无线环境监测模拟装置 0725汇.docVIP

无线环境监测模拟装置 摘要 本装置是由多个探测节点和一个监测终端构成的无线环境监测系统。探测节点具备对温度、湿度和光照等环境信息的采集、处理和数据收发等功能，其主控芯片采用超低功耗MSP430单片机。监测终端可向探测节点发送指令，接收节点数据并具备数据显示和打印功能。探测节点与监测终端直接通信距离达30cm，节点具备自动转发功能，增加了终端与节点的探测距离。系统设计了基于洪泛的路由机制和基于随机退避的MAC机制，各节点与终端具备了简单的自治组网能力。 关键词：无线;低功耗;环境监测;通信协议 一、系统方案 本装置是一个最多可达255个节点的环境监测系统。系统包含两种节点：探测节点和监测终端；业务包括两类：探测节点到监测终端传输环境信息和监测终端向节点发布指令（包括信标）。 课题的主要任务可以分成两部分：节点硬件的设计和实现；程序的设计和实现。 硬件主要包括探测节点和监测终端，其硬件组成框图如图1.1和图1.2所示。 图1.1探测节点原理框图 图1.2监测节点原理框图 探测节点由收发电路、传感器和单片机组成，通过8位拨码开关来预置ID号。单片机通过串行口完成与收发电路的物理层交互。考虑到节能，处理器采用低功耗单片机MSP430，其工作电流小于1mA，选用低功耗温湿度传感器SHT75。由于节点不需要实时发送数据，闲时系统使用电源管理芯片来关断发射电路的电源，以降低节点功耗。 监测终端由收发电路、I/O外设和单片机组成，其工作模式与探测节点基本相同，增加了人机交互功能，可以显示回传信息，并针对所有或某个节点发送指令。软件主要包括路由和MAC协议设计。系统设计了基于洪泛的路由机制和基于随机退避的MAC机制。 二、理论分析与计算 1、发射电路分析 课题要求系统载波频率低于30MHz，考虑到低频段适合于近距离系统且要求线圈电感值高，课题指定的线圈电感值在1.4左右，综合考虑后本系统载频选择18.432MHz，对应的波长为16.3m。对于电感耦合系统，只要线圈之间的距离不大于0.16（波长），并且节点处于发送天线的近场之内，耦合就是有效的。因此该频率上两个线圈理论上的最远距离为2.6m，满足两个节点通信距离不小于25cm的课题要求。 为了让收端获得足够大的信号，应通过调谐电路来实现线圈耦合匹配，其方法是调整收发谐振回路的电容值，使回路谐振到发射频率。理论上，初级线圈采用串联谐振方式、次级线圈采用并联谐振方式时，收端可获得最大谐振电压。但系统要求共用天线线圈，综合考虑我们采用串联方式。由汤姆逊公式，得到匹配电容。 由于节点由电池供电，课题要求系统功率尽量小，发射电路的高频谐振放大器需要采用C类功放。与A、B类相比、C类功放输出功率大，效率高，大功率放大电路中经常使用。 2、接收电路分析 对于电感耦合式系统的接收天线，其特征值是它的谐振频率和品质因数Q值。较高的品质因数Q值会使天线线圈中的电流增大；相反，天线的传输带宽刚好与品质因数Q值成反比，。选择的品质因数过高会导致带宽缩小，从而减弱收端的调制边带。因此为了保证数据正确传输，Q值不宜过大也不能过小，一般选择Q = 10~30。系统Q设定为30，调制方式为OOK，传输速率600bps，与系统工作频率18.432MHz刚好对应。 电感耦合系统中沿圆形线圈轴线方向的场强为： （2.1） 式中N表示线圈匝数；R表示线圈半径；x表示沿轴线方向与线圈中心距离。从公式中可以看出，x增加，即接收天线远离发射线圈中心时，场强H迅速下降，这是该系统通信距离受限的主要原因。 3、通信协议分析 设计目标要求系统具有中继功能。考虑到实现复杂度的限制，拟采用洪泛（Flooding）机制。Flooding是一种简单的数据转发机制，它不需要专门的控制分组，即可以完成多跳路由功能。基本原理是节点收到数据后，如果目的节点不是自己且该分组的生存时间（TTL）不为0，则转发出去。 3.2 MAC协议分析 设计目标是避免节点之间的冲突。本题中，主要采用随机退避和多次重传的方法，同时，为简化设计，不采用握手机制。有两个关键点：1）同步；2）随机退避。 同步 本题中，所有的数据帧都具有相同长度，因此，可以把时间分成时隙，每个时隙是无误发送一帧的时间，记作。监测终端周期地发送信标分组，所有节点在接入信道时总是先处于接收状态，在收到信标后与之同步，并在下一个时隙转发信标。所有节点只在时隙起始点发送。系统的时隙结构如图2.1所示。 图2.1 时隙结构图 随机退避 探测节点随机选择k个时隙，在每个时隙发送一次原始数据的副本。只要其中