D题：无线环境监测模拟装置无线环境监测模拟装置无线环境监测

1D题题题题：：：：无线环境监测模拟装置无线环境监测模拟装置无线环境监测模拟装置无线环境监测模拟装置成都信息工程学院成都信息工程学院成都信息工程学院成都信息工程学院骆文杰唐明波李强摘要：本系统采用了高数据率的FSK无线数据传输技术，基于MSP430F247低功耗单片机及低功耗FSK接收芯片A1184N构成探测节点。探测节点能自动采集周边环境信息，并能在监测点查询时反馈实时环境信息。MCU采用高速、低功耗、带有数字信号处理的MSP430单片机，监测终端采用带触摸屏的液晶显示，更好的实现人机交互，检测终端采用了TI的TMP275温度传感器。本设计成功实现了中继模式下对温度和光照强度的采集，具有低功耗、自适应组网、系统稳定等特点。关键字：低功耗、MSP430、TMP275、自适应组网、实时、中继2一一一一、、、、系统简介和系统方案设计系统简介和系统方案设计系统简介和系统方案设计系统简介和系统方案设计功能简介：该无线环境监测模拟装置能实现对周边温度和光照信息的探测。该装置由1个监测终端和多个探测节点组成（实际制作2个）。监测终端能通过主动查询探测节点地址，并能命令节点将探测的环境信息反馈回来。实现对周边节点的环境信息检测。多节点通信时，还能让其中的节点做中继系统，将监测端不能正常通信的其他节点的信息反馈给监测端，监测端采用液晶显示，增加了触摸屏，使整个系统更好的实现了人际交互。系统方案设计：考虑到要实现多机的数据通信，以及复杂的通信协议，要求给通信节点的通信可靠性要很高而且要求节点低功耗。因此本设计采用FSK通信方式。发射端载波发生电路采用晶体振荡电路，通过切换接入振荡电路的频率微调电容，改变晶体振荡频率的频偏，实现FSK调制。接收端采用集成芯片进行FSK解调。光照信息通过光敏电阻探测，采用高精度的数字温度传感器TMP275进行温度采集,绝对误差在0.5±摄氏度，最高监测能达到125摄氏度，完全能完成题目要求。在选择MCU时考虑到低功耗的苛刻要求，我们选择了MSP430单片机，这样完全能达到要求。图1系统方框图二二二二、、、、理论分析与计算理论分析与计算理论分析与计算理论分析与计算1.发射电路分析3该电路主要由一个晶体振荡电路，电源切换，电容切换，和谐振放大组成。数据端的高低电平触发三极管的导通与截止切换接入晶体振荡回路的电容大小，用以在晶体本振频率上产生一个微小的频偏，通过电容的接入和断开实现FSK调制。由于整个设计是一个半双工通信系统，要求切换发射的工作状态，要随时切换，以免发送和接收相互冲突。为了增加一定的传输距离，有必要加谐振放大。发射电路图如图2所示J120.945C110PC247PC368PL1R4470RQ29018C433PR1C51043VQ39018R220KR339KX1XIANQUANC638PQ1R5DATA电电电电C5104XIANQUANC638P12OSC11OSC22MIXOUT3VCC4IFIN5IFP16IFP27QD8DETOUT9A1IN10A1OUT11A2OUT12COMPIN13NRZ14SENSE15VBOUT16BSV17LVR18GND19RFIN20JP1A1184C8561J521.855C922PC1015P3VC11473C12473R64.7K+C131uFJ74553V+C151uFR7R8R9C14C16R10R11R1351KR12R1468KC17C183VC19104R1568KR1633K3VJ6LT455图2图32.接收电路分析该电路主要采用一款低功耗的BP机中频放大解调芯片A1184N进行FSK的解调。该芯片只需少量的外围元件就可以组成一个高灵敏度，低功耗的FSK解调器。该芯片内置混频，中频放大，模拟解调，低频放大以及FSK解调和整形电路。接收电路如图3所示。3.通信协议分析（1）、数据帧格式设计本系统软件主要核心在于通信协议。对于软件的通信协议的设计，采用划分时间片进行在线节点地址刷新和数据传输的功能实现。在本系统中由于硬件系统的性能，波特率设在2400bps/S。对于系统的数据帧格式设计如下：0x7E温度数据+光强信息/功能控制0x7E在数据帧格式中，功能控制位、温度、光强信息位：共两个字节，是为了增加通信速率，将原始数据压缩后的数据。功能控制位为两个比特位：为11时是登陆时间片起始；为01时是统一数据采集起始；为10时是点对点数据采集起始；为00时是中继控制。其它比特位用来传输光强和温度信号。数据格式如下：4功能功能光强保留温度温度温度温度Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0温度温度温度温度温度温度温度温度Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0（2）、时间片划分每个数据帧传送时间大概在15Ms左右，分配4-5秒（加上硬件时延）的扫描探测周期。每个周期划分成255个时间片，对应255个地址编号。节点在收到主机的同步信号后，开启定时，等到自己的时间片后发送数据。主机通过时间片序号及数据顺序识别节点地址。三三三三、、、、电路与程序设计电路与程序设计电路与程序设计电路与程序设计1.振荡电路偏置电阻计算根据经验值，发射振荡电路的射极在0.5-1ma之间工作稳定，应题目要求要实现低功耗，射极电流取0.5ma。根据电路图（见图四）。振荡晶体管的集电极电压*EEEVIR=,而EI=0.5ma，ER=470Ω，则EV=0.5ma*470Ω=0.235v，晶体管B和E集管压降取0.7V，BV=EV+0.7=0.935v，晶体管集电极电压取电源电压,CV=VCC=3V,*212CBVRVRR=+,可得212RRR+=13，EBIIβ=,β取100，则BI=5uA，根据经验值流经偏置电阻的电流一般取10BI，则1I=50ua，可得回路总电阻约为60K，则可取1R=39k，2R=20K.R1R2ReRcQ1VCCVCVbVeiieicib图4发射偏置电阻计算简化图图52、FSK频偏计算（图5）设石英晶体的静态电容为C0，并联电容为Cs5又∵CC0+CS这时Cs将在40pF~20pF之间变化，通过控制一个20P左右的电容接入与否达到2.5KHz~3KH的频偏，完全满足FSK解调。3、谐振线圈回路计算为了使收发距离增大，必须让接收端尽可能大的获得发射端发出的能量，根据耦合线圈匹配理论，应当让线圈工作在谐振状态。经电桥测试，线圈电感在1.5uh左右，取值为1.5uH。由公式12fLCπ=可得匹配电容为38.94P。4、总体电路图（见附录）5、工作流程图图6监测终端工作流程图7探测节点工作流程++=′)(21s0ssCCCffs0s1CCCf++=s0s121CCCLCf++=′π6四四四四、、、、所选用主要器件介绍所选用主要器件介绍所选用主要器件介绍所选用主要器件介绍1、MSP430F247考虑到低功耗的要求，TI公司生产的MSP430系列单片机是很好的一个选择。在此我们选择了MSP430F247这款。这款单片机的主要自带了12位的AD，这给我们这次硬件设计带来了很大的方便。这款型号在低功耗方面也很出色，工作在1MHz时功耗270uA。同时这次设计是电池供电，MSP430单片机工作电压都很广（1.6V-3.6V），3V供电完全能正常工作。另外MSP430单片机的RAM也很大，其中MSP430F247有4KRAM，满足本次设计的需要。2、TMP275它同样是TI公司生产的一款微功耗数字式温度传感器。由于是数字式的，操作也就简单了。该种温度传感器工作是的功耗是50uA，而掉电状态是0.1uA，这样的微功耗在本设计中起到了关键作用。同时它只有最大正负0.5℃的误差（-20℃—100℃），同样满足本题目的要求。并且采用I2C总线结构，方便连线，节省了单片机资源。五五五五、、、、测试方测试方测试方测试方法法法法与测试结果与测试结果与测试结果与测试结果测试仪器如下：米尺（2m），秒表，数字万用表（GDM-8245），双踪数字示波器（TDS-1012），直流稳压电源（DF1731SLL3A）,双踪模拟示波器（GOS-6103C）测试结果如下：1.温度精度，检测时间的测试测试方法：让监测和探测点供电，监测点扫描可连接地址，并将能连接地址探测时的环境信息反馈回来。在探测点改变温度，通过监测点读取数据。并用用秒表测出系统的响应时间。测量五次测平均值。所得数据如表一。表1温度、检测时间测试数据测量次数12345平均值实际温度（℃）29.8528.9428.6530.129.3228.52测试温度（℃）29.6228.7528.4029.529.2428.26实际光照有有无无无有7测试光照有有无无无有时间（s）4.304.234.444.564.204.21由表1分析可知温度误差在2度以内达到题目要求，光照监测正确率为100100。2.探测点地址设置功能测试。测试方法：让监测和探测点供电，监测点扫描可连接地址，并将连接的地址反馈回来。改变探测点地址，通过监测点读取出来，对照设置的值进行对比。所得地址数据完全正确。3.单点距离和中继距离测试测试测试方法：固定监测点的位置，移动探测点的位置，直到不能正常通信，记录能正常通信的最大距离，测量五次取平均值。在单节点和监测点不能正常通信的情况下，在两者中间加入另一节点让整系统处于中继状态。测出系统能正常中继通信的最大距离，测量五次取平均值。所得数据如表二。表2单点距离和中继距离测试数据测量次数12345平均值单点最大距离（CM）555058545655中继最大距离（CM）120118108139124121.8由表可得，单点距离达到55cm，远远大于题目要求的10cm，在小于10cm情况下也通信正常。中继距离达到121.8cm，大于题目要求的50cm。4．监测点和探测点功耗测试测试方法:让整系统工作正常，在电源接入点串入电流表，测试多次个节点的工作最大电流取平均值。所得数据如表三。表3监测点和探测点功耗测试数据测量次数12345平均值监测点电流（ma）102.5104.6108.9110.2104.6106.28监测点电压（V）4.984.974.974.964.984.97探测点电流（ma）2.562.873.573.683.463.23探测点电压（V）2.872.872.852.882.872.87由表可得，监测节点功耗在0.5W左右，远远小于1W的题目要求，探测节点功耗在9.27mW，实现了低功耗。测试结果分析：从所测数据看，全部达到基本和发挥部分要求。而各项指标如功耗，感应灵敏度，通信距离有待于进一步提高。9附录一整机电