面向物聯網應用的短距離無線接入技術

劉蔚

（湖南現代物流職業技術學院，湖南 長沙410131）

1 短距離無線通信技術闡釋

當前，最常見的近距離無線通信技術包括ZigBee、藍牙、紅外、近場通信與Wifi，根據技術特點與屬性，選擇ZigBee 作為無線通信技術發展的主要參考依據。在眾多短距離無線通信技術中，藍牙傳輸數據與語音的能力最為可靠，而且能夠實現一對多和一對一通信目標。對于近場通信，可在設定距離與頻譜中對不同速率進行設計。NFC 主要優勢就是距離短且能耗低，可自動連接并實現通信。而Wifi 則屬于移動設備間通信技術，在理論角度分析，具備不低于一個的接入點，也被稱作熱點，在其覆蓋范圍內凡是具備Wifi 功能設備均可連接共享帶寬。在研究中了解到，WSN 組網與節點對通信技術在能耗方面的要求極高，所以必須選用最低能耗的短距離通信技術[1]。其中，ZigBee 通信協議制定無線通信標準，以IEE802.15.4 標準為基礎，并且被當做通信協議定義切入點，使得不同設備結合協議需求制造同種兼容。而且，ZigBee 在眾多短距離無線通信技術中的功耗低，能夠滿足WSN 數據傳輸的基本要求，所以選擇ZigBee 最佳。

2 面向物聯網應用的短距離無線傳輸系統設計

以上針對多種短距離無線通信技術展開了相關性闡釋，并得出ZigBee 技術的優勢與價值。以物聯網為基礎，對短距離無線傳輸系統加以設計十分有必要，可為生態環境污染的監測提供必要幫助。

2.1 硬件設計

此系統的硬件平臺是Altium Designer13，含括了信號處理和仿真等多種功能。

2.1.1 微處理模塊的設計

在我國，低功能標準備受推崇，伴隨電池供電產品需求的不斷增加，以及綠色能源技術發展等多種因素影響，各領域對于功耗的要求更加嚴格[2]。為此，在此設計中，主芯片選擇使用STM32L151，其功耗極低系統整體設計架構如圖1 所示。

在此設計中，STM32 主控芯片的引腳數量為64，為保證系統運行穩定且正常，需要在芯片周邊對電源電路和時鐘電路加以設計，進而發揮輔助作用。

圖1 節點整體設計圖示

其一，實時時鐘。在系統結構監測中，為確保實時同步，需要選用8MHz 的晶體振蕩器，且兩端分別和芯片當中的X1 與X2引腳進行連接。在實時時鐘中，其芯片可產生6 個時標，且有效期為2100 年[3]。當主工作電源掉電的狀態下，芯片的時鐘保護電路與備份電源間可自主切換電路。而在線片內含括了靜態RAM，字節為31，可更好地存儲關鍵性的數據。STM32L151 芯片在電路設計方面相對簡單，可在同步串行的基礎上，確保單片機與芯片接口有效通信，只要利用串行數據、復位以及串行時鐘就能夠完成操作。

其二，電源電路。在電源模塊中可包括兩部分：a.24V 電壓向5V 電壓的轉換，在轉換期間，協調器節點可借助VRB2405ZP-6W 予以實現；b.5V 電壓向3.3V 電壓的轉換。在電源模塊內，24V 電壓向5V 電壓成功轉換以后，協調器通信芯片與傳感器節點模擬開關即可提供5V 的電壓。在24V 電壓連接后，對C3和C4電容進行并聯處理，即可確保電壓輸入的穩定性，而C3電容的功能是對低頻波的過濾，C4電容的功能是過濾處理高頻波，在兩電容共同作用之下，可增強24V 電壓輸入的穩定性[4]。

對于協調器節點內部的各模塊，需選擇3.3V 電壓。所以，5V電壓向3.3V 轉變時可通過SPX1117 完成。而輸出端和C7、C8電容能夠使電壓更加穩定，將干擾信號有效過濾掉。

2.1.2 SIM900B 模塊設計

SIM900B 的功能是傳輸數據，可對多版本產品有效兼容，具備四頻段GSM 模塊，可以集成TCP/IP 協議棧，確保IP 傳輸數據的有效固定。在系統協調器中應用，并且將工作電壓設定在3.2-4.8V 范圍內。在GPRS 多時隙中，可劃分成信道10/8，且低功耗可達到1 毫安。在設計此模塊電路的時候，SIM900B 選擇了4.2V 單電源供電，而在芯片內部有8 個VBAT 引腳，并且連接了VCC4.2[5]。要想使 的供電電壓穩定，可對 穩壓器進行使用，借助其線性降壓功能，將電源的輸入值設定成5V，電源的輸出值設定成4.2V，在輸出電壓和VBAT 連接的基礎上，增加設置旁路電容，將容量控制在100μF。

2.1.3 ZICM2410 模塊設計

研究中，選擇使用ZICM2410 模塊芯片將其當成ZigBee 模塊核心芯片，其中含括射頻通道16 條、無障礙傳輸3000 英尺、8位ADC 有4 路，實際工作溫度為-40.5-85 攝氏度之間，保存的溫度在-55-125 攝氏度之間。當電壓處于2.1-3.3V 之間時，芯片運行狀態正常，與大部分應用的要求吻合。對于ZICM2410 芯片而言，其內部為射頻通訊的集成，僅需添加部分外圍電路與信號，即可使得芯片被驅動并正常運行。

2.2 軟件設計

在系統監測環境的過程中，選擇校園南部小樹林，在其中部署特定數量的傳感器監測節點，而各節點均應用ZigBee 技術，在一跳方法的作用下即可和協調器通信。而協調器能夠將收集到的信息通過GSM/GPRS 方法向遠程管理中心傳送。此中心主要由三部分組成，即RS485 轉232 串口、電腦PC 以及支持GSM/GPRS 通訊接收設備。在遠程管理中心的接收設備對協調器發布數據接收以后，即可通過RS485 轉232 串口設備向PC端傳送數據信息。

2.2.1 傳感器節點的設計

在此設計中，節點軟件流程如圖2 所示。

圖2 節點應用軟件的操作流程

根據圖2 可知，灰色框為uC/OS-H 執行的任務，而白色框是用戶任務。在灰色框的內部，函數表示的是交管理權限微處理器，借此完成操作任務。

2.2.2 溫濕度采集模塊的設計

此模塊一般對環境溫濕度采集的傳感器中運用，即SHT11。AD 轉換器有14 位，同時含括串行數據傳輸接口。其中，微處理器能夠對傳感器采集數據進行科學化控制，對環境數據數值進行讀取。在傳感器上電開啟以后，需將命令發送給傳感器，進而對工作加以控制。隨后，微處理器在DATA 和SCK 引腳的作用下，即可將啟動傳輸時序向傳感器傳輸，對原則微處理器控制命令進行等待。當微處理器接收到傳感節點數據以后，就能夠對數據進行及時接收。

3 系統測試結果

系統軟件與硬件的性能會對系統運行穩定性、可靠性產生直接影響，并且利用平臺完成調試與程序下載的操作[6]。在傳感器采樣的過程中，利用1 秒間隔頻率或者是2 秒間隔頻率對不同傳感器信息加以采集，采集時間要連續超過24 小時，對LCS顯示數據的異常情況進行觀察。根據測試結果可以發現，采樣狀態正常，且數據十分可靠。在測試人機操作界面的時候，對相關按鍵菜單進行重復性操作，對不同系統參數進行設置，對程序跑死情況加以查看。根據測試的結果了解到，程序在運行狀態下沒有錯誤和死機的情況。在測試通訊程序的時候，借助串口調試工具，借助1 秒間隔頻率發送命令，對系統數據返回的及時性進行查看，了解返回數據的正確與否。與此同時，對不同波特率進行設計，了解通訊正常與否。根據測試的結果了解到，系統的通信功能處于正常狀態。

結束語

綜上所述，伴隨當前全球生態環境污染程度的不斷加劇，對人民群眾的日常生活產生了直接影響，同樣也困擾其身心健康。在這種情況下，以ZigBee 為基礎對面向物聯網的短距離無線傳輸系統進行科學化設計，即可對以上問題加以解決。這樣一來，即可結合各模塊功能合理化地設計硬件與軟件，進而為環境監測工作的開展提供必要幫助。