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。隨著科技的不斷進步,，特別是計算機技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展,，環(huán)境檢測由經(jīng)典的化學分析向儀器與計算機和網(wǎng)絡相結(jié)合的方式，實現(xiàn)f無線環(huán)境的檢測。本文中設計了一個無線環(huán)境檢測系統(tǒng),，以MSP430F5438單片機為控制核心,，實際制作一個終端和2個節(jié)點，終端能從節(jié)點獲取節(jié)點的環(huán)境溫度和光照信息,，并且節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的功能,。整個系統(tǒng)采用OOK調(diào)制方式，收發(fā)都使用一個天線,，終端發(fā)射信號時,。
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現(xiàn)OOK調(diào)制，后級使用丙類功放發(fā)射,，接收端節(jié)點將天線上的信號進行放大,，然后倍壓檢波，通過自適應比較器解調(diào)出數(shù)據(jù),，最后再向終端回傳環(huán)境信息,。
1 總體方案設計
在整個系統(tǒng)的設計過程中，終點和節(jié)點都需要一個主控芯片進行處理,。主芯片選用MSP430F5438系列單片機,。在信號調(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，設計思想足由檢測終端發(fā)起一次信息阿步傳輸,，所有的節(jié)點根據(jù)自己的編號在不同的時隙發(fā)送信息,，中繼節(jié)點自行搜索判斷。通過一系列的選擇和設汁,，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計如圖1所示,。
圖1 系統(tǒng)整體方案框圖
系統(tǒng)以MSP430F5438單片機作為終端和節(jié)點的主控芯片，光照探測由光敏電阻來實現(xiàn),，溫度可由單片機內(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)的理論分析與計算
2.1 發(fā)射機的電路分析與設計
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,，同時通過門級電路還可以增大對后級丙放的驅(qū)動功率,，而串121也可以通過與非門來調(diào)制信號。
實際測量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。設定輸出功率為0.1 w,。首先計算C3355的輸出阻抗,，假設C3355的輸出功率為0.1 w，根據(jù)功放的最佳負載計算得到,，我們的電源電壓為Vc=3 V,，設Vce=0.1V，輸出功率Po=0.1 w,，計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,，故假設輸出電容是15 pF，阻抗可等效為一個42Ω的電阻與一個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（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42 Ω～16.3 kΩ的三階低通濾波器實現(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100 nF的隔直電容,，這會使得輸出不再是42 Ω的純阻，所以經(jīng)過PSPICE仿真,，進行校準,，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,。當終端與節(jié)點距離較遠時，為了提高接收靈敏度,，所以使用了兩級放大,，從而在距離較遠的時候也能正常檢測到信號,?？紤]到在近距離時，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距離時都能夠接收到較好的信號,。但是實際上由于在很遠的時候接收到的信號還是很小，這樣就導致了隨著距離的遠近需要改變比較器的參考電平，因此采用一個RC積分保持電路,，使得能檢測到最大的峰值,，這樣就實現(xiàn)了自適應比較，從而在遠距離時串口依然能夠正確識別信號,。
為r實現(xiàn)天線的復用,，使用一個開關(guān)電路來切換收發(fā)模式。這個開關(guān)電路使用單片機I／O口來控制高速二極管的導通與關(guān)斷來實現(xiàn)切換的,。
2.4 通信協(xié)議分析與設計
通信協(xié)議采用的是終端發(fā)起同步傳輸,，各個節(jié)點根據(jù)終端的同步信息同步自己的時鐘，然后在自己編號所分配的時隙內(nèi)依次傳輸,。
信息的交換采用幀交換,，每個幀由4個字節(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。
整個通信過程如下圖示,，終端不斷發(fā)起同步傳輸,，每個同步傳輸分為信息同步發(fā)送和中繼同步發(fā)送2個階段。信息同步發(fā)送階段收到終端同步信號的節(jié)點在分配給自己的時隙發(fā)送數(shù)據(jù),。中繼同步階段沒有收到終端同步信號的節(jié)點收到相鄰節(jié)點回復給終端的信息后,，在本階段自己的時隙內(nèi)發(fā)送中繼請求，目的ID為監(jiān)聽到的節(jié)點中的任意一個,，由選中的節(jié)點在下一個信息同步發(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
為了克服各個節(jié)點定時不夠精確的問題，需在每個幀之間加入保護間隔,，在本協(xié)議中設計為發(fā)送一個字節(jié)的時間,。
即發(fā)送一幀數(shù)據(jù)需要5個字節(jié)的時間。因此可以計算得到滿足要求最低的波特率,。按照最壞情況計算,，一共需要256×3A“時隙，每個時隙由5個字節(jié)之間,，每個字節(jié)10個位,，所以波特率大于：
這里為了留出余量設置為9 600 bps。
3 電路設計與軟件設計
3.1 發(fā)射電路分析與設計
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實現(xiàn)了lO.7 MHz的載波產(chǎn)生，信號調(diào)制,，功放驅(qū)動為一體,。功放的額定輸出功率是0.1 w。
3.2 接收電路設計
接收電路見圖5,。接收機的前端采用了限幅電路,，一個很小的電容（22 pF）后面接2個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個反向串聯(lián)的1N4148和一個4.7mH電感串聯(lián)一個5。6k電阻到單片機的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就是發(fā)送同步信號,，等待探測節(jié)點返回的數(shù)據(jù)。并在液晶上顯示出來,。探測節(jié)點的任務是定時采集數(shù)據(jù),，并在收到同步信號或者監(jiān)測到其它節(jié)點的時候發(fā)送數(shù)據(jù)，并在收到中繼請求后提供中繼服務,。圖6和圖7便是終端軟件和節(jié)點軟件的流程圖,。
圖6終端軟件流程
圖7節(jié)點軟件流程
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,。下面進行的是終端節(jié)點通信距離的測試,。
終端、節(jié)點放置在同一水平面,，在保證兩天線對準的情況下,，將距離分別設為1 em，9 cm,。將節(jié)點A和B分別放在終端兩側(cè),，距離為10 cm，測試溫度,，光照,，編碼預置功能。測試結(jié)果如表1（均有預置編碼的功能,，探測延遲3 s）,。
表1測試記錄
下面進行的是中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)測試。
將終端與節(jié)點A的距離沒為50 cm,，兩者不能正常通信,，將節(jié)點B插入到兩者中間，測試終端是否能夠正常識別2個節(jié)點,，然后將A,，B 2個節(jié)點互換,，測試足否能正常識別,。測試結(jié)果如表2所示,。
再次測試最大轉(zhuǎn)發(fā)距離，當A作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點時,，最大轉(zhuǎn)發(fā)距離為66 cm,，當B作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點時，最大轉(zhuǎn)發(fā)距離為80 em,。
最后進行的是節(jié)點功耗測試,。
保持D1+I）2=50 cm。測試轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點測試,。
實測發(fā)現(xiàn),，2個節(jié)點都作為中繼的時候，最大的電流時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,，可采用溫度計對溫度準確度進行測試,。經(jīng)過算法補償，在23～40℃的范圍內(nèi),，溫度準確度在2℃以內(nèi),。終端與節(jié)點的通信距離最遠町達35 cm。節(jié)點實現(xiàn)r中繼轉(zhuǎn)發(fā)的功能,。節(jié)點的電流非常小,，在3 mA以內(nèi)。