環(huán)境監(jiān)測是指通過對影響環(huán)境質(zhì)量因素的代表值的測定，確定環(huán)境質(zhì)量（或污染程度）及其變化趨勢,。隨著科技的不斷進(jìn)步,，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，環(huán)境檢測由經(jīng)典的化學(xué)分析向儀器與計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式,，實(shí)現(xiàn)f無線環(huán)境的檢測。本文中設(shè)計(jì)了一個(gè)無線環(huán)境檢測系統(tǒng),，以MSP430F5438單片機(jī)為控制核心,，實(shí)際制作一個(gè)終端和2個(gè)節(jié)點(diǎn)，終端能從節(jié)點(diǎn)獲取節(jié)點(diǎn)的環(huán)境溫度和光照信息,，并且節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的功能,。整個(gè)系統(tǒng)采用OOK調(diào)制方式，收發(fā)都使用一個(gè)天線,，終端發(fā)射信號(hào)時(shí),。
將欲傳輸?shù)男畔⑼ㄟ^串口輸出的電平控制本振的開斷從而實(shí)現(xiàn)OOK調(diào)制，后級(jí)使用丙類功放發(fā)射,，接收端節(jié)點(diǎn)將天線上的信號(hào)進(jìn)行放大,，然后倍壓檢波，通過自適應(yīng)比較器解調(diào)出數(shù)據(jù),，最后再向終端回傳環(huán)境信息,。
1 總體方案設(shè)計(jì)
在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，終點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)都需要一個(gè)主控芯片進(jìn)行處理,。主芯片選用MSP430F5438系列單片機(jī),。在信號(hào)調(diào)制方面采用了OOK（On.Off Keying）調(diào)制方案。在高頻功放方面,，采用了分立元件自制戊類放大器使用NEC公司的產(chǎn)品2SC3355做功放管,。最后確定通信協(xié)議方案選擇，設(shè)計(jì)思想足由檢測終端發(fā)起一次信息阿步傳輸,，所有的節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的編號(hào)在不同的時(shí)隙發(fā)送信息,，中繼節(jié)點(diǎn)自行搜索判斷。通過一系列的選擇和設(shè)汁,，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示,。
圖1 系統(tǒng)整體方案框圖
系統(tǒng)以MSP430F5438單片機(jī)作為終端和節(jié)點(diǎn)的主控芯片，光照探測由光敏電阻來實(shí)現(xiàn),，溫度可由單片機(jī)內(nèi)部自帶的溫度傳感器得到,。,，數(shù)據(jù)的調(diào)制、接收采用串口通信,，使用I／O口來控制天線的收發(fā)模式,。
2 系統(tǒng)的理論分析與計(jì)算
2.1 發(fā)射機(jī)的電路分析與設(shè)計(jì)
本地振蕩采用lO.7 M諧振器以及74HC00構(gòu)成的皮爾斯振蕩器，同時(shí)通過門級(jí)電路還可以增大對后級(jí)丙放的驅(qū)動(dòng)功率,，而串121也可以通過與非門來調(diào)制信號(hào),。
實(shí)際測量5圈，直徑為3.4 em的線圈,，在lO.7 MHz下測量得到電感量為1.553 uH,，Q值為156。在lO.7 MHz時(shí)的損耗電阻為：
得到r=0.669,，所以在并聯(lián)諧振下等效電阻為：
2.2 開關(guān)狀態(tài)功放輸入輸出匹配
在節(jié)點(diǎn)上采用高效率的開關(guān)狀態(tài)功放,，而終端也可以使用戊類放大。設(shè)定輸出功率為0.1 w,。首先計(jì)算C3355的輸出阻抗,，假設(shè)C3355的輸出功率為0.1 w，根據(jù)功放的最佳負(fù)載計(jì)算得到,，我們的電源電壓為Vc=3 V,，設(shè)Vce=0.1V，輸出功率Po=0.1 w,，計(jì)算得出最佳輸出電阻為
R=
從C3355的datasheet上則三極管的輸出得到集電極的輸出電容,，故假設(shè)輸出電容是15 pF，阻抗可等效為一個(gè)42Ω的電阻與一個(gè)15 pF左右的電容并聯(lián),。取集電極饋電線圈的電感為10 uH兼作為輸出的諧振同路,，此時(shí)所需的諧振電容為22.12 pF，所以還需要在集電極到地接入一個(gè)（10～22.12）pF的電容,，為了便于調(diào)諧,，采用了一只5／35pF的可調(diào)電容，經(jīng)過這樣后,，三極管輸出為42n的純阻,，然后經(jīng)過一個(gè)42 Ω～16.3 kΩ的三階低通濾波器實(shí)現(xiàn)阻抗變換，并且使輸出波形平滑（濾掉載波的高次諧波）,。
在輸出端接了一個(gè)100 nF的隔直電容,，這會(huì)使得輸出不再是42 Ω的純阻，所以經(jīng)過PSPICE仿真,，進(jìn)行校準(zhǔn),，得到最終的具體參數(shù)。
圖2 e3355開關(guān)狀態(tài)功放
2.3 接收機(jī)解調(diào)電路分析
由于本系統(tǒng)采用的是OOK凋制,，所以采用靈敏度高的倍壓檢波,。當(dāng)終端與節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí),，為了提高接收靈敏度，所以使用了兩級(jí)放大,，從而在距離較遠(yuǎn)的時(shí)候也能正常檢測到信號(hào),。考慮到在近距離時(shí),，在天線線圈接收處加上限幅電路,。這樣就保證了在近距離和遠(yuǎn)距離時(shí)都能夠接收到較好的信號(hào)。但是實(shí)際上由于在很遠(yuǎn)的時(shí)候接收到的信號(hào)還是很小,，這樣就導(dǎo)致了隨著距離的遠(yuǎn)近需要改變比較器的參考電平,，因此采用一個(gè)RC積分保持電路，使得能檢測到最大的峰值,，這樣就實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)比較,，從而在遠(yuǎn)距離時(shí)串口依然能夠正確識(shí)別信號(hào)。
為r實(shí)現(xiàn)天線的復(fù)用,，使用一個(gè)開關(guān)電路來切換收發(fā)模式。這個(gè)開關(guān)電路使用單片機(jī)I／O口來控制高速二極管的導(dǎo)通與關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)切換的,。
2.4 通信協(xié)議分析與設(shè)計(jì)
通信協(xié)議采用的是終端發(fā)起同步傳輸,，各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)終端的同步信息同步自己的時(shí)鐘，然后在自己編號(hào)所分配的時(shí)隙內(nèi)依次傳輸,。
信息的交換采用幀交換,，每個(gè)幀由4個(gè)字節(jié)組成，結(jié)構(gòu)如下圖示,。每一次發(fā)送或者接收都足以幀為單位,。其中數(shù)據(jù)氳揍的低七位表示0～100 oC的溫度，最高位表示光照的有無,，1為有,，0為無。
整個(gè)通信過程如下圖示,，終端不斷發(fā)起同步傳輸,，每個(gè)同步傳輸分為信息同步發(fā)送和中繼同步發(fā)送2個(gè)階段。信息同步發(fā)送階段收到終端同步信號(hào)的節(jié)點(diǎn)在分配給自己的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù),。中繼同步階段沒有收到終端同步信號(hào)的節(jié)點(diǎn)收到相鄰節(jié)點(diǎn)回復(fù)給終端的信息后,，在本階段自己的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送中繼請求，目的ID為監(jiān)聽到的節(jié)點(diǎn)中的任意一個(gè),，由選中的節(jié)點(diǎn)在下一個(gè)信息同步發(fā)送階段代替自己發(fā)送信息給終端,。
圖3數(shù)據(jù)幀格式
為了克服各個(gè)節(jié)點(diǎn)定時(shí)不夠精確的問題，需在每個(gè)幀之間加入保護(hù)間隔,，在本協(xié)議中設(shè)計(jì)為發(fā)送一個(gè)字節(jié)的時(shí)間,。
即發(fā)送一幀數(shù)據(jù)需要5個(gè)字節(jié)的時(shí)間,。因此可以計(jì)算得到滿足要求最低的波特率。按照最壞情況計(jì)算,，一共需要256×3A“時(shí)隙,，每個(gè)時(shí)隙由5個(gè)字節(jié)之間，每個(gè)字節(jié)10個(gè)位,，所以波特率大于：
這里為了留出余量設(shè)置為9 600 bps,。
3 電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)
3.1 發(fā)射電路分析與設(shè)計(jì)
在發(fā)射電路中（見圖4），我們選用74HC00,，可在3 V電壓下工作,，74HC（）o實(shí)現(xiàn)了lO.7 MHz的載波產(chǎn)生，信號(hào)調(diào)制,，功放驅(qū)動(dòng)為一體,。功放的額定輸出功率是0.1 w。
3.2 接收電路設(shè)計(jì)
接收電路見圖5,。接收機(jī)的前端采用了限幅電路,，一個(gè)很小的電容（22 pF）后面接2個(gè)方向相反的二極管到地。這樣就保證了在收發(fā)天線很近的時(shí)候,，接收到的電壓被限制在0.25 V,。
控制收發(fā)的開關(guān)電路是有2個(gè)反向串聯(lián)的1N4148和一個(gè)4.7mH電感串聯(lián)一個(gè)5。6k電阻到單片機(jī)的I／O口,。
圖4發(fā)射電路
圖5接收電路
3.3 工作流程圖
監(jiān)測終端的軟件重要任務(wù)就是發(fā)送同步信號(hào),，等待探測節(jié)點(diǎn)返回的數(shù)據(jù)。并在液晶上顯示出來,。探測節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是定時(shí)采集數(shù)據(jù),，并在收到同步信號(hào)或者監(jiān)測到其它節(jié)點(diǎn)的時(shí)候發(fā)送數(shù)據(jù)，并在收到中繼請求后提供中繼服務(wù),。圖6和圖7便是終端軟件和節(jié)點(diǎn)軟件的流程圖,。
圖6終端軟件流程
圖7節(jié)點(diǎn)軟件流程
4 測試方法與數(shù)據(jù)
測試條件為：終端供電5 V。室溫為26 qc,。下面進(jìn)行的是終端節(jié)點(diǎn)通信距離的測試,。
終端、節(jié)點(diǎn)放置在同一水平面,，在保證兩天線對準(zhǔn)的情況下,，將距離分別設(shè)為1 em，9 cm,。將節(jié)點(diǎn)A和B分別放在終端兩側(cè),，距離為10 cm，測試溫度，光照,，編碼預(yù)置功能,。測試結(jié)果如表1（均有預(yù)置編碼的功能，探測延遲3 s）,。
表1測試記錄
下面進(jìn)行的是中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)測試,。
將終端與節(jié)點(diǎn)A的距離沒為50 cm，兩者不能正常通信,，將節(jié)點(diǎn)B插入到兩者中間,，測試終端是否能夠正常識(shí)別2個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后將A,，B 2個(gè)節(jié)點(diǎn)互換,，測試足否能正常識(shí)別。測試結(jié)果如表2所示,。
再次測試最大轉(zhuǎn)發(fā)距離,，當(dāng)A作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)，最大轉(zhuǎn)發(fā)距離為66 cm,，當(dāng)B作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí),，最大轉(zhuǎn)發(fā)距離為80 em。
最后進(jìn)行的是節(jié)點(diǎn)功耗測試,。
保持D1+I）2=50 cm,。測試轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)測試。
實(shí)測發(fā)現(xiàn),，2個(gè)節(jié)點(diǎn)都作為中繼的時(shí)候，最大的電流時(shí)3 mA,，平均電流在2.4 mA,。
5 測試結(jié)果分析
溫度、光照測量：溫度由于采用芯片內(nèi)集成溫度傳感器,，可采用溫度計(jì)對溫度準(zhǔn)確度進(jìn)行測試,。經(jīng)過算法補(bǔ)償，在23～40℃的范圍內(nèi),，溫度準(zhǔn)確度在2℃以內(nèi),。終端與節(jié)點(diǎn)的通信距離最遠(yuǎn)町達(dá)35 cm。節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)r中繼轉(zhuǎn)發(fā)的功能,。節(jié)點(diǎn)的電流非常小,，在3 mA以內(nèi)。