劉洋

摘要：簡(jiǎn)要介紹一種無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬裝置的設(shè)計(jì)方案，給出收發(fā)電路、通信協(xié)議和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方法。該裝置可對(duì)周邊多點(diǎn)環(huán)境溫度、光照等環(huán)境信息進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)各探測(cè)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)終端之間信息的無(wú)線傳輸。

關(guān)鍵詞：無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬裝置設(shè)計(jì)

0 引言

在很多情況下，監(jiān)控中心都需要對(duì)周邊及關(guān)鍵位置的環(huán)境信息（如溫度、照度、濕度等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)和處理。各探測(cè)點(diǎn)信息采用有線傳輸是一種可靠的方法，但受建筑物裝修要求和環(huán)境障礙等因素限制，不宜采用有線方式傳輸時(shí)，使用無(wú)線方式傳輸無(wú)疑是一種經(jīng)濟(jì)適用的選擇。本裝置要求能在5秒鐘內(nèi)完成對(duì)255個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)環(huán)境溫度和光照信息的無(wú)線探測(cè)，并自動(dòng)巡回或手動(dòng)選擇顯示相關(guān)環(huán)境信息。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為便于對(duì)周邊多點(diǎn)環(huán)信息進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端與各探測(cè)節(jié)點(diǎn)之間信息的無(wú)線傳輸，本裝置由探測(cè)節(jié)點(diǎn)分機(jī)和監(jiān)測(cè)終端兩大部分組成。探測(cè)節(jié)點(diǎn)分機(jī)由單片機(jī)、溫度檢測(cè)電路、照度檢測(cè)電路、無(wú)線發(fā)射電路和接收電路等組成；監(jiān)測(cè)終端由單片機(jī)、無(wú)線發(fā)射電路、無(wú)線接收電路和顯示電路等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。各探測(cè)節(jié)點(diǎn)分機(jī)完成對(duì)環(huán)境溫度和照度信息的采集與處理，并適時(shí)向監(jiān)測(cè)終端和鄰近檢測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息；監(jiān)測(cè)終端完成探測(cè)命令的發(fā)布、探測(cè)信息的處理、存儲(chǔ)與顯示。

1.1 信息傳送與轉(zhuǎn)發(fā)方案 為防止某個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)在上傳信息時(shí)發(fā)生碰撞，系統(tǒng)采用“時(shí)分復(fù)用”信道的通信方式。約定每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須在規(guī)定的時(shí)隙ΔT內(nèi)完成信息發(fā)送。某個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到監(jiān)測(cè)終端發(fā)來(lái)的“探測(cè)命令”時(shí)，或接收到鄰近節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)來(lái)的第一個(gè)“探測(cè)命令”時(shí)。啟動(dòng)定時(shí)，定時(shí)時(shí)間到便開始發(fā)送信息。定時(shí)時(shí)長(zhǎng)根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)地址不同或是否能直接接收終端“探測(cè)命令”為依據(jù)決定。

當(dāng)監(jiān)測(cè)終端需要探測(cè)環(huán)境溫度和照度信息時(shí)，便以廣播通信方式向各個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)布“探測(cè)命令”。能直接接收終端“探測(cè)命令”的節(jié)點(diǎn)同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)，某個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)定時(shí)時(shí)間到，便開始向終端和鄰近節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息（含地址、溫度和照度信息）。終端將信息接收下來(lái)送單片機(jī)存儲(chǔ)、處理；不能直接接收“探測(cè)命令”的節(jié)點(diǎn)（如地址序號(hào)為j的節(jié)點(diǎn)），在接到第一個(gè)鄰近節(jié)點(diǎn)（如地址序號(hào)為i的節(jié)點(diǎn)）發(fā)出的信息時(shí)，便認(rèn)為收到了“間接探測(cè)命令”，于是開始啟動(dòng)定時(shí)。由于每轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)節(jié)點(diǎn)信息需要兩個(gè)ΔT，因此轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)j的定時(shí)時(shí)長(zhǎng)

T=（256-i+2j）ΔT。

定時(shí)時(shí)間到，便發(fā)送含有i節(jié)點(diǎn)地址、j節(jié)點(diǎn)地址與環(huán)境數(shù)據(jù)的信息。此時(shí)，若i節(jié)點(diǎn)收到j(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的含有本節(jié)點(diǎn)（i節(jié)點(diǎn)）地址的信息，表明j節(jié)點(diǎn)需要本節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息；若i節(jié)點(diǎn)收到的j節(jié)點(diǎn)信息中不含有本節(jié)點(diǎn)（i節(jié)點(diǎn)）地址的信息，表明j節(jié)點(diǎn)不需要本節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息。

1.2 信息處理與顯示方案 由于要求在5秒內(nèi)完成對(duì)255個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)環(huán)境信息的探測(cè)，考慮到最多可能有254個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息需要轉(zhuǎn)發(fā)。這樣，監(jiān)測(cè)終端對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的探測(cè)時(shí)間只有幾十毫秒，這么短的時(shí)間無(wú)法實(shí)現(xiàn)“即時(shí)檢測(cè)即時(shí)顯示”，只能將地址信息和環(huán)境信息全部接收下來(lái)處理后，再根據(jù)需要送顯示器顯示。顯示方式有三種選擇：一是自動(dòng)巡回顯示，二是手動(dòng)設(shè)定/選擇顯示，三是報(bào)警節(jié)點(diǎn)優(yōu)先顯示。

1.3 通信協(xié)議

1.3.1 數(shù)據(jù)包格式 本系統(tǒng)的信令和數(shù)據(jù)包由同步碼WS、功能碼FC、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度碼SIG、數(shù)據(jù)包內(nèi)容DIGI和校驗(yàn)碼CHECK五部分組成。數(shù)據(jù)包格式如下：

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1.3.2 SPL編解碼與數(shù)據(jù)包傳輸 ①SPL編碼與數(shù)據(jù)包的發(fā)送。數(shù)據(jù)包WS、FC、SIG、DIGI、DHECK的發(fā)送是由單片機(jī)的通用輸出端口從高位到低位串行逐位發(fā)送的，發(fā)送完WS以后，發(fā)真正的信令碼FC、SIG、DIGI、DHECK時(shí)，將進(jìn)行SPL編碼，按照1變?yōu)?1，0變?yōu)?0的原則，F(xiàn)C由原15位變成30位。②SPL解碼與數(shù)據(jù)包的接收。數(shù)據(jù)包的接收是發(fā)送的逆過(guò)程，是由單片機(jī)的通用接收端串行接收的，當(dāng)單片機(jī)串行接收到WS后，即著手接收已經(jīng)過(guò)SPL編碼的FC、SIG、DIGI、DHECK。如果按照011，100的原則進(jìn)行SPL解碼，若出現(xiàn)00或11的情況，認(rèn)為接收端出錯(cuò)，若出錯(cuò)兩次，則信令無(wú)效，若只有一次，則暫時(shí)按000，111處理，留待下一步校驗(yàn)碼糾錯(cuò)。③差錯(cuò)控制編碼檢錯(cuò)與糾錯(cuò)。差錯(cuò)控制的基本思路是，在發(fā)送端根據(jù)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)系列加入多余碼元，使原來(lái)不相干的變?yōu)橄喔傻臄?shù)據(jù)，即編碼。傳輸時(shí)將多余碼元和信息碼元一并傳送。接收端根據(jù)信息碼元和多余碼元間的規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn)，即譯碼。根據(jù)譯碼結(jié)果進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，由譯碼器自動(dòng)將錯(cuò)誤糾正。這種多余碼元就是校驗(yàn)碼。

2 電路與程序設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射電路 各探測(cè)節(jié)點(diǎn)和檢測(cè)終端的發(fā)射電路可采用相同的電路結(jié)構(gòu)。電路一般由脈沖產(chǎn)生電路、脈沖整形電路、調(diào)制與發(fā)射電路構(gòu)成。

載波頻率的穩(wěn)定與否是發(fā)射電路能否穩(wěn)定、可靠地工作的關(guān)鍵，本設(shè)計(jì)采用振晶與高速與非門構(gòu)成的振蕩器來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的載波信號(hào)。

信號(hào)的發(fā)射是通過(guò)線圈耦合的方式實(shí)現(xiàn)的，因而射頻功放應(yīng)選擇諧振功放。諧振功放有A、B、C、D類，綜合考慮電路的復(fù)雜程度及效率問(wèn)題，本設(shè)計(jì)選用三極管構(gòu)成的C類放大器對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行射頻功率放大和發(fā)射。

常用的數(shù)字調(diào)制方式主要有ASK、FSK和PSK。相比而言，F(xiàn)SK、PSK電路比較復(fù)雜，本設(shè)計(jì)選擇100%ASK調(diào)制。100%ASK以100%的能量進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證了信號(hào)的較高抗干擾性，解調(diào)容易，在一定程度上提高了通信的可靠性。

2.2 接收電路 各探測(cè)節(jié)點(diǎn)和檢測(cè)終端的接收電路可采用相同的電路結(jié)構(gòu)。電路主要由混頻器、本機(jī)振蕩器、中頻放大器、檢波器、低頻放大器和脈沖整形電路構(gòu)成。

混頻器的作用是提高接收電路的靈敏度、選擇性。如果沒有混頻電路，接收電路將直接放大接收到的高頻信號(hào)，將會(huì)出現(xiàn)靈敏度低、選擇性差的問(wèn)題。采用混頻器后，將高頻信號(hào)變?yōu)楣潭ǖ闹蓄l，故在混頻器后設(shè)置中頻放大器，中頻放大器在固定中頻上放大信號(hào)，放大電路可以設(shè)計(jì)得最佳，使放大器的增益做得更高且不易自激。本設(shè)計(jì)中頻放大器中設(shè)置了一個(gè)藕合諧振電路和一個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)，以進(jìn)一步提高接收電路的選擇性和抗干擾能力。由于檢波出來(lái)的信號(hào)較弱，須經(jīng)低頻放大以后才能進(jìn)行比較判決。因此解調(diào)電路部分應(yīng)包括由檢波器、低頻放大器和脈沖整形電路。解調(diào)出來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)送單片機(jī)進(jìn)行處理。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì) 終端單片機(jī)節(jié)點(diǎn)完成探測(cè)命令發(fā)布、探測(cè)到的節(jié)點(diǎn)信息的處理和顯示。當(dāng)需要探測(cè)節(jié)點(diǎn)信息時(shí)，終端以廣播方式發(fā)出探測(cè)命令，并啟動(dòng)定時(shí)，定時(shí)時(shí)長(zhǎng)為512ΔT（ΔT為一個(gè)節(jié)點(diǎn)上傳信息所需時(shí)間），確保255節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)情況下都能可靠探測(cè)。當(dāng)探測(cè)到節(jié)點(diǎn)信息時(shí)，將該節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、處理。全部節(jié)點(diǎn)的信息都接收下來(lái)處理完后，將地址信息、溫度信息和光照信息依序送顯示器顯示。然后再進(jìn)行下一循環(huán)的探測(cè)。主要程序流程如圖2所示。

2.3.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 探測(cè)節(jié)點(diǎn)單片機(jī)完成對(duì)環(huán)境溫度、照度信息和電池電壓的采集與處理，適時(shí)向終端和鄰近節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，并根據(jù)臨近節(jié)點(diǎn)的需要及時(shí)向終端轉(zhuǎn)發(fā)信息。主要程序流程如圖3所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本裝置為一模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由于各探測(cè)節(jié)點(diǎn)能夠接收和轉(zhuǎn)發(fā)鄰近節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的信息，不僅數(shù)據(jù)傳送可靠，而且通信距離遠(yuǎn)比點(diǎn)對(duì)點(diǎn)大。測(cè)試結(jié)果表明：該裝置能夠準(zhǔn)確完整地監(jiān)測(cè)和處理各探測(cè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境信息。只要適當(dāng)增加發(fā)射電路的載波頻率和發(fā)射功率就能增加探測(cè)距離和范圍，以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用要求。

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