吳 衛(wèi)，段寶峰，周冬梅

(1. 蘭州交通大學(xué) 實(shí)驗(yàn)管理中心，蘭州 730070；2. 蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，蘭州 730070)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，日常生活中離不開無線網(wǎng)絡(luò)和無線通訊技術(shù).市場上現(xiàn)有很多新興的無線傳輸技術(shù)，如“nRF(nordic radio frequency,nRF)技術(shù)”和“藍(lán)牙科技”，均以穿透性強(qiáng)，無方向性傳輸?shù)奶匦?，很快擁有了壓倒性的?yōu)勢[1].而nRF技術(shù)將基帶處理和射頻(radio frequency,RF)進(jìn)行集成，自身擁有軟件開發(fā)簡易、功耗低、成本低、協(xié)議簡單等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了真正的單片化，傳輸距離也達(dá)到了數(shù)百米.從開發(fā)成本的角度看，nRF技術(shù)也大大低于藍(lán)牙科技[2-6].無線傳感器的發(fā)展取決于無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，但總體而言，其基本思路大致相同，采集信號大部分都是用微處理器來實(shí)現(xiàn)，再由無線模塊進(jìn)行傳輸.

本文系統(tǒng)主要采用TRF6900A射頻芯片，頻段為2.4 GHz，無線數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)目刂撇捎肅C2430單片機(jī).該單片機(jī)接口設(shè)備具有很多優(yōu)點(diǎn)，如設(shè)計(jì)簡單、數(shù)據(jù)傳輸可靠、功耗低、成本低等[7].

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點(diǎn)

無線傳感器系統(tǒng)有多種形式，且不同系統(tǒng)差異較大.但是，對于無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，如果想要讓其具有良好的性能和齊全的配置，那么需要具有無線收發(fā)模塊、傳感器等[8].圖1為無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).

如圖1所示，該采集系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成，一是前端數(shù)據(jù)采集裝置，二是主機(jī).主機(jī)的主要作用是控制各前端裝置(分機(jī))進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并針對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和實(shí)時(shí)處理.當(dāng)有數(shù)據(jù)需要在分機(jī)和主機(jī)之間進(jìn)行傳輸時(shí)，需要使用nRF技術(shù)，即射頻無線.該技術(shù)的工作方式是半雙工方式，其通訊協(xié)議為ModBus.對GFSK(gauss frequency shift keying,GFSK)頻率進(jìn)行研究可知，其所在的頻段為ISM(industrial scientific and medical,ISM)頻段，無需申請即可在該頻段工作.在工作時(shí)可以連接多個(gè)主機(jī)，不同的分機(jī)可以采集的數(shù)據(jù)路數(shù)為4路，在分機(jī)工作時(shí)，主機(jī)可以對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.該系統(tǒng)可以通過軟件編程的方式對緩存容量及采集速度進(jìn)行設(shè)定.此外，該系統(tǒng)還可以通過相關(guān)接口進(jìn)行更新，以便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級.

2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)和論證

目前短距離無線傳輸技術(shù)和相關(guān)技術(shù)發(fā)展很快，誕生了很多新的技術(shù)，比如nRF技術(shù)、藍(lán)牙、紅外線傳輸IrDAdegn ，其中nRF并不是協(xié)議，但是其芯片應(yīng)用較多，因此把其等同于是一種協(xié)議[9].但是nRF無法快速傳輸，沒有較強(qiáng)的抗干擾能力，傳輸距離不長，因此本文在進(jìn)行研究時(shí)剔除了該方案，僅分析和對比nRF和藍(lán)牙，分析結(jié)果詳見表1.

對表1進(jìn)行研究和分析可知，無論是硬件設(shè)計(jì)還是接口方式等，藍(lán)牙方案均要劣于nRF方案，因此，本文選擇TRF6900A作為收發(fā)模塊的核心芯片.

在表1中，傳輸距離的對比信息是芯片公司的研究結(jié)果[10].本文是根據(jù)芯片公司的研究結(jié)果對TRF6900A的通信距離進(jìn)行的計(jì)算.

表1 藍(lán)牙與nRF方案比較Tab.1 Comparison of bluetooth and nRF solutions

當(dāng)空間中有電波在傳輸?shù)臅r(shí)候，它的能量既不存在散射，也不存在反射，更不存在被障礙物吸收的情況[11].所以可以明確，數(shù)據(jù)在空間自由傳輸?shù)木嚯x受到工作頻率、接收靈敏度和發(fā)射功率等的影響，因此可以對其進(jìn)行定義，則有

Lfs=32.440+20lgd+20lgf.

(1)

式中:Lfs表示信號在空間中自由傳播時(shí)產(chǎn)生的能量損耗，dB；d為傳輸距離，km；f為工作頻率,MHz.

通過公式(1)可知，當(dāng)信號在空間中自由傳播時(shí)，會隨著距離的增加而發(fā)生變化，如果傳輸距離增加一倍，或者工作頻率增加一倍，那么就會導(dǎo)致能量損耗增加6 dB.

根據(jù)相關(guān)研究資料[12]可知，當(dāng)工作頻率為433.2 MHz，接受靈敏度為-100 dbm，發(fā)射功率為10 dBm時(shí)，利用公式(1)可得TRF6900A的理論通信距離為17.5 km.

需要明確的是，這種計(jì)算方式是以理想狀態(tài)為基礎(chǔ)進(jìn)行的，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于還存在很多其他因素，比如障礙物、大氣等，均會對信號在空間中的傳播距離造成影響，所以，可以在計(jì)算實(shí)際值時(shí)引入損耗計(jì)算公式，從而獲得與實(shí)際情況比較接近的結(jié)果.

通過以上論述可以明確，使用TRF6900A不僅具有簡便的接口、較長的傳輸距離，還具有較高的傳輸速率，因此符合本文所述設(shè)計(jì)系統(tǒng)的要求.

3 系統(tǒng)組成及工作原理

3.1 系統(tǒng)組成

本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示.由主機(jī)和分機(jī)兩個(gè)部分組成.圖3所示為分機(jī)結(jié)構(gòu)[13]，主要包括射頻功率放大器、無線收發(fā)模塊、前級處理電路、傳感器等.圖4所示為主機(jī)結(jié)構(gòu)，主要包括射頻功率放大器、無線收發(fā)模塊等.

3.2 工作原理

對于無線網(wǎng)絡(luò)傳感器，它的主機(jī)是在基于一個(gè)微控制器的框架下進(jìn)行設(shè)計(jì)的，該微控制器是支持實(shí)時(shí)跟蹤和仿真的32位ARM7TDMI-STMCPU平臺，流水線技術(shù)使存儲和處理系統(tǒng)的各個(gè)部分均能聯(lián)系工作[14].CC2430時(shí)刻掃描按鍵狀態(tài)，系統(tǒng)可以利用中斷或者查詢工作方式處理按鍵的狀態(tài)，并對相應(yīng)的功能進(jìn)行執(zhí)行，并用液晶將這個(gè)功能顯示出來.當(dāng)點(diǎn)擊“選擇采樣分機(jī)”這一選項(xiàng)時(shí)，然后再點(diǎn)擊“分機(jī)一”或“分機(jī)二”就可以給分機(jī)發(fā)送相應(yīng)的控制命令，即ModBus(RTU)，這時(shí)TRF6900A無線模塊就會自動上電，同時(shí)控制命令數(shù)據(jù)包ModBus(RTU)會自動加上CRC校驗(yàn)碼和前導(dǎo)碼，然后被發(fā)送出去.對于分機(jī)中的無線收發(fā)模塊(TRF6900A)，則會不斷的對空中信息進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)TRF6900A的發(fā)射和接收頻率相同時(shí)置高載波檢測(CD)，當(dāng)TRF6900A接收到的地址被判定為有效地址時(shí)置高地址匹配(AM)，當(dāng)對TRF6900A接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行CRC校驗(yàn)的結(jié)果為正確，并且判定結(jié)果為有效時(shí)，CRC位和前導(dǎo)碼地址會被TRF6900A去掉，當(dāng)數(shù)據(jù)都準(zhǔn)備就緒后，DR就會被置高，DR和AM兩管腳通過查詢均為高后，TRF6900A就會被MCU(CC2430)設(shè)置為standby模式，有效數(shù)據(jù)通過SPI接口以適當(dāng)?shù)乃俾时蛔x出.一條ModBus(RTU)命令被完整的接收完之后，MCU(CC2430)會對這條命令進(jìn)行處理，相應(yīng)的功能然后被執(zhí)行.

4 軟件總體設(shè)計(jì)

4.1 發(fā)送部分

本文發(fā)送部分的流程如圖5所示.這部分的循環(huán)總體思路為：先對DS18B20進(jìn)行初始化，通過DS18B20讀出對應(yīng)的溫度，并將溫度值進(jìn)行反碼處理，再將反碼轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制碼，將溫度數(shù)組的高兩位對應(yīng)寫入發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)組，然后對TRF6900A進(jìn)行初始化處理，最后發(fā)送溫度數(shù)值.

4.2 接收部分

圖6為本文所述接收部分流程.對軟件發(fā)射部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對nRF24L01進(jìn)行初始化，然后對狀態(tài)寄存器進(jìn)行判斷，查看其是否有接收中斷.如果存在接收中斷，則可以使用FIFO_buffer進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行二進(jìn)制處理，再對該數(shù)據(jù)進(jìn)行十進(jìn)制處理，然后在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示.

5 系統(tǒng)調(diào)試

對硬件進(jìn)行調(diào)試的內(nèi)容有：對各個(gè)器件是否正常工作進(jìn)行調(diào)整，分析線路中是否存在短路、斷路的情況并及時(shí)處置.處置的過程為：首先檢查系統(tǒng)的所有元器件是否正常；然后對線路進(jìn)行檢查，查看其是否正確連接，同時(shí)還需要對是否存在短路等問題進(jìn)行檢查；最后使用萬用表對其電源電壓進(jìn)行檢測，查看其是否處于正常狀態(tài).

系統(tǒng)調(diào)試的內(nèi)容有：首先，對無線收發(fā)模塊TRF6900A進(jìn)行檢查，查看其是否處于正常工作狀態(tài)，此時(shí)需要配置TRF6900A的寄存器，在TRF6900A中寫入配置字，用其讀取，然后對寫進(jìn)值和讀出值進(jìn)行對比，從而明確其是否處于配置成功狀態(tài)；其次，對分機(jī)、主機(jī)的無線收發(fā)模塊RF寄存器配置情況進(jìn)行檢查；接下來，給分機(jī)發(fā)送0～255碼字，然后讓主機(jī)進(jìn)行接收，碼字被主機(jī)接收后，再被發(fā)送給串口；最終數(shù)據(jù)的觀察可以利用串口調(diào)試助手完成.但是如果數(shù)據(jù)無法被接收到，就需要對軟件和硬件進(jìn)行檢查，然后再重復(fù)以上步驟，直到找出問題所在.如果可以接收數(shù)據(jù)，并且其數(shù)值符合范圍，那么就可以認(rèn)為分機(jī)和主機(jī)成功通訊.在進(jìn)行編程操作時(shí)，需要對TRF6900A的模式切換時(shí)序給予重視，在編寫時(shí)應(yīng)該以數(shù)據(jù)手冊中的時(shí)序?yàn)榛A(chǔ)，否則可能會影響通訊.

在對主機(jī)和分機(jī)之間的通信進(jìn)行調(diào)試時(shí)，當(dāng)關(guān)閉主機(jī)再打開之后，出現(xiàn)分機(jī)無法和主機(jī)通訊的現(xiàn)象.對其進(jìn)行檢查之后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)關(guān)閉主機(jī)再打開之后，主機(jī)會隨機(jī)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)，因此當(dāng)主機(jī)再次給分機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)就會導(dǎo)致命令出現(xiàn)移位，從而使主機(jī)無法與分機(jī)進(jìn)行通訊.如果想要讓該問題得到改善，就需要在分機(jī)中加一個(gè)定時(shí)中斷.當(dāng)分機(jī)接收到主機(jī)數(shù)據(jù)之后，立刻中斷，可以把中斷時(shí)間設(shè)定為1 s，在1 s之內(nèi)，分機(jī)可以接收完主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù).如果在1 s時(shí)間內(nèi)分機(jī)沒有接收完主機(jī)數(shù)據(jù)，或者接收的是錯誤的主機(jī)數(shù)據(jù)，那么定時(shí)時(shí)間到后，就會對數(shù)據(jù)進(jìn)行清零，從而使其能夠接收下一次的數(shù)據(jù).這樣就可以解決這一現(xiàn)象.

6 無線電信號強(qiáng)度指示(RSSI)定位測試

本系統(tǒng)的定位實(shí)驗(yàn)是基于實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)環(huán)境，參考節(jié)點(diǎn)的4個(gè)編號被指定為1,2,3和4，令其位置對應(yīng)室內(nèi)4個(gè)角落，取其形成的四邊形坐標(biāo)為：(10 m,11 m)，(17 m,20 m)，(10 m,20 m)，(17.5 m,10 m).CC2431節(jié)點(diǎn)(即待定位節(jié)點(diǎn))被放置在選定的4個(gè)節(jié)點(diǎn)中間的某個(gè)位置，考察定位的可靠性.文中只對待定位節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在(11 m,18 m)這個(gè)位置時(shí)的定位評估坐標(biāo)進(jìn)行了羅列，見表2.

表2 定位結(jié)果一覽表Tab.2 List of positioning results m

針對表2，通過估算待定位節(jié)點(diǎn)，可以讓待測節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置得以體現(xiàn)，但是該方法的誤差也是存在的，大約2.3 m.通過分析節(jié)點(diǎn)定位坐標(biāo)，得知待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)有較大的跳動.通過綜合分析可知，產(chǎn)生誤差主要原因?yàn)椋悍且暰鄠鞑ビ绊慠SSI測距，多路徑效應(yīng)影響RSSI測距.此外，室內(nèi)環(huán)境情況也會對其產(chǎn)生影響，比如人員移動等，從而出現(xiàn)估算誤差，有時(shí)產(chǎn)生的誤差可能會超過房間范圍.通常在理想狀態(tài)下，各節(jié)點(diǎn)不存在硬件差異的問題，但由于存在各節(jié)點(diǎn)供電能量的不同和節(jié)點(diǎn)的硬件差別，導(dǎo)致了與待測節(jié)點(diǎn)距離相等時(shí)不同節(jié)點(diǎn)會接收到不同的RSSI值，從而導(dǎo)致估算位置出現(xiàn)的誤差較大.

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)軟件，主要是在軟件層面設(shè)計(jì)了無線數(shù)據(jù)采集電路、無線發(fā)射電路、無線接收電路等.使用ARM/C語言完成了整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試.根據(jù)研究方案，對總流程圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)程序，在完成集成之后對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，從而對其結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.經(jīng)過試驗(yàn)和數(shù)據(jù)的分析，詳細(xì)優(yōu)化了系統(tǒng)的一些不規(guī)范的地方.