一種低成本無線傳感器網絡節點的設計

劉成巖，孫晶華

(哈爾濱工程大學 理學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

目前有多種可供選擇的無線組網方案，如ZigBee，其具有功耗低、傳輸速率高、體積小、協議成熟、節點能夠協同工作等特點。但ZigBee由于采用國外技術，其芯片價格高，限制了它的普及應用。PT2262/PT2272系列編解碼芯片是一種采用CMOS工藝、低功耗、低價位芯片，在遙控門、防盜、玩具等產品中大量使用，但其在數據傳輸、安全性等方面有所不足。本文利用PIC16LF876單片機模仿PT2262編碼方式，并進行了改進，配合433 MHz高頻發射電路，實現了數據的無線傳輸組網。傳感器選用具有數字I2C接口的雙軸加速度傳感器MX6202，可以無線采集加速度、傾斜角數值，具有接口簡單、體積小、價格低的優點。無線節點部分均選用低電壓器件，實現了單節鋰電池供電。特別適合網點數量龐大、對成本敏感(如家居、防盜、物聯網等)場合的應用。

1 無線傳感器系統設計方案

無線傳感器系統包括傳感器節點與網關兩部分。傳感器節點負責實地數據采集，網關負責接收各節點數據，匯總處理后經GSM/GPRS網絡通知用戶。本文重點介紹傳感器節點，給出了軟硬件實現方法。無線傳感器系統組成如圖1所示。其中無線傳感器節點中的虛線框為擴展部分，F05V與J05U為微型433M發射接收模塊；無線網關部分負責匯總節點信息與外界通信，采用EM310模塊，GSM/GPRS傳輸。

傳感器網絡采用星形連接方式，由各無線節點與網關組成。在大部分場合下(如防盜、環境監測等)可以采用單向通信方式，即節點發射、網關接收，這樣，圖1中的虛線部中的節點的超外差接收電路、網關的RF發射電路即可以省去。當需要實時采集、強調同步性時，加上虛線框內部分，由網關集中控制各節點動作，通過發采集或變更工作模式指令，控制各節點，采用雙向通信方案。本文介紹的為單向通信方案。

傳感器節點是系統的重要部分，負責現場采集工作，其工作穩定與否對整個系統具有至關重要的作用。而當節點數量較多時，它的成本占系統的絕大部分。有許多節點需要獨立在室外工作并由電池供電，對能耗有較高的要求。為此，本設計通過PIC單片機模擬PT2262芯片編碼，對433MHz高頻電路完成鍵控調制(ASK)，省去了無線收發芯片，實現了通用MCU+傳感器的節點方案，大大降低了系統成本。采用的PIC超低功耗MCU，具有與MSP430相似的節能特性，選用低電壓RF模塊F05V，實現了系統的3.3 V供電。

2 無線傳感器節點設計

2.1 節點硬件電路設計

表1 無線節點方案比較

無線傳感器節點是本文的重點部分，需要滿足低成本、低功耗、小體積、適合電池供電等要求。無線節點方案比較如表1所示。

(1)本節點設計時所用器件及其性能：選用的PIC16LF876單片機，其性價比較高、外設豐富、工作穩定，具有針對電池供電的低功耗系列；最高速率為4 MIPS，工作電壓為 2～5.5 V，22個 I/O口，片上集成有 WDT、CCP、PWM、A/D 等 外 設，14 KB Flash，368 bit RAM、256 bit EEPROM，具有休眠省電模式。PIC16系列單片機不同型號之間大部分可兼容，可以根據需要，選用價格更低的PIC16F72或采用納瓦(nW)及超低功耗技術的PIC16F723，程序稍作改動，器件即可封裝兼容。

(2)加速度傳感器選用數字I2C接口的雙軸加速度傳感器MXC6202，其具有±2 g的測量范圍，可以測量重力加速度，小體積、低功耗、接口簡單，工作電壓范圍為2.7～3.6 V，有休眠模式，在保證低價格、小體積的同時，可以滿足防盜、人體姿態測量等應用的需求。

(3)RF電路采用F05V微型發射模塊，具有2.1～3.5 V的低電壓、低功耗(10 mA，連發)及1～10 kb/s的傳輸速率，可以滿足監控等場合數據采集的需要。小體積、低價位，只有正電源、地、數據輸入、天線(天線按照手冊由導線繞制而成)輸出4個接口，可以像一個三極管一樣使用它。

(4)網關配套的接收電路是J05U超外差接收模塊，具有與F05V類似的特點。使用PT2262/PT2272編解碼方案，開闊地接收距離在300 m左右。

(5)無線節點采用的是電池供電的方式，因此，電池的好壞對整個系統的工作持久性有重要影響。本設計采用的是非充電性18650高容量鋰電池，電壓為3.7 V，容量在1 700 mah以上，具有涓流放電、電壓恒定等特點。經肖特基二極管降壓后得到約3.3 V電壓為系統供電。

節點的硬件原理圖如圖2所示。

圖2 無線傳感器網絡節點原理圖

圖2中右上角是PT2262的管腳圖可以看出，PIC16F876單片機保留了PT2262的8 bit地址腳，4 bit數據腳。這樣做是為了增加系統靈活性，將節點模塊從一個網絡轉移到另一個網絡，只需變更三態編碼開關A0～A7，就可將其設置成與欲轉入網絡網關的地址 (6 561種)。4 bit數據口 D1～D4采用 2 bit撥碼開關，為傳感器編號，這相當于節點在網絡內的ID(16種)。

圖2中右下角為加速度傳感器 MXC6202、I2C接口。X、Y軸加速度值各為12精度。可以看到該傳感器接口簡單，沒有地址編碼腳，因地址在出廠前已確定，一路I2C總線只能有一片MXC6202。PIC16單片機集成了一路I2C接口，但為了以后擴展多路加速度傳感器，采用軟件模擬的辦法， 用 RC4、RC5、RC6、RC7 4個 I/O口模擬了兩路I2C接口電路。此外，I2C接口類傳感器還帶有溫濕度傳感器STH1X、雙軸磁場傳感器MMC212X等，只要稍微更改程序，就可以擴展到本系統上。

2.2 節點軟件設計

單片機主要有兩個任務：模擬PT2262波形對高頻電路進行ASK調制，模擬I2C總線讀寫MXC6202。

要想讓軟件模擬一個硬件電路，必須掌握硬件電路的工作原理：PT2262是紅外遙控編碼器，PT2272是其接收解碼器，兩者常常配對使用。發射端PT2262共有12個地址端，發射的每一組數據都由12 bit脈沖組成，順序是從A0～A11，每個地址端有三種接法[1]。常見的是用其中 8 bit(A0～A7)作為地址編碼，其余 4 bit(D1～D3)作為數據編碼，外加1 bit同步碼，每組至少發送4次。接收端PT2272舍棄第一組，當連續得到兩組與本身地址一樣的信號時，則解碼。參考文獻[1-2]分別介紹了單片機模仿PT2262的編碼方法和PT2272的解碼方法。

由于需要傳輸X、Y兩個軸各 12 bit加速度值，因此，每幀36 bit數據，幀間加1 bit同步碼，傳輸4次。單片機編碼方案如圖3所示。必須注意的是，由于高頻發射具有隨機性，在不發射時表現為白噪聲，因此解碼時應舍棄第一幀數據，從第二幀開始解碼。

圖3 單片機編碼方案

傳輸的數據位格式分為：高電平(11)、低電平(00)、高阻態(01)三種，0、1由高低電平的占空比決定。軟件中設 200 μs、600 μs兩個延時函數。 單片機調用這兩個延時函數，在RA1管腳上輸出相應的高低電平就能夠模擬出這三種狀態數值，從而完成單位數據的ASK調制。

單片機在發射前首先讀入預先設定的A0～A7 8 bit三態地址，D1～D4 4 bit節點網內ID，再加上加速度傳感器X、Y軸的各12 bit加速度值，共36 bit數據，按圖3的格式依次發送出去，就可以進行數據傳輸了。每幀數據傳輸4次，每幀之間由大約10 ms的幀間碼隔開，幀間碼由一個 200 μs高電平與 10 ms的低電平組成，發送一次數據的時間約為200 ms，這樣1 s內最多可傳送5次數據，在大多數場合是可以滿足要求的。為了節省能耗，可以根據需要選擇發射速率，在不發射時，應使單片機、F05V、加速度傳感器處于休眠狀態。處于休眠狀態的PIC單片機可以使用看門狗等方式喚醒。用超外差接收模塊J05U接收，可以在300 m的開闊地傳輸數據。當需要較高的數據傳輸速率時，應縮短寬窄脈沖時間長度。但需要注意的是，當脈沖寬度減少時，發射功率也同時減少。因距離與速度是矛盾的關系，當發射功率超過20 Hz時，建議使用專用RF芯片。

MXC6202在使用中作為從器件，PIC單片機只要按照標準I2C時序控制MXC6202即可。參考文獻[3]介紹了利用單片機的普通I/O口模擬I2C總線的方法。MXC6202的地址在出廠時已經確定了，共8種，在一路I2C總線上只能掛一個加速度傳感器。當需要兩個MXC6202測三軸加速度時，需要占兩路獨立的總線。為此，根據標準I2C時序，模擬了兩路I2C總線，以兩路循環采集。MXC6202示例驅動程序如下：

測斜度時，采用查表與計算相結合的方法 (器件手冊中給出了參考方法)。單片機模擬的波形如圖4所示。圖4(a)是單片機RA1口模擬PT2262發出的一串數列。圖4(b)是從MXC6202器件中讀出的一幀數據，為便于觀察，將兩組波形重疊在一起，高的為總線數據線信號，低的為總線時鐘信號。

圖4 單片機模擬的波形

3 無線網關設計

無線網關由主控單片機、GSM模塊和超外差接收模塊J05U等組成，負責傳感器網絡的管理與控制，接收節點傳來的數據并在必要時通過網絡等方式告知用戶。網關選用PIC18F6621單片機，GSM模塊選用的是EM310模塊。網關主要部分原理圖如圖5所示。

PIC18F6621單片機有：兩個串口，使用串口2與EM310通信，串口 1用于外部接口，如作為 GPRS DTU、連接上位機、串口攝像頭等；傳送速率最高為 10 MIPS；4 KB RAM、64 KB Flash；內部集成有 AD、WDT等外設。

EM310的1～6管腳與SIM卡電路連接。PIC18F6621有55個IO口，空余的I/O口可以接1602液晶進行顯示。DS12C887時鐘芯片作為整個無線網絡的時基。需要注意的是，EM310在接通網絡的瞬間會產生一個接近2 A的峰值電流，因此電源部分需有冗余，因此推薦使用開關電源。

網關的功能主要有三個：對接收到的節點數據進行解碼、判斷是哪個節點傳來的信號及是否需要報警、控制EM310向設定手機發送短信及撥打電話等。

解碼是編碼的逆過程，關鍵是將發射節點編碼的600 μs、200 μs寬窄脈沖正確識別。 當單片機偵聽到開始碼 (即連接J05U模塊的DATA引腳RD0產生第一個上升沿)時，開始分析數據，舍棄第一幀數據，對第二幀、第三幀、第四幀進行解碼。利用PIC單片機內部定時器0計時，當有電平高低變化時，記錄下TMR0數值，并清零，重新開始計數。這樣可以把每一個高低電平寬度記錄下來； 然后比較解碼，180 μs～250 μs之間為窄脈沖，550 μs～650 μs之間為寬脈沖； 并將數據幀中的前 8個數據與EEPROM中預存的地址碼進行比對，當有兩次相同時即表明正確解碼，將節點ID 4 bit數值，X、Y軸各12 bit數據儲存起來并進行處理。

EM310是一款兼容型GSM/GPRS通信模塊，硬件兼容MC55，廣泛用于數據采集、遠程測試等；內嵌 TCP/IP協議，具有低價位、使用方便的特點。選用該模塊是為了方便系統GPRS功能擴展 (如加接串口攝像頭實現現場攝像、傳輸視頻等功能)。EM310進行信號傳輸時(尤其是進行GPRS傳輸時)，會產生一個2 A左右的尖峰電流，因此網關供電需要采用2 A以上的電源(如開關電源等)。EM310的所有命令、數據傳輸均通過串口，支持最高波特率為115 200 b/s，數據包包長可以達到 2 KB，可以傳輸圖像數據，便于系統以后擴展圖像監控功能。

圖5 網關主要部分原理圖

EM310與PIC18F6621之間接口非常簡單，只占用RX、TX、GND三根線，采用AT指令進行通信，除個別指令外，每條指令均以回車符作為結束標志。本設計中用到了發送短信與撥打電話功能。發送短信AT指令為：at+cmgs="139XXXXXXXX" ，在 EM310應答后，發送短信內容，并以“0x1A”結束短信內容。撥打電話AT指令如下：ATD139XXXXXXXX； ，其中“139XXXXXXXX”為預先設定的用戶手機號碼。

本文提出了一種低成本的無線加速度傳感器方案，采用通用單片機模仿成熟的編解碼方案，降低了開發難度與風險，有明顯的價格優勢，適合對成本敏感、而對速度要求不高的場合，如工地器材防盜、智能家居網絡等。節點選用的芯片均為低功耗芯片，采用大容量鋰電池就可以使節點長期工作。I2C接口的傳感器種類有很多，更換傳感器就可以實現磁場強度分布檢測、糧食倉庫溫濕度檢測等，而且PIC單片機內集成有A/D，也可以與其他模擬輸出的傳感器結合，因此本方案有通用性。使用GPRS網關可以實現遠程監控測試。

[1]安穎，張麗慧.PT2262遙控編碼功能的軟件實現[J].嵌入式與 SOC，2005(5)：111.

[2]郝迎吉，劉義剛，樊潤麗.基于單片機實現遙控編碼器PT2262的軟件解碼 [J].國外電子元器件，2008，5(5)：36-39.

[3]陳志輝.I2C總線在MCS51系列單片機數據采集系統中的實現[J].微計算機信息，2005，21(1)：67-69.