433 MHz物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺的設計與開(kāi)發(fā)
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2 系統硬件設計
2．1 傳感器節點(diǎn)
2．1．1 數據采集單元
數據采集單元傳感器分別選用的是SHT75溫濕度傳感器、MS5100煙霧傳感器和光敏電阻。
SHT75溫濕度傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測濕元件和一個(gè)能隙式測溫元件，并與一個(gè)14位的A／D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現無(wú)縫連接。該傳感器具有超快響應、抗十擾能力強、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。
與傳輸模塊的連接是通過(guò)發(fā)送模塊芯片的兩個(gè)I／O口，分別與傳感器SHT75的SCK、DATA兩引腳相連，來(lái)實(shí)現數據的交互，VDD與3．3 V電壓相連。為避免信號沖突，微處理器應驅動(dòng)DATA在低電平，所以還必須在I／O電路中DATA引腳上加上一個(gè)上拉電阻將信號提拉至高電平，用一個(gè)10 kΩ的電阻接至3．3 V電壓。
MS5100煙霧傳感器具有小體積、高感應靈敏度、良好的穩定性、快速的相應時(shí)間，且對煙霧、碳氫化合物和氧化物有著(zhù)較高的靈敏度。測量原理如下：當測到外部的煙霧時(shí)，傳感器的電阻Rs會(huì )發(fā)生變化。
在本實(shí)驗平臺中，采樣電阻RL采用100 Ω的電阻，由于傳感器輸出的電壓可能超過(guò)數據發(fā)送芯片能檢測的電壓最大值，因此必須在傳感器數據輸出端加上一組分壓電路，使傳感器輸出滿(mǎn)足傳輸芯片檢測條件。
光敏電阻通過(guò)與1個(gè)20 kΩ的定值電阻組成分壓橋，可對光照強度進(jìn)行簡(jiǎn)單的測量。
2．1．2 供電系統單元
供電系統單元主要是由3節干電池串聯(lián)進(jìn)行供電。3節干電池串聯(lián)得到的4．5 V 工作電壓能滿(mǎn)足傳感器的正常工作，經(jīng)LM1117電源轉換芯片后得到3．3 V 芯片工作電壓，供整個(gè)數據發(fā)送模塊正常工作。同時(shí)也可以使用外接5 V電源對整個(gè)系統進(jìn)行供電。
2．2 數據收發(fā)模塊
2．2．1 CC1110芯片概述
CC1110芯片延用了TI公司ZigBee無(wú)線(xiàn)(定位)芯片CC2430／CC2431架構。它結合一個(gè)高性能433 MHz、868／915 MHz射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器；具有32 KB可編程閃存、4 KB的RAM、模擬／數字轉換器(ADC)、定時(shí)器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器(Watchdog Timer)、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個(gè)可編程I／O引腳。
CC1110的RF射頻收發(fā)器集成了一個(gè)高度可配置的調制解調器。這個(gè)調制解調器支持不同的調制格式，其數據傳輸率可達500 kbps。通過(guò)開(kāi)啟集成在調制解調器上的前向誤差校正選項，能使性能得到提升。CC1110為數據包處理、數據緩沖、突發(fā)數據傳輸、清晰信道評估、連接質(zhì)量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的硬件支持。
CC1110芯片工作時(shí)的電流損耗為16 mA和18 mA，速率為1．2 kbps；CC1110在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于16．2 mA或16 mA；速率為2．4 kbps。CC1110的休眠模式和轉換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(cháng)的應用。
2．2．2 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊
數據發(fā)送接收部分主要利用433 MHz的單端天線(xiàn)，配合CC1110芯片中的TX／RX開(kāi)關(guān)引腳來(lái)控制選通發(fā)送信道或者接收信道。CC1110內部的T／R交換電路完成LNA和PA之間的交換。信號輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)非平衡變換器，因為連接非平衡變換器可以使天線(xiàn)性能更好。非平衡變送器由兩個(gè)電容與兩個(gè)電感組成的電路將信號轉換成單端RF信號，與阻抗為50 Ω的天線(xiàn)適配。這樣住理論上使信號在傳輸中間沒(méi)有反射發(fā)生，達到天線(xiàn)的信號最大功率。
CC1110低中頻信號接收是它的特性，CC1110將收到的RF信號通過(guò)低噪聲放大器LNA放大，并且將收到的同相信號和正交相位信號(I／Q)降頻轉換為中頻(IF)信號。過(guò)濾殘余在中頻(2 MHz)信號中的I／Q信號后，放大中頻信號。在中頻信號中，自動(dòng)增益控制以及精細信道的過(guò)濾、解調字節和包同步等都通過(guò)數字邏輯完成。CC1110的發(fā)射端基于RF頻率直接合成，頻率合成器包括一套完整的片上電感器、電容器(LC)、電壓控制振蕩器(VCO)和一個(gè)90°移相器，用來(lái)產(chǎn)生同相信號、正交相位信號(I／Q)和本地振蕩器(LO)信號給接收端的降頻合成器，最后信號經(jīng)放大后送至天線(xiàn)發(fā)送出去。
2．3 網(wǎng)絡(luò )適配器模塊
網(wǎng)絡(luò )適配器在網(wǎng)絡(luò )中主要起到數據接收的作用，將節點(diǎn)上發(fā)的數據統一上傳給網(wǎng)關(guān)。
本平臺中網(wǎng)絡(luò )適配器也可直接與電腦連接，完成網(wǎng)關(guān)的響應功能，實(shí)現對無(wú)線(xiàn)數據包的接收、分析與處理，并將處理后的數據通過(guò)USB接口上傳給上位機，進(jìn)行數據的實(shí)時(shí)觀(guān)測；也可以使用上位機軟件實(shí)時(shí)下發(fā)數據，并通過(guò)USB接口傳送給發(fā)送端，實(shí)現對數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。
2．4 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)
無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)主要由控制電路與接口電路構成，如圖3所示?？刂齐娐酚商幚砥鲉卧?AT91R40008)、以太網(wǎng)控制單元(AX88796)、存儲器單元構成。接口電路由無(wú)線(xiàn)模塊通信接口、以太網(wǎng)接口、串行接口組成。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/160077.htm
2．4．1 處理器單元
網(wǎng)關(guān)處理器選用Atmel公司的AT91R40008芯片。AT91R40008是基于A(yíng)RM7的高性能處理器，運行速度可達74 MIPS，硬件資源豐富。AT91R4 0008的電壓等級為：I／O口工作電壓為3．3 V，內核(ARM7TDMI、片內SRAM及片內外圍)工作電壓為1．8V。
2．4．2 以太網(wǎng)控制單元
以太網(wǎng)網(wǎng)卡芯片采用臺灣Asix公司AX88796芯片，包括MAC控制器和物理層接口兩部分，AX88796芯片依照IEEE802．3以太網(wǎng)標準，負責處理有關(guān)以太網(wǎng)數據幀的接收和發(fā)送，包括沖突檢測、幀頭的產(chǎn)生和檢測、CRC校驗碼的生成和校驗。
2．4．3 存儲器單元
Flash存儲電路用于存放啟動(dòng)代碼及應用程序，采用美國SST公司的SST39VF160芯片，存儲容量是1M×1 6位。微處理器通過(guò)片選NCS0以及NWR、NRD讀寫(xiě)控制引腳對它進(jìn)行存取控制。
3 軟件設計
本實(shí)驗平臺采用自定義的一種星形網(wǎng)絡(luò )結構。軟件設計主要由以下幾個(gè)部分構成：無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議程序、A／D轉換程序、外部中斷程序。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議程序主要包括無(wú)線(xiàn)協(xié)議的相關(guān)部分初始化處理和對傳感器相關(guān)信息的處理；A／D轉換程序主要是對傳感器采集到的數據進(jìn)行數
據轉換處理；外部中斷程序主要是用于喚醒休眠的CC1110模塊。本平臺網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)方式：
①無(wú)線(xiàn)數據模塊上電之前首先要配置其數據發(fā)送地址。將數據發(fā)送的目的地址寫(xiě)成除0x00和0xFF之外的固定地址，本例中設置為0x11。
②將數據接收模塊的網(wǎng)絡(luò )地址配置成無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)的目的地址0x11，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器模塊可通過(guò)USB接口直接連接到上位機上。
③為無(wú)線(xiàn)設備上電，各個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)模塊按照載波監聽(tīng)(CSMA)控制策略，隨機發(fā)送數據包。如果發(fā)送之前監聽(tīng)到信道中有其他數據包，等待一個(gè)隨機時(shí)間后再次發(fā)送。
④數據接收端接到數據包后對數據進(jìn)行處理，并通過(guò)USB接口將數據傳輸到上位機上進(jìn)行顯示。
無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議程序發(fā)送流程如圖4所示。
經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，在空曠可視條件下，通信距離可達80m，RSSI值為-100 dBm，系統組網(wǎng)工作穩定，數據包丟包率為1％，設計符合要求。
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