调制；ASK载波模式；线圈耦合；通信协议；组网；环境；监测

ZIGBEE是一种新兴的短距离无线传输技术[1][2]。主要用于近距离无线连接。它在成百上千个微小的传感器节点之间相互协调实现通信。这些传感器节点只需要很少的能量，以接力转发的方式通过无线电波将数据从一个传感器节点传到另一个传感器节点，通信效率非常高。一般用于满足需要数据采集或监控的网点多、要求传输的数据量不大、而要求设备成本低、要求数据传输可靠性高、安全性高，设备体积很小、功耗小的地方。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、军事航空设备、消费性电子、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。本系统需对环境信息进行数据采集，监控网点多，近距离无线传输，需接力转发，数据量不大，符合Zigbee技术特征，正是基于它进行研究和应用。

1.系统功能

本系统由一个监测终端和多个探测节点组成。监测终端可以分别与各探测节点直接通信，每个探测节点之间还具有信息接力转发和相互自动识别功能，实现对周边环境信息（如温度、湿度、气压、光照等）的探测。监测终端和探测节点均含有一套无线收发电路，收发天线由直径为0.8mm的漆包线密绕5圈制成圆形空芯耦合线圈组成，线圈直径为（3.4±0.3）cm。天线线圈间的介质为空气。本系统在实际设计时只制作了两个网络探测节点，可扩展到多达256个。系统功能示意图如图1和图2所示（图中的D代表识别距离）。

其中，系统中通信协议、无线信号调制方式与数据编解码方案的确定尤其重要。

图1 探测节点分布示意图

图2 节点转发功能示意图

2.无线信号调制方式与数据编解码方案

本系统中信号调制采用调幅方式。具体是“负载调制”[3][4]，即通过改变耦合线圈后级负载的大小来影响耦合线圈上波形的幅值。由于系统发射数据均为数字量，可以使用ASK（振幅键控方式）[4][5]。同时，在实际使用中，监测端和单个探测节点端距离不是太远，监测端检测到的信号并不小，因此接收电路可使用包络检波、放大整形完成ASK模拟解调，并采用专用的数据编码芯片PT2262实现数据编码，编码信号输入模拟开关TS5A3166控制载波实现“负载调制”发射模拟信号，同时采用配对的专用的数据解码芯片PT2272将ASK解调的模拟信号解码还原成原来的数字信号。

3.通信协议方案

根据本无线网络式环境监测模拟系统的功能：(一)监测终端实时监测多达256网络探测节点的环境信息；(二)各探测节点与其它结点之间或通过互相转发或直接将环境信息自动传送给监测终端。本系统中，专用数据编、解码芯片PT2262和PT2272设定为8位地址管脚，4位数据管脚，提供256个地址码很容易实现，但一次只能发送一个二进制数据的4位，而一组环境信息数据位数远不止4位，而监测终端由于只有一个接收线圈使得同一时间只能监测一个址址的探测节点，因此监测终端与探测节点，探测节点与探测节点之间通信必须要有协议。

从软件编程的思路和降低编解码的误码率的角度考虑，在本系统中，发送一组环境信息数据通信协议为“引导码+节点地址码+环境信息数据+命令”，经PT2262/PT2272多次分帧编码发送、接收解码，再经控制器处理整合还原。发送一帧码字通信协议为“节点地址码+4位数据+同步码”。其中引导码占用两个字节，节点地址码1个字节，环境信息数据码和命令码两个字节。8位地址码可以识别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：

0xcc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。

4.系统硬件结构介绍

综上所述，本系统主要由监测终端、探测节点和耦合线圈三个部分组成，监测终端与探测节点硬件电路类似，探测节点既作为发射装置又作为接收装置其硬件电路结构框图如图3所示，而监测终端只作为接收装置其硬件电路结构框图除图3虚线框中部分，其余与探测节点一样。

本系统以ARM7处理器STM32F103作为主控制器，对监测终端、探测节点的识别和信息读、写控制，并通过并行接口提供状态控制、写信息、预置和显示。

4.1 发射前端部分电路

发射前端部分电路主要由载波电路、滤波电路、功率放大电路、模拟开关电路、编码电路、温度及光照检测电路组成。其中载波电路采用8M晶振与SN74HC04N产生频率为8M正弦发射信号，用S8050功率三极管两级放大后幅值达到5V多。负载调制部分通过模拟开关TS5A3166实现，TS5A3166的带宽为300MHz，导通电阻为0.9欧，在1MHz时的关断衰减为64dB，将PT2262编码后的数据直接接到模拟开关的控制口，来控制开关的导通和关断。模拟开关导通时，电阻很小，相当于将线圈短路，模拟开关关断时，相当于开路，线圈上的幅度会随着导通、关断发生变化，从而实现了负载调制。

4.2 接收前端部分电路

接收前端部分电路，由于线圈谐振耦合下来的信号是非常小的，因此需要对接收下来的信号进行放大滤波整形处理，线圈接受信号下来之后可先经S8050功率三极管放大，再通过检波二极管检波，然后低通滤波，简单的LC低通滤波电路即可。载波信号可采用音频信号频率，为20KHz，使用宽带单电源运算放大器MAX4256对检波后信号放大，放大倍数取100倍左右。放大后的载波和调制信号都得到了放大，为了滤除载波信号，使用程控滤波器MAX291对放大后的信号进行滤波，滤波后的信号再通过LM311构成施密特触发器整形输出。

4.3 耦合线圈匹配理论

采用线圈与可变电容组成并联谐振回路，测试得线圈电感为22uH,可变电容容量为6~27PF，谐振频率F=1/（），可得谐振频率为：15MHZ到6MHZ之间。用高频信号发生器和双踪示波器对回路进行谐振频率测量得到耦合线圈谐振频率为8MHz。

因而，探测节点采用8M晶振产生接近与谐振频率的载波频率。

在环境信息采集功能方面，使用一些传感器进行检测，如通过光敏电阻传感器检测光照，温湿度传感器检测温度和温度，气压传感器检测大气压大小等等，本系统只设计了监测环境温度和光照有无，温度与光照分别采用数字温度传感器DS18B20和光敏电阻检测，然后通过控制器对检测到的信息进行处理，通过液晶显示器LCD1602实时显示，并根据通信协议编码发射。本系统实物剪影缩略图如图4和图5所示：

图4 系统实物剪影缩略图1

图5 系统实物剪影缩略图2

5.系统测试

1）测试仪器

双踪示波器、数字万用表、函数信号发生器、高频信号发生器、直流稳压电源。

2）测试结果

载波信号频率：20KHz。

探测节点载波频率：8MHz。

监测终端供电电压为5V，功耗为0.72W，探测节点供电电压为5V，功耗为0.86W。

监测终端的识别效果测试：经测试，响应时间远小于2秒，监测终端与单个探测节点之间、单个节点与节点之间识别距离在25cm内效果非常好，最大识别距离可接近31cm；组网效果好，两个网络节点之间转发时间小于5秒，在最大识别距离内，信息码传输毫无误码。

6.结论

由于系统采用了仿ZIGBEE技术，架构设计合理，系统功能实现较好，系统性能优良、稳定、安全、可靠，做到了低功耗、低成本、低复杂度。能准确对周边环境各网络节点信息进行实时传感监测，并且可以组网实现远距离和大范围内传输。

参考文献

[1]顾瑞红,张宏科.基于ZigBee的无线网络技术及其应用[J].电子技术应用,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].浙江大学学报:英文版[J].2007(10):1-3.

[3]孙亚辉,张勇,刘浩,孙友法.基于负载变化键控理论的线圈耦合系数k的测定[J].上海生物医学工程,2003(4):2-3.

[4]沈越泓.通信原理[M].北京:机械工业出版社,2004,1:100-130.

[5]邢益军.ASK无线数传输系统初步设计[J].南京工业职业技术学院学报,2005,5(4):1-3.

[6]王盛青,陆冰,贺鹏.无线识别装置[M].北京:北京理工大学出版社,2008,12:42-48.

[7]韩成浩,翁元炉,李猛,靳京.基于射频技术的无线识别系统设计[J].吉林工程技术师范学院学报,2009(4):2-3.

作者简介：胡小娟（1985—），女，江西南昌人，南昌大学在职研究生，南昌大学科学技术学院助教，研究方向：电子商务、电子与通信工程。