時間:2022-10-06 01:24:10
序論:在您撰寫無線環境監測時,參考他人的優秀作品可以開闊視野,小編為您整理的7篇范文,希望這些建議能夠激發您的創作熱情,引導您走向新的創作高度。
一、系統方案設計
(一)設計任務
設計并制作一套無線環境監測模擬裝置,實現對周邊溫度和光照信息的探測與采集。該裝置由 1 個監測終端和不多于255個探測節點組成(實際制作2個)。每個裝置由無線收發信機,耦合線圈(天線),傳感器,信息處理器,顯示器等多個模 塊構成,實現監測終端對不同探測節點周邊環境信息的探測與采集。命題所要求系統具體的性能與術指標:實現無線數據通信;探測節點可預置編碼,并不多于255個;溫度測量范圍0℃~100℃,絕對誤差小于2℃;探測有無光照;探測時延小于5s;監測終端與探測節點通信距離不小于10cm,增加節點轉發功能,通信距離不小于50cm;盡量降低整套裝置的功耗。
(二)方案論證與選擇
1.調制解調方式
數字通信中常用的調制方式有ASK,FSK,PSK等。由于探測節點由電池供電,而FSK或PSK調制解調方式需要的供電電壓和功耗較高,所以我們選用功耗低且易于實現ASK調制解調方式。
2.載波頻率
對耦合線圈作為天線傳遞信息進行計算與分析,在發射功率一定的情況下,載頻越高,天線指向性越強,則接收信號質量越好。受限于命題載波頻率小于30MHz 的要求,最終將載波頻率定為12MHz,由晶體振蕩器產生。
3.功放的選擇
由于探測節點的低電壓供電要求使得功率放大在使用普通元件時變得相對困難,經測試,非門振蕩器所產生的信號,經模擬電路處理,接50Ω負載最低幅值達1.65V(6.4mW),可以直接接到天線發射,無需再加功放電路。
4.單片機選型
監測終端:監測終端可以采用5v電源供電,因此可以選用5V電源的單片機,我們采用了AT89S52單片機,AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系統可編程Flash 存儲器。AT89S52單片機具有編程容易,兼容性強等優點,出于AT89S52單片機是我們了解的比較深入,同時也是我們使用的比較多的單片機,所以我們選擇AT89S52做我們監測終端的處理器。
探測節點:探測節點是由兩節電池3V供電,單片機必須選擇更低電壓的。在作品中,我們選擇了STC12LE5A16S2。STC12LE5A16S2是一種更低功耗,與51系列單片機兼容的微處理器。
(三)系統方案框圖
對每一個探測節點和檢測終端都制作同樣的收發信機,其結構示意圖如圖1所示。
數據發射:單片機串口發數據,經晶體ASK調制發射機將數據進行調制,再通過天線匹配網絡,最終將信號經耦合線圈發送出。
數據接收:耦合線圈接收射頻信號,經選頻進入接收機混頻,然后差頻出一個5M的中頻信號,再通過接收機內的ASK解調電路將信號解調出來。輸出基帶信號,再經模擬信號處理獲得數字信息。
二、理論分析計算與電路設計
(一)發射部分
1. 耦合天線
天線線圈等效電路如圖2所示,其中LANT表示線圈電感量,RANT表示線圈的等效電阻,CANT表示線圈的分布電容。
根據要求實際制作的線圈,用LCR電橋測量的結果為:LANT=1.5UH,RANT=25mΩ,CANT=7.5pF。天線的品質因數是天線正確調諧和所獲得性能的一個重要特性,所制線圈的品質因數Q=ωR*LANT/RANT=10178.8。而根據線圈的幾何形狀,Q的值通常在50到100之間。要進行正確的數據傳輸這個值還要減少,由于帶寬B=Fr/Q,以及時間與帶寬乘積規定B*T≥1,得出Q≤fR*T。由于元件的容差和對溫度的依靠,Q通常取35,所以要降低原始Q因數。須串入一個外部電阻REXT=ωRLANT/35-RANT=7.24Ω。采用圖2所示的電路圖將天線匹配到50Ω。
2.發射機
系統發射采用ASK調制方式。系統采用非門振蕩器產生27MHz載頻信號,運用或非門數字器件實現符合邏輯要求的ASK已調信號。發射功率大于等于6.5mW(50Ω假負載)。發射機硬件實現電路如圖4所示。考慮到功耗問題以及邏輯電路穩定工作,發射機在發送數據之前10ms啟動晶體振蕩,然后調制基帶信號。
1. 3839a接收機
3839A接收機電路如圖5所示。3839A是一款低電壓供電,帶有高速接收信號強度指示(RSSI)輸出的 FM 接收機芯片,分析其內部結構框圖。射頻信號進入3839A與本振混頻得到中頻,然后經中頻濾波器,進入中頻放大器,再次對中頻濾波,然后經中頻限幅放大器輸出,而3839A芯片內部的快速 RSSI(100kHz)根據中頻放大器和中頻限幅放大器獲取RSSI信號。由于該套通信系統所建立的信道是ASK信道,則可以根據該芯片的RSSI輕松實現ASK信號的解調。RSSI的轉換速率可輕松滿足系統的最高通信速率。
2.解調信號處理
接收機解調信號處理電路如圖6所示。信號解調后經過一級同相放大,放大后經過一級電壓比較器輸出到單片機處理。解調后的信號很微弱不足以直接送給單片機處理,同相放大是為了滿足我們對信號電壓的要求。信號在放大后,經過一級比較器,將解調信號轉換為數字信號。
(三)傳感器
1.光電傳感器
圖7光照判斷
有光照時,光電二極管導通,26腳為低電平,沒光照時,光電二極管截止,26腳為高電平,設置合適的門限電壓,單片機通過判斷26腳的電平高低判別有無光照信息。
2.溫度傳感器
采用低電壓供電SPI總線的數字溫度傳感器DS18B20,該溫度傳感器最大絕對誤差小于2℃,滿足命題要求。
(四)信號處理
1.終端
終端電路包括一個單片機最小系統、顯示電路、LED指示電路。單片機首先發出搜索信號去搜索探測節點,探測節點接收到信號后,發回一個應答信號給終端,然后再發數據。終端通過串口接收把數據接收進來進行處理,處理的信息包括光照信息和溫度信息,溫度信息通過1602LCD顯示出來,光照信息通過LED2、LED3的亮滅來指示。LED2亮表示探測節點A有光照信息,LED2不亮表示探測節點A沒有光照信息。LED3亮表示探測節點B有光照信息,LED3不亮表示探測節點B沒有光照信息。
2.探測節點
探測節點信號處理電路就是一個單片機最小系統電路,光電傳感器電路和溫度傳感器電路得到光照信息和溫度信息后送到單片機處理,光照信號和溫度信號在數字編碼后通過串行口進行發送。
三、系統軟件設計
系統軟件設計包括兩個部分,一個是軟件編解碼的碼型設計,一個是無線通信協議的設計。
1.碼型設計
方案一,采用高低電平的占空比不同表示“1”與“0”。設置傳輸一位碼元的周期為固定值,即傳輸波特率固定。定義“1”為800us高電平與200us低電平,占空比為4/5。定義“0”為200us低電平與800us高電平,占空比為1/5。一幀數據以“引導碼+數據”的方式發送。此方案在大多數有線通信中被采用,但考慮到無線通信過程中噪聲干擾的不確定性。長時間的高電平或低電平都很容易產生毛刺導致誤碼。而且編碼中有長時間的低電平或高電平,硬件電路的不易實現整形和解調。所以編碼不采用此設計方案。
方案二,采用占空比相同而周期不同的形式表示“1”與“0”。一個碼元用占空比為1、2的形式表示。定義數據“1”表示為周期等于1ms,數據“0”表示為周期等于2ms。引導碼為2個字節的AAH。種編碼方式和數據幀的定義,可以避免長“1”或長“0”時出現長時間的高電平或低電平,增加了碼元通信的可靠性。同時,這種編碼方式可以獲得有效的同步信號,即使在傳輸40Bit(本裝置設計發送一幀數為5個字節,即40Bit)的長串數據的情況下,仍能有效的控制通信過程的同步要求。
從軟件編程的思路和降低編解碼的誤碼率的角度考慮,我們采用了方案二,即以1KHz的頻率表示數據“1”,周期為1ms。以500Hz的頻率表示數據“0”,周期為2ms。占空比均為1/2。在碼型確定下來之后,又確定以兩個字節的AAH作為一幀數據的同步頭。這種編碼方式和數據幀的定義,可以避免長“1”或長“0”時出現長時間的高電平或低電平,增加了碼元通信的可靠性。同時,這種編碼方式可以獲得有效的同步信號,即使在傳輸40Bit(本裝置設計發送一幀數為5個字節,即40Bit)的長串數據的情況下,仍能有效的控制通信過程的同步要求。
2.通信協議
根據本無線環境監測系統的功能,設計通信協議為:發送一幀數據包括“引導碼+ID碼+數據+命令”,共5個字節。其中引導碼占用兩個字節,地址碼1個字節,數據碼和命令碼兩個字節。8BitID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:
關鍵詞:環境監測;實時監控;無線通信;接力傳輸
無人值守綜合監控系統可在比較復雜環境中實現無人值守檢測,集中式管理與分布式監控遠程設備。對于無線遠程實施監控系統來講,在系統內充分運用了諸多先進技術,如無線通信技術、現代傳感技術及環境測試技術等,可將其大致劃分為三部分,即以Web為基礎的數據與分析模塊、服務器端接收存儲模塊及終端采集發送模塊。本文基于MSP430探討環境監測系統的設計路徑。
1.系統分析與模塊介紹
1.1系統總體設計
無線環境監測系統設計中,選用節點尋址技術,實施多節點通信。手機無線通信距離外的各節點數據,乃是無線實時檢測系統所需解決的關鍵問題,也就是監控終端采用切實辦法對無線通信距離之外的探測節點數據進行實時收集,有別于其它類型的預設路由的接力數據傳輸方式,對于覆蓋區域相應拓展問題給予了有效解決,在運行中,監控終端始終均為主控,能夠收集制定區域框架內各探測節點的實時數據,而對于特殊情況,針對所接收到的遠端請求,能以被動的方式來接受,若在節點發生緊急情況,能夠及時作出處理。而對于探測節點,其處從屬地位,監控終端對其實施控制,在緊急狀況下,可調整至主動發送,保證能夠及時上報可能出現的環境污染因子。
1.2系統硬件設計
1.2.1硬件設計思路
無論是探測模塊還是監控模塊,均需由MCU實現,本文均選用MSP430F1611單片機(TI公司),將其當作控制器,對于MSP系列單片機來講,其實際就是功耗超低、擁有精簡指令集且為16位的混合型單片機,其具有比較底的功耗消耗,此點對于本系統設計,對于本次設計尤為重要。對于環境監測模塊而言,可監測二氧化硫、氮氧化物、PM2.5、VOCs等信息,而對于其它類環境信息的測量,在本系統中快速植入。定點采集及輪詢等方式,各節點實現有序通信,而通過運用預設路由的接力數據傳輸方式,能夠較好的且系統化的解決覆蓋范圍拓展問題,對于監控終端,還有屏顯與鍵盤功能,本文選用128×64液晶屏顯及4×4按鈕鍵盤。
1.2.2無線通信模塊
對于環境監測數據,其實為靜態信息,具有相對不高的數據傳輸速度要求,在對無線通信模塊進行設計時,則可將nkF24L01數字無線收發器作為優選。此接收器其實為一款低成本無線收發器,即為工業級內置硬件鏈路層協議。此器件于2.4GHz工作,在ISM頻段全球開放,內部設置有多種功能模塊,如調制器、晶體振蕩器、功率放大器及頻率合成器等,并且其中還內置有ShockBurst技術(增強型),另外,可通過程度配置方式,確定通信頻道與輸出功率。可直接連接于單片機I/O,具有較少的外界元件。nRY24L01在功耗方面比較低,若將發生功率{整至-6dBm,則工作電流便會維持在8mA:若處于接收狀態,電流則維持在12.2mA,通過各種低功率工作模式的運用,可更好的開展節能設計。
1.2.3監控模塊
對于監控模塊,對于其核心處理器的選用,通常以MSP430F1611單片機為基礎,實際就是功耗超低、擁有精簡指令集且為16位的混合型單片機。監控模塊當中的液晶顯示與鍵盤,能夠操作各種菜單功能,另外,還可進行數據與信息的實時查詢。在內容上,還包含有基于本地環境的監測模塊,類似一節點。
1.2.4環境監測模塊
環境監測模塊的核心處理器也采用的是MSP430F1611單片機,能夠測量二氧化硫、二氧化氮和臭氧等。在檢測二氧化硫、二氧化氮和臭氧時,分別選用紫外熒光傳感器、化學發光傳感器和紫外吸收傳感器,測量范圍為0-500ppb,通過與SPI形成兼容效應,用微型SOT23-6來封裝。通常情況下,化學發光法傳感器測量范圍為0-500ppb。
2.系統功能設計
2.1輪詢模式
先選擇“數據采集”,從中找出“輪詢模式”,然后進至此模式,對于其中各個節點,需逐個訪問,針對各節點的執行,需要做到與定點采集模式相同,首先從節點1進行定點采集之后以自動的方式在,在需要訪問的后續地址上加一,也就是節點2,以此方式類推,直至最后節點。最后屏顯所測數據,以便清晰觀察分析。探測時,如若在等待時間上超出終端,便會向下節點自動跳轉,并繼續進行訪問,在終端數據上予以顯示,從中便可查知此節點所存在的故障,所以,此模式能夠對各及誒單正常工作與否進行檢測。
2.2自動接收
對于自動接收模式而言,其能夠將監控模塊,時刻控制在等待接收狀態,各探測節點依據實現設定好的順序,將環境數據信息定時發送。為不出現沖突,即大于2個節點同時進行數據發送,當進至自動接收模式時,監控模塊會將一個啟動時鐘發送至全部探測節點,將其為基準,各個探測點延時后,會將環境數據信息自動發送。
3.環境監測系統覆蓋范圍擴展
本文所設計的無線傳輸模塊,主要將nRY24L01芯片作為其核心,其工作狀態,滿足于各種低功率要求,能夠有效開展節能設計。但低功耗也存有些許問題,比如在傳輸距離方面相對有限,通常情況下,維持在~100m,針對此監測系統來講,其覆蓋范圍為100m,因此,此狀況會對環境監測系統的效用,產生某種趨向范疇內的嚴重制約。而在接力數據傳輸方式方面,如若選用預設路由,便能將覆蓋不足的缺陷給予有效解決。對于此種傳輸方式,能夠為把處于遠端,并且不在監控范圍之內的各節點,結合上級節點相應指定,與監控模塊間形成數據傳輸。由于環境監測系統,在環境數據量方面比較少,因此,也就具有比較小的無線通信數據量,而運用此方式,不會由于節點的增加,而造成通信阻塞狀況。
關鍵詞:STM32;空氣質量檢測;甲醛;WiFi
中圖分類號:TP212.9
文獻標識碼:A文章編號:16749944(2017)8012502
1引言
近些年來,空氣污染問題日益嚴重,室內有害氣體污染狀況不容樂觀,引起室內空氣污染的物質多種多樣,最普遍的當屬甲醛。國內現有氣w檢測設備研發起步較晚,穩定性不足,通信能力差。因此研發一款具有無線傳輸功能的氣體檢測設備是極其重要的。
設計并研發了基于STM32的無線環境監測系統,儀器核心為STM32微處理器,運用甲醛傳感器實時采集室內甲醛濃度信號,將數據顯示在液晶屏,同時又具有遠程監測功能。
2系統總體設計
采用高精度甲醛傳感器進行系統前端信號采集,將甲醛濃度物理信號轉換為電信號傳輸給微處理器控制部分進行處理和運算,在液晶顯示屏上顯示室內甲醛實時濃度數值。另一方面,用戶可通過智能手機等無線設備向WIFI模塊發送指令,單片機接收指令后再做出相應操作,可實現遠程監控。系統總體架構框圖如圖1所示。
3系統硬件設計
開發的硬件主要包括:微處理器最小系統、電源供電模塊、中文液晶顯示屏、甲醛采集模塊、溫濕度采集模塊、WIFI模塊、蜂鳴報警模塊等。硬件架構如圖2所示。
本系統采用ST公司出品的STM32F103C8T6微處理器,具有低功耗、最大集成度、結構簡單、處理速度快、性價比高等優點。其最小系統的電路原理圖如圖3所示。
甲醛傳感器采用的型號是MS1100-P111VOC,該型號傳感器具有靈敏度高、準確度高等優點,是一種進口的半導體式傳感器。具體電路圖如圖4所示。
溫濕度傳感器采用的型號是DHT11,該傳感器電路簡單、穩定性好、功耗很小,可以自動休眠,具體電路圖如圖5所示。
顯示屏采用Usart-GPU串口液晶屏,由于價格低
廉,受到廣大用戶喜愛,無需轉編號,支持直接漢字驅動、真彩圖形顯示。顯示屏與STM32微處理器的接口原理圖如圖6所示。
4系統軟件設計
本系統采用模塊化和層次化的設計方法,使用C語言進行代碼編寫。基于軟件模塊化開發和設計,編寫了STM32硬件初始化模塊、甲醛傳感器采集模塊、溫濕度傳感器采集模塊、Usart-GPU串口液晶顯示模塊、蜂鳴報警模塊等的驅動程序。軟件流程圖如圖7所示。
該系統樣機軟硬件已經設計制作完畢,同時進行了設備的測試,結果顯示該系統可以完成甲醛濃度、溫濕度采集,液晶顯示屏實時顯示當前室內空氣質量情況。如果甲醛濃度超標,蜂鳴器則發出聲音告警信息,提示用戶。該系統實物照片如圖8所示。
5結語
研制和開發了基于STM32的無線環境監測系統,采用甲醛傳感器、溫濕度傳感器進行信號采集,并將甲醛的濃度值、溫濕度值實時顯示在液晶顯示屏上,可以通過WiFi無線網絡技術將監測結果發送到移動設備上,實現了遠程監測。如果空氣中甲醛超過國家標準安全閾值,系統會立刻進行蜂鳴報警,以實現對室內空氣污染物實時監測和預警。測試結果證明,所有功能能夠完整地實現,可靠性高,該系統具有良好的應用前景。
參考文獻:
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徐科軍.傳感器與檢測技術[J].北京:電子工業出版社,2011:202~260.
[2]陳啟軍,余有靈.嵌入式系統及其應用[J].上海:同濟大學出版社,2011:20~23.
關鍵詞:無線環境監測 模擬裝置 探討
中圖分類號:TP274 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2013)07-0192-01
1 方案設計與論證
1.1 無線收發模塊
(1)方案比較:方案一:采用編解碼集成電路PT2262/2272,其為CMOS工藝制造,具有低功耗、外部元器件少,工作電壓范圍寬:2.6~15v等特點,應用于車輛防盜系統、家庭防盜系統、遙控玩具、其他電器遙控等方面。方案二:采用XEMICS公司推出的CMOS超低功率傳輸器、單片無線收發芯片XE1209,其適用于小范圍低頻、音頻資料傳輸系統,可以實現2次連續相位頻率位移鍵控調制(FSK)。方案三:以MELEXIS公司的單片射頻收發芯片TH7122作為主要芯片,其工作頻率范圍在27MHz~930MHz,具有很寬的調諧范圍。可以工作在4種不同的狀態下:待機狀態、發送狀態、接收狀態和空閑狀態。(2)方案確定:綜合分析以上三種方案的優缺點,方案三具有更大的優越性、靈活性,因此我們采用方案三作為具體實施的方案。
1.2 處理器比較與選擇
由于本系統中的兩個探測點采用兩節1.5V干電池供電,并要求盡量降低各探測節點的功耗,因此采用一般的C51單片機并不滿足要求。而ARM微控制器STM32系列雖然具有豐富的資源、強大的功能與低功耗等特點,但是其性價比相對來說比較高,整機電路也比較復雜,故也不選取。因此在保證滿足要求的前提下,我們選擇了適合于許多要求高集成度、低成本的P89LPC922微控制器,其集成了許多系統級的功能,大大減少了元件的數目并降低系統的成本。
1.3 顯示器比較與選擇
(1)方案比較。方案一:采用DM-162液晶顯示模塊,具有低功耗、模塊結構緊湊、輕巧、裝配容易等特點,但是其界面比較小,不能達到比較好顯示的效果。方案二:采用漢字圖形點陣液晶顯示模塊RT12864M,可顯示的內容非常豐富,但是其功耗相對高于NOKIA 5110。方案三:采用NOKIA5110手機液晶,其驅動采用低功耗的CMOS LCD控制驅動器PCD8544,所有的顯示功能集成在一塊芯片上,所需外部元件很少且功耗小。(2)方案確定。綜合以上分析,從功耗與性價比的角度來考慮,我們選擇方案三作為顯示模塊。(3)信道調制方式。由于無線收發芯片已經確定使用了單片射頻收發芯片TH7122,其在發射模式下產生載波頻率,可以采用FSK/ASK/FM三種調制方式,但是在本系統中我們固定了載波頻率為27MHz,再綜合這三種調制方式的特點,另外FSK對鑒頻器的參數非常高,對調試不是很方便,因此在這里采用ASK調制方式作為具體實現的方案。(4)總體方案根據以上分析與論證,我們確定了總體設計方案:監測終端硬件以P89LPC922為主控制器,以液晶5110、無線收發模塊為受控模塊。探測點也以P89LPC922為主控制器,以無線收發模塊、光電傳感器與溫度傳感器為受控模塊。(如圖1)
2 系統測試及數據分析
2.1 測試儀器及設備
(1)UT30D數字萬用表。(2)SS-7802 20M數字示波器。
2.2 測試方法及數據
(1)測試方法。1)分模塊進行測試:對探測節點的光照檢測進行測試,驗證它是否能正常工作;對探測節點的溫度檢測進行測試,驗證它是否能正常工作;對無線通信模塊進行測試,驗證是否能正常通信。2)保證各模塊正常工作之后,再進行整機測試。(2)數據記錄。直接對單個光敏電阻進行光照變化時的阻值測量,記錄數據如下:(如表1)
2.3 數據分析
以上對光敏電阻阻值的測量,由于光敏電阻本身的特性與操作方法的原因,所記錄的數據只是針對于某個特定情況之下,其實光敏電阻的阻值是隨光照強度的變化而變化的。
3 結語
本系統主要由P89LPC922微控制器、單片射頻收發芯片TH7122、低耗電數字溫度傳感器TMP102等構成,很好地實現了外部環境的監測:光照與溫度,并且性能比較好。很有市場前途。
參考文獻
[1]高吉祥,主編.高頻電子線路設計.北京:電子工業出版社,2007年.
關鍵詞:無線環境監測模擬裝置設計
0 引言
在很多情況下,監控中心都需要對周邊及關鍵位置的環境信息(如溫度、照度、濕度等)進行監測和處理。各探測點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境障礙等因素限制,不宜采用有線方式傳輸時,使用無線方式傳輸無疑是一種經濟適用的選擇。本裝置要求能在5秒鐘內完成對255個探測節點環境溫度和光照信息的無線探測,并自動巡回或手動選擇顯示相關環境信息。
1 系統方案設計
根據設計要求,為便于對周邊多點環信息進行探測,實現監測終端與各探測節點之間信息的無線傳輸,本裝置由探測節點分機和監測終端兩大部分組成。探測節點分機由單片機、溫度檢測電路、照度檢測電路、無線發射電路和接收電路等組成;監測終端由單片機、無線發射電路、無線接收電路和顯示電路等組成。系統結構如圖1所示。各探測節點分機完成對環境溫度和照度信息的采集與處理,并適時向監測終端和鄰近檢測節點發送信息;監測終端完成探測命令的、探測信息的處理、存儲與顯示。
1.1 信息傳送與轉發方案 為防止某個探測節點在上傳信息時發生碰撞,系統采用“時分復用”信道的通信方式。約定每個節點必須在規定的時隙ΔT內完成信息發送。某個節點接收到監測終端發來的“探測命令”時,或接收到鄰近節點轉來的第一個“探測命令”時。啟動定時,定時時間到便開始發送信息。定時時長根據每個節點地址不同或是否能直接接收終端“探測命令”為依據決定。
當監測終端需要探測環境溫度和照度信息時,便以廣播通信方式向各個探測節點“探測命令”。能直接接收終端“探測命令”的節點同時啟動定時,某個探測節點定時時間到,便開始向終端和鄰近節點發送信息(含地址、溫度和照度信息)。終端將信息接收下來送單片機存儲、處理;不能直接接收“探測命令”的節點(如地址序號為j的節點),在接到第一個鄰近節點(如地址序號為i的節點)發出的信息時,便認為收到了“間接探測命令”,于是開始啟動定時。由于每轉發一個節點信息需要兩個ΔT,因此轉發節點j的定時時長
T=(256-i+2j)ΔT。
定時時間到,便發送含有i節點地址、j節點地址與環境數據的信息。此時,若i節點收到j節點發出的含有本節點(i節點)地址的信息,表明j節點需要本節點轉發信息;若i節點收到的j節點信息中不含有本節點(i節點)地址的信息,表明j節點不需要本節點轉發信息。
1.2 信息處理與顯示方案 由于要求在5秒內完成對255個探測節點環境信息的探測,考慮到最多可能有254個節點的信息需要轉發。這樣,監測終端對每個節點的探測時間只有幾十毫秒,這么短的時間無法實現“即時檢測即時顯示”,只能將地址信息和環境信息全部接收下來處理后,再根據需要送顯示器顯示。顯示方式有三種選擇:一是自動巡回顯示,二是手動設定/選擇顯示,三是報警節點優先顯示。
1.3 通信協議
1.3.1 數據包格式 本系統的信令和數據包由同步碼WS、功能碼FC、數據包長度碼SIG、數據包內容DIGI和校驗碼CHECK五部分組成。數據包格式如下:
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1.3.2 SPL編解碼與數據包傳輸 ①SPL編碼與數據包的發送。數據包WS、FC、SIG、DIGI、DHECK的發送是由單片機的通用輸出端口從高位到低位串行逐位發送的,發送完WS以后,發真正的信令碼FC、SIG、DIGI、DHECK時,將進行SPL編碼,按照1變為01,0變為10的原則,FC由原15位變成30位。②SPL解碼與數據包的接收。數據包的接收是發送的逆過程,是由單片機的通用接收端串行接收的,當單片機串行接收到WS后,即著手接收已經過SPL編碼的FC、SIG、DIGI、DHECK。如果按照011,100的原則進行SPL解碼,若出現00或11的情況,認為接收端出錯,若出錯兩次,則信令無效,若只有一次,則暫時按000,111處理,留待下一步校驗碼糾錯。③差錯控制編碼檢錯與糾錯。差錯控制的基本思路是,在發送端根據要傳輸的數據系列加入多余碼元,使原來不相干的變為相干的數據,即編碼。傳輸時將多余碼元和信息碼元一并傳送。接收端根據信息碼元和多余碼元間的規則進行檢驗,即譯碼。根據譯碼結果進行差錯檢測。當發現差錯時,由譯碼器自動將錯誤糾正。這種多余碼元就是校驗碼。
2 電路與程序設計
2.1 發射電路 各探測節點和檢測終端的發射電路可采用相同的電路結構。電路一般由脈沖產生電路、脈沖整形電路、調制與發射電路構成。
載波頻率的穩定與否是發射電路能否穩定、可靠地工作的關鍵,本設計采用振晶與高速與非門構成的振蕩器來產生穩定的載波信號。
信號的發射是通過線圈耦合的方式實現的,因而射頻功放應選擇諧振功放。諧振功放有A、B、C、D類,綜合考慮電路的復雜程度及效率問題,本設計選用三極管構成的C類放大器對高頻信號進行射頻功率放大和發射。
常用的數字調制方式主要有ASK、FSK和PSK。相比而言,FSK、PSK電路比較復雜,本設計選擇100%ASK調制。100%ASK以100%的能量進行數據傳輸,保證了信號的較高抗干擾性,解調容易,在一定程度上提高了通信的可靠性。
2.2 接收電路 各探測節點和檢測終端的接收電路可采用相同的電路結構。電路主要由混頻器、本機振蕩器、中頻放大器、檢波器、低頻放大器和脈沖整形電路構成。
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,將會出現靈敏度低、選擇性差的問題。采用混頻器后,將高頻信號變為固定的中頻,故在混頻器后設置中頻放大器,中頻放大器在固定中頻上放大信號,放大電路可以設計得最佳,使放大器的增益做得更高且不易自激。本設計中頻放大器中設置了一個藕合諧振電路和一個選頻網絡,以進一步提高接收電路的選擇性和抗干擾能力。由于檢波出來的信號較弱,須經低頻放大以后才能進行比較判決。因此解調電路部分應包括由檢波器、低頻放大器和脈沖整形電路。解調出來的數據信號送單片機進行處理。
2.3 系統軟件設計
2.3.1 監測軟件設計 終端單片機節點完成探測命令、探測到的節點信息的處理和顯示。當需要探測節點信息時,終端以廣播方式發出探測命令,并啟動定時,定時時長為512ΔT(ΔT為一個節點上傳信息所需時間),確保255節點在轉況下都能可靠探測。當探測到節點信息時,將該節點信息進行存儲、處理。全部節點的信息都接收下來處理完后,將地址信息、溫度信息和光照信息依序送顯示器顯示。然后再進行下一循環的探測。主要程序流程如圖2所示。
2.3.2 節點軟件設計 探測節點單片機完成對環境溫度、照度信息和電池電壓的采集與處理,適時向終端和鄰近節點發送信息,并根據臨近節點的需要及時向終端轉發信息。主要程序流程如圖3所示。
3 結束語
本裝置為一模擬實驗系統,由于各探測節點能夠接收和轉發鄰近節點傳來的信息,不僅數據傳送可靠,而且通信距離遠比點對點大。測試結果表明:該裝置能夠準確完整地監測和處理各探測節點的環境信息。只要適當增加發射電路的載波頻率和發射功率就能增加探測距離和范圍,以適應實際應用要求。
參考文獻:
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關鍵詞:無線傳輸;環境監測;Zigbee
1 研究背景及意義
近年來新興了一種性能穩定、傳輸效果較好的無線數傳網絡,主要用于傳感器間近距離無線通信連接。基于這種無線的傳輸技術而開發的硬件模塊,具有低成本,低功耗,協議簡單,安全可靠,自動組網等特點。目前,此項技術已經日趨成熟,并被應用于多種行業。
傳統的環境監測的過程一般為接受任務,現場調查和收集資料,監測計劃設計,優化布點,樣品采集,樣品運輸和保存,樣品的預處理,分析測試,數據處理,綜合評價等。同時監測地域的分散性,環境變化過程的緩慢性,監測的時間跨度也很大,所以目前常采取的是周期性的間斷監測。傳統的監測方法,對突發狀態現象調查無法完成,而應用這種無線傳輸技術的監測平臺可以隨時不間斷的進行監測。
2 基于無線傳輸的環境監測系統
本文將無線傳輸技術用于環境監測,搭建環境監測平臺,該平臺將具備連續性、追蹤性的特點,對突發環境事件的研究提供幫助。將來隨著該平臺研究更加成熟,還將具備綜合性特點,非常符合環境監測的要求。首先將開發的微傳感器節點模塊按照一定要求布置在監測環境中,實時采集各類環境數據,然后通過中心節點(具有協調器和路由的功能)將數據傳遞給網關,最后網關將收集到的整個子網絡的信息通過系統內網傳給基站。基站與一個數據庫和 Internet 網聯接,將收集到的數據進行相應的處理。最后,終端用戶可以通過 Internet 網訪問數據庫得到自己感興趣的信息,并且能夠根據需要作出下達指令,控制節點運行。實現對環境的實時監測以及下達控制操作的目的。
1)無線技術綜述:Zigbee 技術是專門為了低功耗的無線傳感器網絡研發的通信協議,通過對比 Zigbee技術和其它無線通信技術的特點,總結出 Zigbee 技術是無線傳感器網絡的最優選擇。本文重點從整個構架上闡述了基于 Zigbee 環境監測平臺的系統研究。為了適合無線網絡中傳感和控制設備通信的特定的需求,傳感和控制設備的通信并不需要高的帶寬,但是他們要求快速的反應時間,非常低的能量消耗,以及大范圍的設備分布。Zigbee 協議應運而生,它繼承了以往協議的優勢,為無線網絡中傳感和控制設備之間的通信提供了一個極好的解決標準。
2)系統建設:通過 Zigbee 協議采用自組網和多跳的通信方式將環境的變化量傳送給了它的上一級網關,網關將收集到的所有子網絡的信息,通過事先編譯好的系統內網傳給更上一級的中心服務器。中心服務器有一個數據庫專門存放這些環境的變化量,將它和 Internet 網連接。這樣,用戶終端就可以通過手機或 PC 機通過相應的服務程序直接訪問到 Internet 網數據庫得到用戶所需要的外界環境的信息。當然,隨著這一技術的不斷深入發展,用戶終端只需按下鍵盤在千里之外的辦公室就可以實現對智能節點的控制。
3 智能節點硬件設計
智能節點的硬件設計包括主控制器模塊選擇,通信模塊選擇,各種環境監測傳感器選擇等。通過比較選擇了環境監測中用到的幾種傳感器,分析它們的型號、特點、輸出模式以及外部接口電路。
1)智能節點的設計:智能節點的設計是整個系統硬件設計最核心的部分,它直接放置在監測環境內部,負責數據的采集、處理和傳輸等功能。節點的設計必須滿足具體應用的特殊要求,例如小型化、低成本、低功耗,并為節點配備合適的傳感器、必要的計算功能、內存資源以及適當的通信設備。傳統的無線傳感器網絡節點由四個模塊組成:傳感器模塊(A/D 轉換、傳感器)、處理器模塊(微處理器、存儲器)、無線通信模塊(無線網絡、MAC、收發器)、電源供應模塊(電池、AD-DC)。本設計在原有基礎上添加標準化的接口平臺和控制平臺,實現更多應用的傳感器的添加,以及用戶可以下達命令對開關量,模擬量和數字量執行控制。
2)微控制器選擇:微控制器模塊是環境監測平臺節點的核心部分,在微控制器的選擇上,需要綜合考慮其存儲、處理、接口和功耗等多方面因素對硬件平臺實現功能的支持。我們選用了 Texas Insterument MSP 430 微控制器芯片,它是專門為嵌入式應用而設計的超低功耗控制器。采用 16 位 RISC 核,時鐘頻率較低(4MHz),可以適用于不同類型設備的指令集。它以可變的片上 RAM(存儲范圍為 2~10KB)、幾個 12 位模/數轉換器和一個實時時鐘為特征。它的功能很強大,可以執行一個標準無線傳感器節點的基本計算任務
3)通信模塊選擇:通信模塊是傳感器組網的必備條件,使得獨立的傳感器節點之間可以互相連接,并能借助多跳將數據回傳到節點,即數據匯聚節點。在環境監測中,大量的節點被放置在被監測領域內,能量消耗以及外部對信號的干擾,選擇芯片時要充分考慮通信模塊抗干擾能力以及能量消耗問題,即在滿足信號處理要求的同時盡可能地抵抗干擾和降低系統能耗,延長平臺工作時間。
4)傳感器模塊:傳感器是環境監測平臺中負責采集監測對象相關信息的組件,與應用緊密相關,不同的應用對涉及的檢測量也不相同,有可能是一個模擬量(溫度、濕度、光強、氣體含量等),也有可能是一個數字量(信號鏈路質量)或者是一個布爾值(閾門開關、電閘的開合和繼電器的位置等)。在環境監測中,傳感器模塊主要添加的常用傳感器有全光譜光強度傳感器、可見光譜光強度傳感器、有毒氣體監測傳感器、溫濕度傳感器等。
5)控制平臺:大多數的環境監測,數據采集和傳輸是系統的主要工作,盡量避免對環境監測對象造成影響,以保證數據采集精度。但是,對于諸如農業環境監控之類,用戶希望不僅可以了解農田的各種環境參數變化,而且可以根據采集信息的變化情況對農田環境進行相應調整。例如,在蔬菜大棚內,溫濕度是影響蔬菜生長的一些重要因素,當監測平臺監測到溫濕度高于或低于適合蔬菜生長的范圍時需要采取一定的措施來改變大棚內環境溫濕度,比如控制噴淋開或關,這就需要引入執行器進行控制。在不同應用中,執行器的功能與作用各不相同,可能是一個繼電器開關,也可能是一組運動裝置或數控設備,具體需要由系統應用所針對的對象決定。
6)電源模塊:電源模塊是環境監測平臺的能量來源,電源技術的好壞決定了網絡工作時間的長短和系統運行成本。目前還沒有找到更高效使用時間更長的高能量電池,我們使用的是兩節AA 電池,實驗效果顯示可以維持一個節點工作半個月時間。
7)其他硬件設計:節點模塊采用 USB 口作為其程序調試下載端口。使用FTDI USB控制器芯片控制器和主機通訊,為了和節點通訊,必須在FTDI設備上安裝FTDI驅動。節點模塊將會在windows設備管理器中以串行口出現。并行的無線傳感器可以同時連接到一臺電腦的USB口,每個點,將會接收到不同的串行通信口標識符。天線節點模塊的內置天線是一個倒F型的微波傳輸帶,它從電路板底部伸出,遠離電池組。倒F型天線是有線單極子,它頂部的截面被折疊下來與地線平行。在讀出或寫入閃存中數據的時候必須要謹慎,因為它是和無線電通信交叉存取的。這是總線在微控制器上的典型軟件應用。
4 平臺軟件設計
該環境監測平臺的軟件設計主要通過操作系統 TinyOS 和編程語言 NesC 來完成。本章通過典型應用分析了模塊化、基于組件的編程案例。將模塊化的程序設計移植于環境監測領域,列出了該平臺的軟件流程圖。最后通過網絡數據庫的應用開發了一套可視化數據監測平臺,實現了遠程監測。該平臺的軟件開發通過開源式 TinyOS 操作系統和基于組件的 NesC 編程語言來實現環境監測數據的發送和接收功能,程序開發周期短,便于修改,對于各種環境監測傳感器的添加也很方便。網絡數據庫的應用開發使人們在辦公室就可以直觀的看到各種傳感器采集的環境監測數據,足不出戶就可以對數據進行提煉分析,觀測環境變化的一舉一動,實現了 24 小時不間斷監測,對突發環境情況變化的研究提供了可能。
5 總結與展望
本文設計并實現了一種基于無線傳輸技術的環境監測系統,它通過使用由大量微型傳感器節點組成的環境監測網絡,可以對所監測的環境進行不間斷的高精度信息采集。本文在以下一些方面做了基礎性研究和探討。搭建了基于無線傳輸技術的環境監測平臺,這個平臺具有數據采集和上傳、網絡可視化、遠程控制等功能。在過去智能節點的硬件設計上存在接口不容易擴展問題,主要是由于環境監測中需要添加的傳感器類型不同導致輸出信號格式不同,另外還有主控芯片輸入接口不夠用等問題。針對這些展開研究,設計了標準化接口電路,實現了接口擴展。最后需要利用該平臺進行了一系列的試驗和調試,對采集的數據進行了分析,將該平臺應用于環境監測是具有一定科研意義的。
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【摘要】伴隨著社會的不斷發展,科學技術水平不斷提升,無線電技術的應用也越來越廣泛,并且隨著科技的發展,無線電技術也取得了長足的發展,涉及到無線電的業務也變得越來越廣泛,臺站的數量也在不斷增加,但是出現的問題就是無線電頻譜資源變得越來越緊張,所以無線電電磁環境變得也越來越復雜,為了更好的掌握無線電電磁環境的變化,促進無線電更好的為人們的發展服務,因此需要做好無線電電磁環境的監測工作。本研究針對無線電電磁環境的監測系統問題展開了一系列的闡述,首先分析了無線電電磁環境監測系統的主要組成,然后分析了在開展無線電電磁環境的監測過程中需要注意的問題有哪些,對于掌握無線電電磁環境的變化有一定的指導意義。
【關鍵詞】無線電 電磁環境 監測系統
一、前言
正如平時所熟知的地形條件,水文條件及氣象環境一樣,無線電電磁環境本身也存在于空間中,無線電電磁環境指的是在某一時間段,某一空間范圍內人為的電磁現象和自然界本身存在的電磁現象的總和。鑒于電磁環境與無線電設備的工作狀態有直接關系,因此需要做好無線電電磁環境監測,一旦無線電電磁不正常也就是平時所講的電磁干擾。由于電磁環境的穩定性受到眾多影響因素的影響,因此需要就無線電電磁環境監測系統展開細致的研究,才能控制好電磁環境更好的為社會發展服務。
二、無線電電磁環境監測系統的主要組成分析
(一)監測控制中心
監測控制中心是無線電電磁環境監測系統的主要組成,整個監測網絡需要對來自于不同地區,頻域監測數據進行采集,然后分析數據,促進自動監測工作的完成。監測控制中心主要利用無線電管理內部的網絡實現對下級控制中心的控制,監測控制中心是整體監測數據的聚集點,正是由于其具有非常強大的數據處理功能,因此是整個監測系統的中心組成。
(二)大型固定監測站系統
大型固定監測站系統也是無線電電磁環境監測系統的組成之一,想要促進無線電信號良好,一般需要將監測系統安裝在較高的建筑物上,大型固定的監測站系統能夠實現對無線電發射基本參數的測量、帶寬測定、調至測定、頻段及頻道的測定,能夠實現較強的數據監測與存儲處理功能。
(三)移動監測站系統
移動監測站主要是將整體監測設備設置在一些傳輸性能較好的交通工具上,然后移動監測站系統能夠實現固定站監測系統覆蓋不全面的缺點進行彌補,所以在這個層面上將移動監測站系統同樣也具有大型固定站監測功能的。
(四)可移動站
可移動站與移動監測站系統有所不同,它與交通工具實現了完全分離,所以使用起來相對比較靈活,一旦有需要能夠利用任何交通工具將監測設備送達到指定的監測點。當然如果監測有需要可以將監測設備臨時固定的某處從而實現了固定監測站的監測功能。
(五)小型固定監測站
采用小型固定監測站系統開展監測功能主要是為了減少不必要的投資,最大限度的將覆蓋區域的監測加強,結合實際的監測需要建立起有針對性的監測系統,該種監測站主要是對無線電電磁環境的監測數據加以收集。
(六)便攜式監測設備
該種監測設備,小巧便捷,便于在較近距離查找排除無線電干擾信號。上述所講的無線電監測站系統的具體使用情況需要結合國家對地區無線電電磁環境監測的具體要求來選擇。
三、在無線電電磁系統監測過程中需要重點注意的問題
由于無線電電磁系統監測對無線電設備的使用有著至關重要的影響,但是無線電電磁系統監測系統的監測過程是一項非常復雜的過程,其監測結果的準確性和全面性將直接影響無線電設備的具體使用情況,因此在監測過程中需要有一些問題要注意。首先,在無線電電磁環境的監測過程中,出現不同寬帶信號的現象是非常正常的,因此在進行監測結果接受的使用需要有較為嚴格的要求,為了最大限度的使用不同調制形式信號的測定需要,可以接受脈沖干擾信號。在監測過程中需要注意峰值和準峰值的檢波功能,結合不同的測量對象,選擇合適的檢波方式。在監測過程中會有很多外界因素影響監測結構,隨機干擾的來源不僅有熱噪聲還有雷達目標反射以及自然界所存的噪聲,因此在進行平穩隨機過程的干擾信號的測定時需要使用監測有效值以及檢測平均值等實現測定。在使用波檢器的時候,可以充分利用波檢器的性質,然后分析不通信號在不同的波檢方式下的不同反應,來判斷帶測定信號的類型,然后確定信號的性質,但是在監測的時候需要注意的問題是防止輸入端過載,檢波方式的選擇需要慎重,在監測之前需要進行設備的校準,預選器的選擇需要結合具體的測定過程。只有在測定過程中注意到一些小的細節才能促進檢測結果的有效性。
四、結語
綜上所述,無線電電磁環境的整體監測系統的組成非常復雜,只有就每一個組成的功能及工作原理分析到位,然后注意到在無線電電磁系統監測過程中所需要重點注意的問題才能做好無線電電磁環境的監測工作,最大限度的促進無線電業務的健康穩定發展。
參考文獻:
[1]司廣莉. 淺談無線電電磁環境監測系統及監測數據[J]. 科技資訊, 2009,(24).