環(huán)境監(jiān)測是指通過對影響環(huán)境質量因素的代表值的測定，確定環(huán)境質量（或污染程度）及其變化趨勢,。隨著科技的不斷進步,，特別是計算機技術和網絡技術的不斷發(fā)展，環(huán)境檢測由經典的化學分析向儀器與計算機和網絡相結合的方式,，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)點能夠實現(xiàn)中繼轉發(fā)的功能,。整個系統(tǒng)采用OOK調制方式,，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。在信號調制方面采用了OOK（On.Off Keying）調制方案,。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)的結構設計如圖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),，溫度可由單片機內部自帶的溫度傳感器得到。,，數(shù)據(jù)的調制,、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動功率，而串121也可以通過與非門來調制信號,。
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 開關狀態(tài)功放輸入輸出匹配
在節(jié)點上采用高效率的開關狀態(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,，為了便于調諧，采用了一只5／35pF的可調電容,，經過這樣后,，三極管輸出為42n的純阻，然后經過一個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,，所以經過PSPICE仿真,，進行校準，得到最終的具體參數(shù),。
圖2 e3355開關狀態(tài)功放
2.3 接收機解調電路分析
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,。考慮到在近距離時,，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,，使用一個開關電路來切換收發(fā)模式,。這個開關電路使用單片機I／O口來控制高速二極管的導通與關斷來實現(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,，結構如下圖示,。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的載波產生,，信號調制，功放驅動為一體,。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，距離為10 cm,，測試溫度,，光照，編碼預置功能,。測試結果如表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。測試結果如表2所示,。
再次測試最大轉發(fā)距離,，當A作為轉發(fā)節(jié)點時，最大轉發(fā)距離為66 cm,，當B作為轉發(fā)節(jié)點時,，最大轉發(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 測試結果分析
溫度,、光照測量：溫度由于采用芯片內集成溫度傳感器,，可采用溫度計對溫度準確度進行測試。經過算法補償,，在23～40℃的范圍內,，溫度準確度在2℃以內。終端與節(jié)點的通信距離最遠町達35 cm,。節(jié)點實現(xiàn)r中繼轉發(fā)的功能,。節(jié)點的電流非常小，在3 mA以內,。