一種低成本無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計

ZigBee由于采用國外技術，其芯片價格高，限制了它的普及應用。PT2262/PT2272系列編解碼芯片是一種采用CMOS工藝、低功耗、低價位芯片，在遙控門、防盜、玩具等產(chǎn)品中大量使用，但其在數(shù)據(jù)傳輸、安全性等方面有所不足。本文利用PIC16LF876單片機模仿PT2262編碼方式，并進行了改進，配合433MHz高頻發(fā)射電路，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸組網(wǎng)。傳感器選用具有數(shù)字I2C接口的雙軸加速度傳感器MX6202，可以無線采集加速度、傾斜角數(shù)值，具有接口簡單、體積小、價格低的優(yōu)點。無線節(jié)點部分均選用低電壓器件，實現(xiàn)了單節(jié)鋰電池供電。特別適合網(wǎng)點數(shù)量龐大、對成本敏感(如家居、防盜、物聯(lián)網(wǎng)等)場合的應用。

1 無線傳感器系統(tǒng)設計方案

無線傳感器系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點與網(wǎng)關兩部分。傳感器節(jié)點負責實地數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)關負責接收各節(jié)點數(shù)據(jù)，匯總處理后經(jīng)GSM/GPRS網(wǎng)絡通知用戶。本文重點介紹傳感器節(jié)點，給出了軟硬件實現(xiàn)方法。無線傳感器系統(tǒng)組成如圖1所示。其中無線傳感器節(jié)點中的虛線框為擴展部分，F(xiàn)05V與J05U為微型433M發(fā)射接收模塊；無線網(wǎng)關部分負責匯總節(jié)點信息與外界通信，采用EM310模塊，GSM/GPRS傳輸。

     圖1 低成本無線傳感器網(wǎng)絡設計框圖

傳感器網(wǎng)絡采用星形連接方式，由各無線節(jié)點與網(wǎng)關組成。在大部分場合下(如防盜、環(huán)境監(jiān)測等)可以采用單向通信方式，即節(jié)點發(fā)射、網(wǎng)關接收，這樣，圖1中的虛線部中的節(jié)點的超外差接收電路、網(wǎng)關的RF發(fā)射電路即可以省去。當需要實時采集、強調(diào)同步性時，加上虛線框內(nèi)部分，由網(wǎng)關集中控制各節(jié)點動作，通過發(fā)采集或變更工作模式指令，控制各節(jié)點，采用雙向通信方案。本文介紹的為單向通信方案。

傳感器節(jié)點是系統(tǒng)的重要部分，負責現(xiàn)場采集工作，其工作穩(wěn)定與否對整個系統(tǒng)具有至關重要的作用。而當節(jié)點數(shù)量較多時，它的成本占系統(tǒng)的絕大部分。有許多節(jié)點需要獨立在室外工作并由電池供電，對能耗有較高的要求。為此，本設計通過PIC單片機模擬PT2262芯片編碼，對433MHz高頻電路完成鍵控調(diào)制(ASK)，省去了無線收發(fā)芯片，實現(xiàn)了通用MCU+傳感器的節(jié)點方案，大大降低了系統(tǒng)成本。采用的PIC超低功耗MCU，具有與MSP430相似的節(jié)能特性，選用低電壓RF模塊F05V，實現(xiàn)了系統(tǒng)的3.3V供電。

2 無線傳感器節(jié)點設計

2.1 節(jié)點硬件電路設計

無線傳感器節(jié)點是本文的重點部分，需要滿足低成本、低功耗、小體積、適合電池供電等要求。無線節(jié)點方案比較如表1所示。

表1 無線節(jié)點方案比較

      (1)本節(jié)點設計時所用器件及其性能：選用的PIC16LF876單片機，其性價比較高、外設豐富、工作穩(wěn)定，具有針對電池供電的低功耗系列；最高速率為4MIPS，工作電壓為2~5.5V，22 個I/O 口，片上集成有WDT、CCP、PWM、A/D等外設，14KB Flash，368bit RAM、256bit EEPROM，具有休眠省電模式。PIC16系列單片機不同型號之間大部分可兼容，可以根據(jù)需要，選用價格更低的PIC16F72或采用納瓦(nW)及超低功耗技術的PIC16F723，程序稍作改動，器件即可封裝兼容。

(2)加速度傳感器選用數(shù)字I2C接口的雙軸加速度傳感器MXC6202，其具有±2g的測量范圍，可以測量重力加速度，小體積、低功耗、接口簡單，工作電壓范圍為2.7~3.6V，有休眠模式，在保證低價格、小體積的同時，可以滿足防盜、人體姿態(tài)測量等應用的需求。

(3)RF電路采用F05V微型發(fā)射模塊，具有2.1~3.5V的低電壓、低功耗(10mA，連發(fā))及1~10kb/s的傳輸速率，可以滿足監(jiān)控等場合數(shù)據(jù)采集的需要。小體積、低價位，只有正電源、地、數(shù)據(jù)輸入、天線(天線按照手冊由導線繞制而成)輸出4個接口，可以像一個三極管一樣使用它。

(4)網(wǎng)關配套的接收電路是J05U超外差接收模塊，具有與F05V類似的特點。使用PT2262/PT2272編解碼方案，開闊地接收距離在300m左右。

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(5)無線節(jié)點采用的是電池供電的方式，因此，電池的好壞對整個系統(tǒng)的工作持久性有重要影響。本設計采用的是非充電性18650高容量鋰電池，電壓為3.7V，容量在1700mah以上，具有涓流放電、電壓恒定等特點。經(jīng)肖特基二極管降壓后得到約3.3V電壓為系統(tǒng)供電。節(jié)點的硬件原理圖如圖2所示。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點原理圖

圖2中右上角是PT2262的管腳圖可以看出，PIC16F876單片機保留了PT2262的8bit地址腳，4bit數(shù)據(jù)腳。這樣做是為了增加系統(tǒng)靈活性，將節(jié)點模塊從一個網(wǎng)絡轉移到另一個網(wǎng)絡，只需變更三態(tài)編碼開關A0~A7，就可將其設置成與欲轉入網(wǎng)絡網(wǎng)關的地址(6561種)。4bit數(shù)據(jù)口D1~D4采用2bit撥碼開關，為傳感器編號，這相當于節(jié)點在網(wǎng)絡內(nèi)的ID(16種)。

圖2中右下角為加速度傳感器MXC6202 、I2C接口。X、Y軸加速度值各為12精度。可以看到該傳感器接口簡單，沒有地址編碼腳，因地址在出廠前已確定，一路I2C總線只能有一片MXC6202 。PIC16單片機集成了一路I2C接口，但為了以后擴展多路加速度傳感器，采用軟件模擬的辦法，用RC4 、RC5 、RC6 、RC7 4個I/O口模擬了兩路I2C接口電路。此外，I2C接口類傳感器還帶有溫濕度傳感器STH1X、雙軸磁場傳感器MMC212X等，只要稍微更改程序，就可以擴展到本系統(tǒng)上。

2.2 節(jié)點軟件設計

單片機主要有兩個任務：模擬PT2262波形對高頻電路進行ASK調(diào)制，模擬I2C總線讀寫MXC6202 。要想讓軟件模擬一個硬件電路，必須掌握硬件電路的工作原理：PT2262是紅外遙控編碼器，PT2272是其接收解碼器，兩者常常配對使用。發(fā)射端PT2262共有12個地址端，發(fā)射的每一組數(shù)據(jù)都由12bit脈沖組成，順序是從A0~A11，每個地址端有三種接法。常見的是用其中8bit(A0 ~A7)作為地址編碼，其余4bit(D1 ~D3)作為數(shù)據(jù)編碼，外加1bit同步碼，每組至少發(fā)送4次。接收端PT2272舍棄第一組，當連續(xù)得到兩組與本身地址一樣的信號時，則解碼。參考文獻[1-2]分別介紹了單片機模仿PT2262的編碼方法和PT2272的解碼方法。由于需要傳輸X、Y兩個軸各12bit加速度值，因此，每幀36bit數(shù)據(jù)，幀間加1bit同步碼，傳輸4次。單片機編碼方案如圖3所示。必須注意的是，由于高頻發(fā)射具有隨機性，在不發(fā)射時表現(xiàn)為白噪聲，因此解碼時應舍棄第一幀數(shù)據(jù)，從第二幀開始解碼。

     圖3 單片機編碼方案

傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位格式分為：高電平(11) 、低電平(00) 、高阻態(tài)(01)三種，0 、1由高低電平的占空比決定。軟件中設200μs、600μs兩個延時函數(shù)。單片機調(diào)用這兩個延時函數(shù)，在RA1管腳上輸出相應的高低電平就能夠模擬出這三種狀態(tài)數(shù)值，從而完成單位數(shù)據(jù)的ASK調(diào)制。

單片機在發(fā)射前首先讀入預先設定的A0~A7 8bit三態(tài)地址，D1~D4 4bit節(jié)點網(wǎng)內(nèi)ID，再加上加速度傳感器X、Y軸的各12bit加速度值，共36bit數(shù)據(jù)，按圖3的格式依次發(fā)送出去，就可以進行數(shù)據(jù)傳輸了。每幀數(shù)據(jù)傳輸4次，每幀之間由大約10ms的幀間碼隔開，幀間碼由一個200μs高電平與10ms的低電平組成，發(fā)送一次數(shù)據(jù)的時間約為200ms，這樣1s內(nèi)最多可傳送5次數(shù)據(jù)，在大多數(shù)場合是可以滿足要求的。為了節(jié)省能耗，可以根據(jù)需要選擇發(fā)射速率，在不發(fā)射時，應使單片機、F05V、加速度傳感器處于休眠狀態(tài)。處于休眠狀態(tài)的PIC單片機可以使用看門狗等方式喚醒。用超外差接收模塊J05U接收，可以在300m的開闊地傳輸數(shù)據(jù)。當需要較高的數(shù)據(jù)傳輸速率時，應縮短寬窄脈沖時間長度。但需要注意的是，當脈沖寬度減少時，發(fā)射功率也同時減少。因距離與速度是矛盾的關系，當發(fā)射功率超過20Hz時，建議使用專用RF芯片。

MXC6202在使用中作為從器件，PIC單片機只要按照標準I2C時序控制MXC6202即可。參考文獻[3]介紹了利用單片機的普通I/O口模擬I2C總線的方法。MXC6202的地址在出廠時已經(jīng)確定了，共8種，在一路I2C總線上只能掛一個加速度傳感器。當需要兩個MXC6202測三軸加速度時，需要占兩路獨立的總線。為此，根據(jù)標準I2C時序，模擬了兩路I2C總線，以兩路循環(huán)采集。MXC6202示例驅動程序如下：

IICStart( )；//器件初始化，每次從休眠模式喚醒重新初始化

     IICSendByte(0x20)；//寫器件地址，MEMS傳感器地址出廠時已固定

     IICSendByte(0x00)；//器件內(nèi)部寄存器地址，只有一個可寫寄存器0x00

     IICSendByte(0xf0)；//最低位寫0，睡眠模式喚醒；寫1，進入睡眠模式

     Delay_75ms()；//睡眠喚醒時，需要75ms的延時//下面是依次接收：X高、X低、Y高、Y低4位數(shù)值

     IICStart( )；

     IICSendByte(0x20)；//寫MEMS傳感器

     IICSendByte(0x01)；

     IICStart( )；

     IICSendByte(0x21)；//讀MEMS傳感器

     for(ii=0；ii<3；ii++)

     {

          s[ii]=IICReceiveByte()；

          IICAck(0)；

     }

     s[3]=IICReceiveByte()；

     IICAck(1)；//最后一位不應答

     IICStop( )；

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測斜度時，采用查表與計算相結合的方法(器件手冊中給出了參考方法)。單片機模擬的波形如圖4所示。圖4(a)是單片機RA1口模擬PT2262發(fā)出的一串數(shù)列。圖4(b)是從MXC6202器件中讀出的一幀數(shù)據(jù)，為便于觀察，將兩組波形重疊在一起，高的為總線數(shù)據(jù)線信號，低的為總線時鐘信號。

     圖4 單片機模擬的波形

3 無線網(wǎng)關設計

無線網(wǎng)關由主控單片機、GSM模塊和超外差接收模塊J05U等組成，負責傳感器網(wǎng)絡的管理與控制，接收節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)并在必要時通過網(wǎng)絡等方式告知用戶。網(wǎng)關選用PIC18F6621單片機，GSM模塊選用的是EM310模塊。網(wǎng)關主要部分原理圖如圖5所示。

     圖5 網(wǎng)關主要部分原理圖

PIC18F6621單片機有：兩個串口，使用串口2與EM310通信，串口1用于外部接口，如作為GPRS DTU、連接上位機、串口攝像頭等；傳送速率最高為10MIPS；4KB RAM、64KB Flash；內(nèi)部集成有AD、WDT等外設。

EM310的1~6管腳與SIM卡電路連接。PIC18F6621有55個IO口，空余的I/O口可以接1602液晶進行顯示。DS12C887時鐘芯片作為整個無線網(wǎng)絡的時基。需要注意的是，EM310在接通網(wǎng)絡的瞬間會產(chǎn)生一個接近2A的峰值電流，因此電源部分需有冗余，因此推薦使用開關電源。

網(wǎng)關的功能主要有三個：對接收到的節(jié)點數(shù)據(jù)進行解碼、判斷是哪個節(jié)點傳來的信號及是否需要報警、控制EM310向設定手機發(fā)送短信及撥打電話等。

解碼是編碼的逆過程，關鍵是將發(fā)射節(jié)點編碼的600μs 、200μs寬窄脈沖正確識別。當單片機偵聽到開始碼(即連接J05U模塊的DATA引腳RD0產(chǎn)生第一個上升沿)時，開始分析數(shù)據(jù)，舍棄第一幀數(shù)據(jù)，對第二幀、第三幀、第四幀進行解碼。利用PIC單片機內(nèi)部定時器0計時，當有電平高低變化時，記錄下TMR0數(shù)值，并清零，重新開始計數(shù)。這樣可以把每一個高低電平寬度記錄下來；然后比較解碼，180μs~250μs之間為窄脈沖，550μs~650μs之間為寬脈沖；并將數(shù)據(jù)幀中的前8個數(shù)據(jù)與EEPROM中預存的地址碼進行比對，當有兩次相同時即表明正確解碼，將節(jié)點ID 4bit數(shù)值，X、Y軸各12bit數(shù)據(jù)儲存起來并進行處理。

EM310是一款兼容型GSM/GPRS通信模塊，硬件兼容MC55，廣泛用于數(shù)據(jù)采集、遠程測試等；內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，具有低價位、使用方便的特點。選用該模塊是為了方便系統(tǒng)GPRS功能擴展(如加接串口攝像頭實現(xiàn)現(xiàn)場攝像、傳輸視頻等功能)。EM310進行信號傳輸時(尤其是進行GPRS傳輸時)，會產(chǎn)生一個2A左右的尖峰電流，因此網(wǎng)關供電需要采用2A以上的電源(如開關電源等)。EM310的所有命令、數(shù)據(jù)傳輸均通過串口，支持最高波特率為115200b/s，數(shù)據(jù)包包長可以達到2KB，可以傳輸圖像數(shù)據(jù)，便于系統(tǒng)以后擴展圖像監(jiān)控功能。

EM310與PIC18F6621之間接口非常簡單，只占用RX、TX、GND三根線，采用AT指令進行通信，除個別指令外，每條指令均以回車符作為結束標志。本設計中用到了發(fā)送短信與撥打電話功能。發(fā)送短信AT指令為：at+cmgs=\"139XXXXXXXX\"，在EM310應答后，發(fā)送短信內(nèi)容，并以“0x1A” 結束短信內(nèi)容。撥打電話AT指令如下：ATD139XXXXXXXX；， 其中“139XXXXXXXX” 為預先設定的用戶手機號碼。

本文提出了一種低成本的無線加速度傳感器方案，采用通用單片機模仿成熟的編解碼方案，降低了開發(fā)難度與風險，有明顯的價格優(yōu)勢，適合對成本敏感、而對速度要求不高的場合，如工地器材防盜、智能家居網(wǎng)絡等。節(jié)點選用的芯片均為低功耗芯片，采用大容量鋰電池就可以使節(jié)點長期工作。I2C接口的傳感器種類有很多，更換傳感器就可以實現(xiàn)磁場強度分布檢測、糧食倉庫溫濕度檢測等，而且PIC單片機內(nèi)集成有A/D，也可以與其他模擬輸出的傳感器結合，因此本方案有通用性。使用GPRS網(wǎng)關可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控測試。