基于類似Zigbee技術的環境監測模擬系統設計

南昌大學科學技術學院 胡小娟 何尚平 黃秋平

ZIGBEE是一種新興的短距離無線傳輸技術[1][2]。主要用于近距離無線連接。它在成百上千個微小的傳感器節點之間相互協調實現通信。這些傳感器節點只需要很少的能量，以接力轉發的方式通過無線電波將數據從一個傳感器節點傳到另一個傳感器節點，通信效率非常高。一般用于滿足需要數據采集或監控的網點多、要求傳輸的數據量不大、而要求設備成本低、要求數據傳輸可靠性高、安全性高，設備體積很小、功耗小的地方。ZigBee聯盟預測的主要應用領域包括工業控制、軍事航空設備、消費性電子、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫用設備控制等。本系統需對環境信息進行數據采集，監控網點多，近距離無線傳輸，需接力轉發，數據量不大，符合Zigbee技術特征，正是基于它進行研究和應用。

1.系統功能

本系統由一個監測終端和多個探測節點組成。監測終端可以分別與各探測節點直接通信，每個探測節點之間還具有信息接力轉發和相互自動識別功能，實現對周邊環境信息（如溫度、濕度、氣壓、光照等）的探測。監測終端和探測節點均含有一套無線收發電路，收發天線由直徑為0.8mm的漆包線密繞5圈制成圓形空芯耦合線圈組成，線圈直徑為（3.4±0.3）cm。天線線圈間的介質為空氣。本系統在實際設計時只制作了兩個網絡探測節點，可擴展到多達256個。系統功能示意圖如圖1和圖2所示（圖中的D代表識別距離）。

其中，系統中通信協議、無線信號調制方式與數據編解碼方案的確定尤其重要。

圖1 探測節點分布示意圖

圖2 節點轉發功能示意圖

2.無線信號調制方式與數據編解碼方案

本系統中信號調制采用調幅方式。具體是“負載調制”[3][4]，即通過改變耦合線圈后級負載的大小來影響耦合線圈上波形的幅值。由于系統發射數據均為數字量，可以使用ASK（振幅鍵控方式）[4][5]。同時，在實際使用中，監測端和單個探測節點端距離不是太遠，監測端檢測到的信號并不小，因此接收電路可使用包絡檢波、放大整形完成ASK模擬解調，并采用專用的數據編碼芯片PT2262實現數據編碼，編碼信號輸入模擬開關TS5A3166控制載波實現“負載調制”發射模擬信號，同時采用配對的專用的數據解碼芯片PT2272將ASK解調的模擬信號解碼還原成原來的數字信號。

3.通信協議方案

根據本無線網絡式環境監測模擬系統的功能：(一)監測終端實時監測多達256網絡探測節點的環境信息；(二)各探測節點與其它結點之間或通過互相轉發或直接將環境信息自動傳送給監測終端。本系統中，專用數據編、解碼芯片PT2262和PT2272設定為8位地址管腳，4位數據管腳，提供256個地址碼很容易實現，但一次只能發送一個二進制數據的4位，而一組環境信息數據位數遠不止4位，而監測終端由于只有一個接收線圈使得同一時間只能監測一個址址的探測節點，因此監測終端與探測節點，探測節點與探測節點之間通信必須要有協議。

從軟件編程的思路和降低編解碼的誤碼率的角度考慮，在本系統中，發送一組環境信息數據通信協議為“引導碼+節點地址碼+環境信息數據+命令”，經PT2262/PT2272多次分幀編碼發送、接收解碼，再經控制器處理整合還原。發送一幀碼字通信協議為“節點地址碼+4位數據+同步碼”。其中引導碼占用兩個字節，節點地址碼1個字節，環境信息數據碼和命令碼兩個字節。8位地址碼可以識別256個不同的探測節點，能夠滿足系統需要。數據碼用來傳輸8Bit的數據，其中b0-b6用來表示溫度信息，b7用來表示光照的有無。命令碼用于實現組網通信的協議要求。規定：0xcc表示監測終端對所有探測節點的廣播偵尋。0xc0表示探測節點搜索監測終端。0xc1表示探測節點搜索探測節點。0xc2應答信號。0xdd答復0xcc的廣播，并帶回節點信息。

先由監測終端發出廣播偵尋所有范圍內的節點，節點收到廣播即回復0xdd，并帶回節點信息。每個探測節點發出0xc0搜索監測終端，若無應答即表示節點在終端范圍以外。每個探測節點亦可發出偵尋信號0xc1并將監測終端偵尋不到的探測節點的信息帶回給監測終端。

4.系統硬件結構介紹

綜上所述，本系統主要由監測終端、探測節點和耦合線圈三個部分組成，監測終端與探測節點硬件電路類似，探測節點既作為發射裝置又作為接收裝置其硬件電路結構框圖如圖3所示，而監測終端只作為接收裝置其硬件電路結構框圖除圖3虛線框中部分，其余與探測節點一樣。

本系統以ARM7處理器STM32F103作為主控制器，對監測終端、探測節點的識別和信息讀、寫控制，并通過并行接口提供狀態控制、寫信息、預置和顯示。

4.1 發射前端部分電路

發射前端部分電路主要由載波電路、濾波電路、功率放大電路、模擬開關電路、編碼電路、溫度及光照檢測電路組成。其中載波電路采用8M晶振與SN74HC04N產生頻率為8M正弦發射信號，用S8050功率三極管兩級放大后幅值達到5V多。負載調制部分通過模擬開關TS5A3166實現，TS5A3166的帶寬為300MHz，導通電阻為0.9歐，在1MHz時的關斷衰減為64dB，將PT2262編碼后的數據直接接到模擬開關的控制口，來控制開關的導通和關斷。模擬開關導通時，電阻很小，相當于將線圈短路，模擬開關關斷時，相當于開路，線圈上的幅度會隨著導通、關斷發生變化，從而實現了負載調制[6]。

4.2 接收前端部分電路

接收前端部分電路，由于線圈諧振耦合下來的信號是非常小的，因此需要對接收下來的信號進行放大濾波整形處理，線圈接受信號下來之后可先經S8050功率三極管放大，再通過檢波二極管檢波，然后低通濾波，簡單的LC低通濾波電路即可。載波信號可采用音頻信號頻率，為20KHz，使用寬帶單電源運算放大器MAX4256對檢波后信號放大，放大倍數取100倍左右。放大后的載波和調制信號都得到了放大，為了濾除載波信號，使用程控濾波器MAX291對放大后的信號進行濾波，濾波后的信號再通過LM311構成施密特觸發器整形輸出。

4.3 耦合線圈匹配理論

因而，探測節點采用8M晶振產生接近與諧振頻率的載波頻率。

圖3 發射、接收硬件電路結構圖

在環境信息采集功能方面，使用一些傳感器進行檢測，如通過光敏電阻傳感器檢測光照，溫濕度傳感器檢測溫度和溫度，氣壓傳感器檢測大氣壓大小等等，本系統只設計了監測環境溫度和光照有無，溫度與光照分別采用數字溫度傳感器DS18B20和光敏電阻檢測，然后通過控制器對檢測到的信息進行處理，通過液晶顯示器LCD1602實時顯示，并根據通信協議編碼發射。本系統實物剪影縮略圖如圖4和圖5所示：

圖4 系統實物剪影縮略圖1

圖5 系統實物剪影縮略圖2

5.系統測試

1）測試儀器

雙蹤示波器、數字萬用表、函數信號發生器、高頻信號發生器、直流穩壓電源。

2）測試結果

載波信號頻率：20KHz。

探測節點載波頻率：8MHz。

監測終端供電電壓為5V，功耗為0.72W，探測節點供電電壓為5V，功耗為0.86W。

監測終端的識別效果測試：經測試，響應時間遠小于2秒，監測終端與單個探測節點之間、單個節點與節點之間識別距離在25cm內效果非常好，最大識別距離可接近31cm；組網效果好，兩個網絡節點之間轉發時間小于5秒，在最大識別距離內，信息碼傳輸毫無誤碼。

6.結論

由于系統采用了仿ZIGBEE技術，架構設計合理，系統功能實現較好，系統性能優良、穩定、安全、可靠，做到了低功耗、低成本、低復雜度。能準確對周邊環境各網絡節點信息進行實時傳感監測，并且可以組網實現遠距離和大范圍內傳輸。

[1]顧瑞紅,張宏科.基于ZigBee的無線網絡技術及其應用[J].電子技術應用,2005,31(6):2-4.

[2]ZHANG Qian,YANG Xiang-long.A wireless solution for greenhouse monitoring and control system based on ZigBee technology[J].浙江大學學報:英文版[J].2007(10):1-3.

[3]孫亞輝,張勇,劉浩,孫友法.基于負載變化鍵控理論的線圈耦合系數k的測定[J].上海生物醫學工程,2003(4):2-3.

[4]沈越泓.通信原理[M].北京:機械工業出版社,2004,1:100-130.

[5]邢益軍.ASK無線數傳輸系統初步設計[J].南京工業職業技術學院學報,2005,5(4):1-3.

[6]王盛青,陸冰,賀鵬.無線識別裝置[M].北京:北京理工大學出版社,2008,12:42-48.

[7]韓成浩,翁元爐,李猛,靳京.基于射頻技術的無線識別系統設計[J].吉林工程技術師范學院學報,2009(4):2-3.