文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)06-0044-03
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近年來(lái)信息科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn),在軍事、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境、家庭和其他商業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用,引起了各國(guó)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛重視[1]。組建一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，首先要求組成的節(jié)點(diǎn)具有低功耗、低成本、體積小、易組網(wǎng)、高安全性等特點(diǎn)[2]。數(shù)傳模塊是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心部分。本文所設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)傳模塊是基于一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目提出的。2.4 GHz ISM(Industry Science Medicine)頻段是全世界公開使用的無(wú)線頻段，開發(fā)的產(chǎn)品具有全球通用性；其整體帶寬優(yōu)于其他ISM頻段，整體數(shù)據(jù)傳輸速率高，允許系統(tǒng)共存；該頻段產(chǎn)品體積相對(duì)較小，傳輸距離較遠(yuǎn)。故本項(xiàng)目采用2.4 GHz頻段進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)項(xiàng)目指標(biāo)，所設(shè)計(jì)數(shù)傳模塊除滿足上述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所必須的特點(diǎn)外，還要求信道數(shù)不少于80，數(shù)傳速率不低于15.625 kb/s，通信距離不小于10 m（加功放后可達(dá)1 000 m）。
1 硬件設(shè)計(jì)
本文選擇AVR系列ATMEGA8L單片機(jī)作為微控制器，選擇基于擴(kuò)頻的CYRF6936作為射頻芯片。CYRF6936是典型的低成本高集成度的2.4 GHz DSSS射頻片上系統(tǒng)（Radio System-On-Chip），具有可配置的雙向（接收或發(fā)送）功能；數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 Mb/s，具有98個(gè)可配置信道；最大發(fā)射功率為4 dBm，有效傳輸距離可達(dá)30 m，可工作在-55 ℃～+125 ℃環(huán)境中；功耗低，待機(jī)電流僅1μA。CYRF6936提供了完整的針對(duì)Wireless USB LP的從串口SPI到射頻發(fā)射的調(diào)制解調(diào)方案[3]。該數(shù)傳模塊框圖如圖1所示。
在硬件實(shí)現(xiàn)上，數(shù)傳模塊工作方式為半雙工，為減小體積，收發(fā)共用天線。ATMEGA8L的PC0～PC5端口作為數(shù)據(jù)采集端口(發(fā)送端時(shí))或信號(hào)輸出端口(接收端時(shí))。采用SPI口(SS、MOSI、MISO、SCK)作為程序下載端口[4]。單片機(jī)和射頻芯片通過(guò)SPI口連接。另外，ATMEGA8L的PD3(INT1)腳連接CYRF6936的IRQ腳，接收射頻中斷信號(hào)。當(dāng)分立元件的平均尺寸大于波長(zhǎng)的十分之一時(shí)，電路理論就不適用了，需要用到傳輸線理論，即在傳輸線上的是分布參量網(wǎng)絡(luò)，在整個(gè)長(zhǎng)度內(nèi)線上的電壓、電流的幅值和相位都可能發(fā)生變化[5]。本系統(tǒng)工作于2.4 GHz頻段，據(jù)上述理論粗略設(shè)計(jì)，射頻部分電容電感均采用0402封裝，微帶線盡可能短（<1 cm）。單片機(jī)ATMEGA8L、射頻芯片CYRF6936、電源芯片XC6209B332的外圍電路分別見其參考設(shè)計(jì)。
2 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)發(fā)射：主要實(shí)現(xiàn)對(duì)6路輸入電平信號(hào)采樣，對(duì)采樣(或輸入)數(shù)據(jù)進(jìn)行BCH編碼，隨后將編碼后的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI口送至CYRF6936的發(fā)射緩存區(qū)(地址0x20)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、擴(kuò)頻（DSSS）、GFSK調(diào)制后發(fā)射出去。在接收狀態(tài)下，系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，CYRF6936對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)、解擴(kuò)等處理后將數(shù)據(jù)通過(guò)SPI口傳給AVR，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行BCH解碼，最后還原成6路電平信號(hào)。
信號(hào)采集：信號(hào)采集單元主要實(shí)現(xiàn)將電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。用ATMEGA8L片內(nèi)集成的ADC對(duì)電平信號(hào)進(jìn)行采樣，其采樣精度為10 bit，ADC參考電壓VREF=3.3 V，理論上采樣電壓范圍為0～3.3 V[6]。流程如圖2所示。
信號(hào)輸出：接收端單片機(jī)通過(guò)PC0～PC5端口輸出處理后的信號(hào)。
增強(qiáng)可靠性的方法：
（1）信道編解碼[7]。本系統(tǒng)支持的數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。
系統(tǒng)采樣精度為10 bit，CYRF6936支持的幀格式中每一路采樣數(shù)據(jù)占2 B（16 bit）。為滿足系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)，且考慮低采樣位權(quán)值小，出現(xiàn)誤碼對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用影響較小的特點(diǎn)，在軟件設(shè)計(jì)中對(duì)每一路采樣數(shù)據(jù)采用（14，8）（僅對(duì)高8位采樣值編碼，最低兩位采樣值不做編碼）循環(huán)碼（BCH碼）。生成多項(xiàng)式為：g(x)=x6+x2+1。
（2）直接序列擴(kuò)頻。直接序列擴(kuò)頻是指直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)射端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜。在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始信號(hào)。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀中幀頭SOP使用偽隨機(jī)碼用于收發(fā)兩端的數(shù)據(jù)連接和識(shí)別。CYRF6936支持的偽碼長(zhǎng)度有32 bit和64 bit兩種，在寄存器FRAMING_CFG_
ADR（地址0x10）中設(shè)定偽隨機(jī)碼位數(shù)，所使用偽噪聲碼在寄存器SOP_CODE_ADR（地址0x22）中設(shè)定。在寄存器DATA32_THOLD_ADR(地址0x11)和DATA64_THOLD_ADR(地址0x12)中分別設(shè)定32 bit、64 bit偽碼相關(guān)閾值，偽噪聲碼具有良好的相關(guān)特性，接收端接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，相關(guān)值大于設(shè)定閾值，認(rèn)為是所需數(shù)據(jù)包進(jìn)行后續(xù)操作，反之認(rèn)為是非所需數(shù)據(jù)包，棄之不理[8]。
CYRF6936支持4種數(shù)據(jù)傳輸模式GFSK、8DR、DDR、SDR。其中，GFSK不采用偽碼擴(kuò)頻，其他3種模式均可采用32 bit偽碼和64 bit偽碼進(jìn)行直擴(kuò)。其數(shù)據(jù)傳輸速率如表1所示。
在寄存器DATA_CODE_ADR（地址0x23）中設(shè)定數(shù)據(jù)擴(kuò)頻所用的偽隨機(jī)碼。采用直擴(kuò)技術(shù)使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的隱蔽性和抗偵察、抗干擾、抗測(cè)向的能力；具有選址能力,易實(shí)現(xiàn)碼分多址；可進(jìn)行高分辨率的測(cè)向、定位[9]。
（3）CRC校驗(yàn)技術(shù)。為了提高無(wú)線信息傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，CYRF6936射頻收發(fā)器芯片將附加CRC16于每一個(gè)數(shù)據(jù)包中。CRC16是一個(gè)16 bit的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC），是使用USB的CRC多項(xiàng)式運(yùn)算所得，可以檢測(cè)所有單位和雙位差錯(cuò)，檢測(cè)率達(dá)所有可能差錯(cuò)的99.998%[1]。
（4）數(shù)據(jù)應(yīng)答與重發(fā)。CYRF6936提供了從基帶到射頻的完整的解決方案，只需要按照芯片固有的格式進(jìn)行設(shè)定，就可以使芯片自動(dòng)完成數(shù)據(jù)打包、成幀、DSSS擴(kuò)頻解擴(kuò)以及GFSK調(diào)制解調(diào)等功能，極大地降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間[8]。為提高系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)中使用數(shù)據(jù)應(yīng)答和數(shù)據(jù)重發(fā)技術(shù)，半雙工工作方式是該技術(shù)的基礎(chǔ)[2]。發(fā)射端發(fā)射數(shù)據(jù)前在寄存器XACT_CFG_
ADR(地址0X0F)中設(shè)定ACK等待時(shí)長(zhǎng)，發(fā)送完數(shù)據(jù)后，打開超時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)同時(shí)轉(zhuǎn)入接收模式，如果超時(shí)時(shí)間到未收到ACK信號(hào)，重發(fā)數(shù)據(jù)。如果設(shè)定時(shí)間內(nèi)收到ACK信號(hào)，則重新開始新的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)序。接收端使能ACK(寄存器0X0F中設(shè)定)，收到合法數(shù)據(jù)后自動(dòng)發(fā)送ACK信號(hào)。流程如圖4所示。
（5）頻率捷變技術(shù)。頻率捷變，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是頻率跳變，它只是在受到干擾時(shí)頻率才發(fā)生改變，這一點(diǎn)與通常講的跳頻通信有本質(zhì)的區(qū)別。CYRF6936提供98個(gè)信道，每個(gè)信道的帶寬為1 MHz，用戶可通過(guò)頻率捷變技術(shù)來(lái)避免強(qiáng)干擾[2-3]。強(qiáng)信號(hào)對(duì)于系統(tǒng)的干擾，不只是對(duì)哪一個(gè)終端進(jìn)行干擾，而是對(duì)系統(tǒng)中所有的終端都會(huì)產(chǎn)生干擾，會(huì)影響所有的通信連接。即系統(tǒng)中所有終端都可以檢測(cè)到這個(gè)干擾的存在，這就為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步跳變提供了可能。首先對(duì)系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)統(tǒng)一的跳頻序列，其次設(shè)定一個(gè)統(tǒng)一的跳頻規(guī)則。如規(guī)定系統(tǒng)每20 ms傳輸一包數(shù)據(jù)，若100 ms內(nèi)無(wú)有效數(shù)據(jù)傳輸，則依跳頻序列跳變一次。本項(xiàng)目根據(jù)應(yīng)用實(shí)際，啟用CYRF6936的載波監(jiān)聽(RSSI)功能[2]。各終端在接收模式下，通過(guò)讀取寄存器RSSI_ADR（地址0X13）的值判斷當(dāng)前信道上無(wú)線信號(hào)的功率密度即干擾強(qiáng)度。其工作時(shí)序?yàn)椋合冗M(jìn)行監(jiān)聽，如果信道有強(qiáng)干擾則依跳頻序列跳轉(zhuǎn)到下一頻道，若無(wú)強(qiáng)干擾，則傳輸數(shù)據(jù)。
3 電路實(shí)現(xiàn)及調(diào)試
該數(shù)傳模塊PCB電路采用4層雙面板布線，其中間兩層接地。主要器件均布于頂層，底層僅布設(shè)部分電容與電感。實(shí)體電路頂層圖如圖5所示。其平面面積為4 cm×2 cm。實(shí)驗(yàn)室調(diào)試連接示意圖如圖6所示。
目前為止系統(tǒng)曾做以下功能測(cè)試：SPI口通信調(diào)試；20 ms精確控制發(fā)射調(diào)試；無(wú)線收發(fā)調(diào)試；采樣發(fā)射和接收輸出PWM信號(hào)調(diào)試；半雙工調(diào)試；串口調(diào)試；編譯碼調(diào)試；頻率捷變調(diào)試；數(shù)據(jù)應(yīng)答與重發(fā)調(diào)試；有效通信距離測(cè)試。經(jīng)調(diào)試系統(tǒng)工作正常。
圖7為發(fā)射單字節(jié)數(shù)據(jù)包頻譜圖，其中心頻率為2.497 GHz，帶寬為1 MHz。圖8為收發(fā)完成中斷信號(hào)圖，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)收發(fā)功能。經(jīng)測(cè)試室外空曠地區(qū)30 m距離內(nèi)可實(shí)現(xiàn)有效通信，且耗電小，工作穩(wěn)定。
基于2.4 GHz無(wú)線傳輸芯片CYRF6936設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸部分，其硬件電路搭建簡(jiǎn)單、體積小、功耗低，軟件采用了易于實(shí)現(xiàn)的抗干擾機(jī)制，實(shí)用性強(qiáng)。設(shè)計(jì)中還有很多不夠完善的地方，有待在后期的實(shí)驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步改善。
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