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1无线环境监测模拟装置学院:怀化学院班级:电子071组长:***同组成员:******日期:2010年5月10日2摘要:本作品以AT89C51单片机为核心,利用数字温度传感器以及光敏电阻采集温度和光照信息;通过ASK调制和调谐式解调(ToneDecoder)进行数据通讯,并采用CSMA方式解决了多个节点公用同一信道的问题;采用存储转发机制以及对被转发的数据包赋予生命周期的方法,实现了自动转发功能以及对新节点加入和离开的自动识别。探测节点全部采用通用器件,以60mW左右的平均功耗实现了节点间0.7m以及转发方式下1.4m的通讯距离,在达到指标要求的前提下降低了功耗和成本。关键词:ASK调制,ToneDecoder,CSMA,存储转发;3目录摘要..................................................................................................................................................21方案论证与比较.........................................................................................................................41.1调制方案选择:................................................................................................................41.2解调方案选择:................................................................................................................41.3多点通讯方案选择:........................................................................................................42理论分析与参数计算、电路设计................................................................................................42.1收发电路分析..................................................................................................................42.2通讯协议分析..................................................................................................................52.3无线收发电路设计.......................................................................................................62.4传感器电路设计...........................................................................................................62.5软件设计.......................................................................................................................73统测试与数据分析........................................................................................................................83.1讯距离测试。.....................................................................................................................83.2络测试。.............................................................................................................................83.3动转发测试。.....................................................................................................................834系统功耗测试。..................................................................................................................94总结...............................................................................................................................................941方案论证与比较1.1调制方案选择:方案1:采用FSK调制,优点是具有较强的抗干扰能力。缺点是解调部分的硬件较为复杂。方案2:采用ASK调制,优点是调制和解调的电路都相对简单,缺点是抗干扰能力较差。通过在干扰较小的频段选择合适的载频,并通过窄带滤波能够消除大部分干扰,所以本作品选择了ASK调制方式。1.2解调方案选择:方案1:对ASK信号放大与窄带滤波后,进行包络检波,再通过门限判决的方法解调。该方案的成本低,缺点是抗干扰能力很差,窄带滤波器容易偏频,难以调试。方案2:对ASK信号放大后,采用调谐式解调器(Tone-Decoder)进行解调,解调器本身是个窄带锁相环,能够省去窄带滤波器,且本身抗干扰能力较强;本作品中采用该方案。1.3多点通讯方案选择:多个节点间共用了同一个通信信道,因此在主机以及多节点之间涉及到信道复用问题。我们对比了以下方案:方案1:采用时间分隔机制的信道复用,如主-从式的轮询点名或令牌环网络。考虑到数据转发功能的实现必然要有多台主机,主-从式网络只允许一台主机显然不合适,而令牌环网络在节点随机离开后也会出现令牌无法传递的问题。并且,当节点编号未知时,依次搜索255个节点耗时很长。方案2:基于碰撞侦测机制的信道复用,如ALOHA、CSMA等方式。优点是网络中每个节点都可以作为主机,随时可以主动发送数据到任何其他节点。缺点是数据包可能因随机碰撞而丢失,且通讯延迟不可预计。但题目中要求5秒较为宽裕,而被传输的信息都是缓变量,允许进行多次重发。其中CSMA方式在发送前进行载波侦听,不会出现ALOHA在信道拥挤时将信道完全阻塞的现象,所以选择了CSMA方式进行信道复用。系统整体框图如图1,每个节点都采用AT89C51单片机对环境参数进行采集和换算。用单片机产生250kHz载波,将串口数据流作为基带信号,用门电路进行调制,再通过丙类放大器谐振放大后发射。线圈接收的信号通过两级三极管放大器进行60dB放大后,送入调谐式解调器进行解调,还原为基带信号,送至单片机串口;完成数据收发。2理论分析与参数计算、电路设计2.1收发电路分析1)载波频率的选择。电磁波能量分为磁场分量与电场分量两部分,线圈(环形天线)对其中的磁场分量敏感而对电场分量不敏感。虽然在理论上振荡频率越高电磁波越容易被发射,但考虑到实际的测试环境中存在各种磁场干扰,例如中波电台500kHz-1.6MHz,短波电台1.8MHz-29.7MHz,占据了题目所限定频率范围的高端,因此我们选择500kHz以5下的频率。又考虑到工频设备100Hz磁场以及开关电源的磁场干扰大约数十kHz至100kHz,我们取250kHz的频率作为载波,避开了环境中可能的大部分干扰源。2)发射电路分析。该系统中,信息通过磁场耦合,而线圈发射的磁场强度正比于线圈中的电流。线圈内阻很小,如果直接给线圈施加大电流激励,系统功耗很大且能量几乎全部浪费在限流电阻上。为了以较小的功耗来获得较大的线圈电流,采用谐振式(丙类)放大器。经测量,直径3.5cm,5匝空心线圈的电感量L0为1.87uH,当谐振频率f0=250kHz时,与之并联的谐振电容C0的容量为:C0==0.21uF3)接收电路分析。对于接收放大器来说,线圈是一个低阻抗的信号源,不要求放大器具有高输入阻抗。ASK解调对信号失真度要求也不严格,为了降低成本可采用三极管放大器,通过两级放大达到60dB左右。放大后的信号通过解调后还原成基带信号(数据流)送至单片机串口。2.2通讯协议分析1)通讯速率选择。因为250kHz载波频率较低,所以限制了通讯速率。考虑到调谐解调器LMC567至少要20~100个载波周期才能实现可靠的检测,又考虑到串口采用每个比特中间时刻判决,需要留2倍裕量,最后以载波频率的1/200,即1200bps的速率进行通讯。2)信道复用分析。多点通信采用CSMA(载波侦听多路复用)方式,载波侦听可以通过数据接收来实现。通过查询单片机RXD引脚在一个字符时间内是否发生变化,来判定附近是否有其他节点正在发送数据。为了减小碰撞的概率,协议上尽可能采用短帧。每个节点采用随机时间作为发送间隔,若在发送前侦测到信道已被占用,则放弃本次发射,等待下一次发射窗口。发射间隔在0.25~1秒内随机变化,采用8字节数据帧,以1200bps发送一帧需要60ms,在2个节点情况下,每个节点碰撞发生的概率约为60ms/[(1000+250)/2]=1/10;而5秒内平均有8次发射窗口,数据连续5秒被阻塞的概率仅有1×10-8。当节点数量增加时,平均传输延迟变长,但每个节点一定能遇到发射窗口。3)转发协议分析。为了实现自动转发功能,每个节点内部都保留一定的存储空间,用于存储它所收到的所有其他节点的数据。在连续运行一段时间后,每个节点内都存储有该节点所在连通域内的所有节点的数据。监控终端只要访问任一节点,即可获得该连通域内的所有节点数据。为了判别节点的离开,每一个数据都附加有生命周期,当生命周期结束后,该数据会被删除。协议数据帧格式如图2,每个节点发送自身的物理地址(拨码开关编号)、环境参数,并且附带转发它所接收到的其他节点数据;帧尾添加CRC校验。62.3无线收发电路设计无线收发电路如图3,主要分为发射和接收两部分。利用AT89C51单片机输出250kHz载波。串口发送数据通过与非门进行250kHz调制,再驱动Q5和L1、C1构成的谐振放大器,通过线圈L1发送出去。当数据停止发射时,Q5截止,发射部分自动断开,不影响接收部分的工作。接收部分首先将线圈上感应出的电压放大。经实测,为了达到25cm的通讯距离至少需要60dB的增益。为降低功耗和成本,采用三极管放大器。为了达到所需的增益采用两级放大,其中第一级放大40dB左右,第二级放大20dB左右,级间通过射随器(Q2、Q4)进行阻抗匹配。放大后的信号通过LMC567进行解调。调节R10使LMC567的本振频率为载波频率的2倍(500kHz)。解调出的基带信号就是接收到的数据流,直接送入单片机串口。2.4传感器电路设计温度测量选用数字温度传感器D
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