射頻信號功率的檢測已成為無線通信系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，目前有4種測量功率的方法：二極管檢測功率法,、等效熱功耗檢測法,、真有效值/直流(TRMS/DC)轉(zhuǎn)換檢測功率法和對數(shù)放大檢測功率法^[1]。前3種方法分別存在誤差大,、操作復(fù)雜,、受溫度影響大等缺陷；最后一種方法避免了以上缺陷,，但只適用于測量正弦信號,，ADI推出的AD8362芯片也應(yīng)用了這種方法，卻能適用任何形式的輸入信號,，且大大提高了集成度和檢測精度,。然而，AD8362的線性測量范圍較窄,，無法滿足大功率信號的檢測,。本設(shè)計(jì)通過CC2430的內(nèi)部8051單片機(jī)與數(shù)字衰減器HMC274和AD8362構(gòu)成閉環(huán)控制的方式，提高了量程范圍,，并通過CC2430的射頻收發(fā)功能構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),，借助ZigBee無線技術(shù)和GPRS通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)大范圍的多點(diǎn)功率采集。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)方案

        系統(tǒng)框圖如圖1所示,，由傳感器節(jié)點(diǎn),、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控上位機(jī)三部分構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)由CC2430作為主控芯片,，由AD8362和HMC274構(gòu)成傳感器探頭,。各節(jié)點(diǎn)通過ZigBee協(xié)議以多跳路由的方式將各節(jié)點(diǎn)功率值傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由CC2430,、LCD顯示模塊和MC35i短信模塊構(gòu)成,，當(dāng)收到傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)后，MC35i通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控人員的手機(jī),，從而實(shí)現(xiàn)了寬量程,、大范圍的射頻信號功率采集,。

1.2 電源模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)采用普通AA干電池供電，采集探頭HMC274和AD8362需要5 V電源,，而CC2430需要3.3 V電源,，TC35i則需要4.2 V電源，因此必須搭建電壓轉(zhuǎn)換電路,。采用ASM1117將+5 V轉(zhuǎn)化為+3.3 V,，輸出電壓經(jīng)過電容濾波后提供給CC2430，并采用LM2941穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)5 V轉(zhuǎn)4.2 V的電源模塊設(shè)計(jì),轉(zhuǎn)換電路如圖2所示,。

1.3 CC2430主控芯片

        CC2430是Chipcon公司推出的適用于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的片上系統(tǒng),。內(nèi)部集成低功耗8051控制器和符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CC2420RF射頻收發(fā)器。其中,，8051控制器具有32/64/128 KB的Flash,、8 KB RAM、8路14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,、1個16位定時器和2個8位定時器^[2],。CC2430在傳感器節(jié)點(diǎn)中的作用主要有：(1)接收AD8362的輸出電壓，并將其轉(zhuǎn)換為功率信號,；(2)控制HMC274的衰減值,，確保AD8362的輸出電壓在線性范圍內(nèi)； (3)利用內(nèi)部射頻收發(fā)器將各節(jié)點(diǎn)功率值通過ZigBee協(xié)議組網(wǎng)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),。CC2430在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中的作用主要有： (1)利用內(nèi)部射頻收發(fā)器接收各傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),； (2)控制LCD模塊顯示節(jié)點(diǎn)信號功率；(3)控制短信模塊MC35i實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)/手機(jī)的通信,。

1.4 功率檢測探頭

        功率檢測探頭采用閉環(huán)控制電路,，由天線接收到的射頻信號首先通過衰減初值為0 dB的數(shù)字衰減器HMC274，再由射頻變壓器將信號轉(zhuǎn)換為差分輸入到AD8362進(jìn)行功率檢波,，AD8362的輸出電壓經(jīng)過電位器分壓后輸入CC2430的P0.6口,由CC2430進(jìn)行內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換和線性計(jì)算后進(jìn)行判斷,當(dāng)CC2430檢測到的電壓超過AD8362的線性輸出上限+10 dBm對應(yīng)的3.5 V時^[3-4],，則通過P1.0~P1.4口控制HMC274以步進(jìn)1 dB調(diào)節(jié)衰減量，將輸入AD8362的功率控制在它的線性范圍內(nèi),，從而使量程上限提高31 dB,，實(shí)現(xiàn)寬量程(-50 dB~+40 dB)檢測。功率檢測探頭的電路如圖3所示,。

1.5 MC35i短信模塊

        MC35i是西門子公司的新一代GSM/GPRS雙模模塊,，可以工作在900 MHz和1 800 MHz兩個頻段，功耗分別為2 W和1 W,工作電壓為3.3~4.8 V,，本設(shè)計(jì)采用4.2 V供電,。它的GPRS模塊永久在線功能提供了很快的數(shù)傳速率，體積小,，功耗低,，能提供數(shù)據(jù),、語音、短信,、傳真功能,，廣泛用于遙感測量記錄傳輸,、遠(yuǎn)程信息處理和電話應(yīng)用中^[5-6],。本設(shè)計(jì)中MC35i作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)/手機(jī)的通信模塊，外圍電路如圖4所示,， 其中CC2430的I/O口需要通過高壓驅(qū)動器7407實(shí)現(xiàn)對MC35i的驅(qū)動,。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

        本設(shè)計(jì)以IAR Embedded Workbench為開發(fā)環(huán)境，以C語言為編程語言,，采用移植性和可讀性較好的Z-Stack開源程序?yàn)槟０?，改變其中的APP程序建立項(xiàng)目。在整個網(wǎng)絡(luò)中,，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)用于接收傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù),，并進(jìn)行顯示和發(fā)送。上電后,，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行ZigBee協(xié)議初始化,、信道掃描并建立網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)形成后,，進(jìn)入允許綁定模式,，響應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)的綁定請求^[7-8]。綁定成功后,，等待傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),，當(dāng)接收到相應(yīng)數(shù)據(jù)后，初始化MC35i模塊,，建立GPRS連接,，向上位機(jī)/手機(jī)發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)檢測射頻信號強(qiáng)度,，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及與協(xié)調(diào)器的通信,。軟件部分主要包括數(shù)據(jù)采集程序和網(wǎng)絡(luò)通信程序。在網(wǎng)絡(luò)通信部分,，傳感器節(jié)點(diǎn)能自動加入網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送綁定請求,，等待綁定成功后定時將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。如果綁定失敗,，傳感器節(jié)點(diǎn)將自動移除綁定^[8],。在數(shù)據(jù)采集部分，為拓寬AD8362量程,，采用閉環(huán)控制思路,，主要包括電平數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)處理、衰減器控制量的調(diào)整和存儲,，流程圖如圖5所示,。

2.3短信模塊軟件設(shè)計(jì)

        CC2430通過串口發(fā)送AT指令對MC35i進(jìn)行控制，并與GPRS網(wǎng)絡(luò)引擎進(jìn)行相互通信,、交換數(shù)據(jù)^[5],。本設(shè)計(jì)采用PDU模式將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)以短信的形式發(fā)送到檢測人員的手機(jī)，發(fā)送流程如圖6所示,。協(xié)調(diào)器采集完畢后,，如需向檢測人員發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，則啟動MC35i,，將數(shù)據(jù)分組PDU打包后發(fā)送^[9],。當(dāng)存在一個或一個以上傳感器節(jié)點(diǎn)檢測到的功率值超過-50 dB~+40 dB量程范圍，且在系統(tǒng)設(shè)定時間內(nèi)報(bào)警沒有排除時,，發(fā)送報(bào)警短信,。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        為了檢測探頭是否達(dá)到寬量程的標(biāo)準(zhǔn)，對功率采集探頭進(jìn)行了單獨(dú)測試,。記錄功率真值及其對應(yīng)的AD8362輸出電平,將測試得到的100組數(shù)據(jù)錄入到Origin7.5的表格中并進(jìn)行擬合,得到滿量程輸出曲線如圖7所示,。當(dāng)射頻信號功率大于10 dB時，CC2430控制HMC274的衰減量,，輸入到AD8362的射頻信號減小到10 dB以下,，對應(yīng)輸出電壓趨近于臨近3.5 V的一條直線，此時的射頻功率值為CC2430的P1口控制的衰減值與AD8362輸出電平對應(yīng)的功率值之和,。

        為了驗(yàn)證系統(tǒng)工作性能,，將調(diào)試好的裝置進(jìn)行了實(shí)際測試，在室溫(20℃)下,，對5臺ZY12RFSys32BB1射頻訓(xùn)練儀產(chǎn)生的2.4 GHz射頻信號的功率值進(jìn)行了采集,。將檢測功率與實(shí)際功率進(jìn)行了對比，結(jié)果如表1所示,?？梢娬麄€系統(tǒng)測量誤差可以控制在0.5%以內(nèi),工作穩(wěn)定，通信效果理想,。

        本文采用ZigBee無線技術(shù)與GPRS通信技術(shù)相結(jié)合,，設(shè)計(jì)了一款測量量程寬、測量范圍廣的WSN多點(diǎn)射頻功率檢測系統(tǒng),。以CC2430作為核心控制和射頻收發(fā)設(shè)備,，采用閉環(huán)控制采集探頭，實(shí)現(xiàn)-50 dB~+40 dB量程范圍的功率檢測。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢測,，系統(tǒng)誤差在0.5%以內(nèi),，通信效果理想，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的寬量程和寬范圍檢測,。

參考文獻(xiàn)

[1] 王化祥,，張淑英.傳感器原理及應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社，2007.

[2] 寧炳武,，劉軍民.基于CC2430的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2008，34(3)：95-99.

[3] 徐君,，王雪梅.基于AVR 的機(jī)載應(yīng)答機(jī)射頻功率探測模塊設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù),，2011,30(12):1-3.

[4] 周平,胡永紅.基于ATmega1280接收機(jī)功率檢測控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2008,16(10):1436-1438.

[5] 宋含,陳真誠.基于MC35I無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膭討B(tài)心電Holter設(shè)計(jì)[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備,，2008,29(12):19-21.

[6] 宋超,李欣,董靜薇. 基于TC35i和MSP430F149的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,12(2):103-106.

[7] 趙養(yǎng)社.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)的灌溉系統(tǒng)研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39(7):4203-4205.

[8] 司榮超.基于ZigBee技術(shù)的嵌入式無線通信節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2011.

[9] 裴素萍,，吳必瑞. 基于物聯(lián)網(wǎng)的土壤含水率監(jiān)測及灌溉系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013(7):106-109.