劉麗 向鎳鋅

【摘要】隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，在眾多行業(yè)中應(yīng)用日益廣泛，使得人們寄予高度關(guān)注。無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)性能指標(biāo)的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)劣，所以設(shè)計(jì)無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)至關(guān)重要[1]。本文主要介紹一種基于IEEE802.15.4g標(biāo)準(zhǔn)的470MHz無線通信模塊的制作。本文主要針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求低功耗和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膽?yīng)用，解決工業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用有線設(shè)備時(shí)存在的布線困難、監(jiān)測(cè)范圍小、功耗高、無法及時(shí)傳輸信息等問題。

【關(guān)鍵詞】470MHz；功耗；通信模塊

1、引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)及無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，具備以上三種技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)日益引起了人們的高度關(guān)注[2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[3]。無線通信模塊一般被布置在環(huán)境比較惡劣、無人值守區(qū)域，因此無線通信模塊能量受到限制。因此，低功耗成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一。故此，本文提出了以MSP430F5529單片機(jī)和CC1200射頻芯片分別作為處理器模塊和射頻通信模塊，制作470MHz頻段的無線通信模塊。

2、470MHz無線通信節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)

470MHz無線通信模塊的總體設(shè)計(jì)分為硬件總體設(shè)計(jì)和軟件總體設(shè)計(jì)，其中硬件設(shè)計(jì)方案為本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)象。硬件設(shè)計(jì)方案中重點(diǎn)設(shè)計(jì)470MHz頻段無線射頻模塊。470MHz無線通信模塊的總體設(shè)計(jì)中的軟件設(shè)計(jì)方案是對(duì)470MHz頻段無線射頻模塊底層驅(qū)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。470MHz無線通信節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)方案和實(shí)際模塊，如下圖1，圖2。

圖1 470MHz無線通信節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)方案

圖2 470MHz無線通信節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

2.1470MHz無線通信節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

為解決現(xiàn)有通信模塊技術(shù)中存在的問題，本文提供一種支持IEEE802.15.4g標(biāo)準(zhǔn)的470MHz無線通信模塊。本文主要介紹470MHz無線通信模塊的硬件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)總體分為微控制器電路設(shè)計(jì)、無線射頻電路設(shè)計(jì)、接口調(diào)試電路設(shè)計(jì)以及供電電路設(shè)計(jì)。

2.1.1微控制器電路和接口調(diào)試電路的設(shè)計(jì)

微控制器電路選用了TI公司生產(chǎn)的MSP430F5529芯片，該芯片是16位超低功耗微處理器，最高工作頻率為25MHz，內(nèi)置128K字節(jié)的閃存，同時(shí)還具有非常豐富的外設(shè)接口等。微控制器電路設(shè)計(jì)部分，包含外接接口電路設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)和晶振電路設(shè)計(jì)。微控制器和接口電路，如圖3。晶振電路采用的是一個(gè)為32.768KHz的外部低速時(shí)鐘源，另一個(gè)為16MHz的高速外部時(shí)鐘源來穩(wěn)定系統(tǒng)時(shí)鐘[4]。MSP430F5529的啟動(dòng)方式為上電復(fù)位。主控電路模塊和射頻電路模塊的通信方式是通過SPI來進(jìn)行的。接口調(diào)試電路設(shè)計(jì)采用一個(gè)JTAG接口。JTAG接口可對(duì)DSP芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行編程。

圖3 470MHz無線通信節(jié)點(diǎn)微控制器和接口電路

2.1.2射頻電路的設(shè)計(jì)

射頻模塊芯片選用采用TI公司的CC1200無線射頻收發(fā)芯片，CC1200 器件是一款全集成單芯片射頻收發(fā)器，高性能低功耗芯片，此器件設(shè)計(jì)用于在成本有效無線系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)極低功耗和低壓運(yùn)行的高性能。射頻電路的設(shè)計(jì)是470MHz無線通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的核心。射頻電路設(shè)計(jì)需要注意的是巴倫電路的設(shè)計(jì)、微帶傳輸線的設(shè)計(jì)和射頻電路的設(shè)計(jì)[5]。射頻電路設(shè)計(jì)，如圖4。

2.1.3供電電路設(shè)計(jì)

下面接收供電電路設(shè)計(jì)，電源模塊采用普通的可充電的鋰電池。輸入電壓通過AMS1117穩(wěn)壓芯片將電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓，為整個(gè)電路提供穩(wěn)定的電源；當(dāng)電池電量達(dá)不到最低電量要求時(shí)，可以通過5V電源接口對(duì)電池充電，充電芯片采用的是MCP738332[6]。供電部分電路設(shè)計(jì)，如圖5。

2.2470MHz無線通信模塊的軟件設(shè)計(jì)

本章只是大體說下無線通信模塊的軟件設(shè)計(jì)，不做具體介紹。首先進(jìn)行串口通信設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)直觀顯示出數(shù)據(jù)采用串口通信方式。首先進(jìn)行串口初始化通信設(shè)計(jì)。初始化完成后可通過串口給節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令來控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。還有射頻模塊主程序設(shè)計(jì)先要配置射頻寄存器參數(shù)本設(shè)計(jì)可以通過配置射頻寄存器參數(shù)來選擇信道，中心頻率，發(fā)射功率，傳輸速率等系統(tǒng)參數(shù)。在設(shè)置發(fā)送命令給射頻芯片，微控制器芯片將發(fā)送命令通過SPI傳輸給射頻芯片可以改變射頻芯片的工作模式。射頻可以通過一些配置來控制射頻芯片工作機(jī)制的設(shè)置，例如中斷設(shè)置，模式設(shè)置，數(shù)據(jù)包處理設(shè)置等。

圖4 470MHz無線通信節(jié)點(diǎn)射頻電路設(shè)計(jì)

圖5 470MHz無線通信節(jié)點(diǎn)供電電路設(shè)計(jì)

3、實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15629.15-2010《信息技術(shù)系統(tǒng)間遠(yuǎn)程通信和信息交換局域網(wǎng)和城域網(wǎng)》中針對(duì)470MHz測(cè)試的性能指標(biāo)要求，提出470MHz無線射頻模塊射頻性能總體測(cè)試方案，包括發(fā)射功率測(cè)試、通信距離測(cè)試。

3.1發(fā)射功率測(cè)試結(jié)果

將模塊通過連接線連接到設(shè)置好的頻譜分析儀（N9010A）上，讀取數(shù)據(jù)并截圖，如下圖

圖6 模塊功率測(cè)試

由上圖可知，模塊的最大發(fā)射功率為14.61dBm，并且基本沒有帶外雜散輻射，符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.2、通信距離測(cè)試結(jié)果

抽取兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別下載發(fā)送和接收程序，兩個(gè)模塊進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測(cè)試（兩點(diǎn)距離為1.2公里處），通過串口助手將數(shù)據(jù)打印出來并分析，結(jié)果如下表

表2 實(shí)際通信距離測(cè)試

4、結(jié)論

本文根據(jù)無線傳輸原理、無線射頻電路設(shè)計(jì)技術(shù)及無線傳感網(wǎng)技術(shù)，重點(diǎn)研究巴倫電路設(shè)計(jì)、微帶傳輸線設(shè)計(jì)及PCB設(shè)計(jì)技等關(guān)鍵設(shè)計(jì)電路，完成設(shè)計(jì)470MHz頻段無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，以MSP430F5529單片機(jī)和CC1200射頻芯片分別作為微控制器模塊和射頻通信模塊，設(shè)計(jì)完成模塊，使模塊能夠?qū)崿F(xiàn)通信模塊的通信距離達(dá)到1200m和發(fā)射功率達(dá)到14dBm等方面的一系列技術(shù)指標(biāo)。

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