射頻信號功率的檢測已成為無線通信系統中的重要環(huán)節(jié)，目前有4種測量功率的方法：二極管檢測功率法、等效熱功耗檢測法、真有效值/直流(TRMS/DC)轉換檢測功率法和對數放大檢測功率法^[1]。前3種方法分別存在誤差大、操作復雜、受溫度影響大等缺陷；最后一種方法避免了以上缺陷，但只適用于測量正弦信號，ADI推出的AD8362芯片也應用了這種方法，卻能適用任何形式的輸入信號，且大大提高了集成度和檢測精度。然而，AD8362的線性測量范圍較窄，無法滿足大功率信號的檢測。本設計通過CC2430的內部8051單片機與數字衰減器HMC274和AD8362構成閉環(huán)控制的方式，提高了量程范圍，并通過CC2430的射頻收發(fā)功能構成無線網絡節(jié)點，借助ZigBee無線技術和GPRS通信技術實現大范圍的多點功率采集。

1 硬件系統設計

1.1設計方案

        系統框圖如圖1所示，由傳感器節(jié)點、協調器節(jié)點和監(jiān)控上位機三部分構成。傳感器節(jié)點由CC2430作為主控芯片，由AD8362和HMC274構成傳感器探頭。各節(jié)點通過ZigBee協議以多跳路由的方式將各節(jié)點功率值傳輸給協調器節(jié)點，協調器節(jié)點由CC2430、LCD顯示模塊和MC35i短信模塊構成，當收到傳感器節(jié)點采集的數據后，MC35i通過GPRS網絡將數據傳輸給監(jiān)控人員的手機，從而實現了寬量程、大范圍的射頻信號功率采集。

1.2 電源模塊

傳感器節(jié)點采用普通AA干電池供電，采集探頭HMC274和AD8362需要5 V電源，而CC2430需要3.3 V電源，TC35i則需要4.2 V電源，因此必須搭建電壓轉換電路。采用ASM1117將+5 V轉化為+3.3 V，輸出電壓經過電容濾波后提供給CC2430，并采用LM2941穩(wěn)壓芯片實現5 V轉4.2 V的電源模塊設計,轉換電路如圖2所示。

1.3 CC2430主控芯片

        CC2430是Chipcon公司推出的適用于ZigBee無線網絡應用的片上系統。內部集成低功耗8051控制器和符合IEEE802.15.4標準的CC2420RF射頻收發(fā)器。其中，8051控制器具有32/64/128 KB的Flash、8 KB RAM、8路14位模/數轉換器、1個16位定時器和2個8位定時器^[2]。CC2430在傳感器節(jié)點中的作用主要有：(1)接收AD8362的輸出電壓，并將其轉換為功率信號；(2)控制HMC274的衰減值，確保AD8362的輸出電壓在線性范圍內； (3)利用內部射頻收發(fā)器將各節(jié)點功率值通過ZigBee協議組網發(fā)送給協調器節(jié)點。CC2430在協調器節(jié)點中的作用主要有： (1)利用內部射頻收發(fā)器接收各傳感器節(jié)點數據； (2)控制LCD模塊顯示節(jié)點信號功率；(3)控制短信模塊MC35i實現與上位機/手機的通信。

1.4 功率檢測探頭

        功率檢測探頭采用閉環(huán)控制電路，由天線接收到的射頻信號首先通過衰減初值為0 dB的數字衰減器HMC274，再由射頻變壓器將信號轉換為差分輸入到AD8362進行功率檢波，AD8362的輸出電壓經過電位器分壓后輸入CC2430的P0.6口,由CC2430進行內部A/D轉換和線性計算后進行判斷,當CC2430檢測到的電壓超過AD8362的線性輸出上限+10 dBm對應的3.5 V時^[3-4]，則通過P1.0~P1.4口控制HMC274以步進1 dB調節(jié)衰減量，將輸入AD8362的功率控制在它的線性范圍內，從而使量程上限提高31 dB，實現寬量程(-50 dB~+40 dB)檢測。功率檢測探頭的電路如圖3所示。

1.5 MC35i短信模塊

        MC35i是西門子公司的新一代GSM/GPRS雙模模塊，可以工作在900 MHz和1 800 MHz兩個頻段，功耗分別為2 W和1 W,工作電壓為3.3~4.8 V，本設計采用4.2 V供電。它的GPRS模塊永久在線功能提供了很快的數傳速率，體積小，功耗低，能提供數據、語音、短信、傳真功能，廣泛用于遙感測量記錄傳輸、遠程信息處理和電話應用中^[5-6]。本設計中MC35i作為協調器節(jié)點與上位機/手機的通信模塊，外圍電路如圖4所示， 其中CC2430的I/O口需要通過高壓驅動器7407實現對MC35i的驅動。

2 軟件系統設計

2.1 協調器節(jié)點軟件設計

        本設計以IAR Embedded Workbench為開發(fā)環(huán)境，以C語言為編程語言，采用移植性和可讀性較好的Z-Stack開源程序為模板，改變其中的APP程序建立項目。在整個網絡中，協調器節(jié)點用于接收傳感器節(jié)點采集的數據，并進行顯示和發(fā)送。上電后，協調器節(jié)點首先進行ZigBee協議初始化、信道掃描并建立網絡。網絡形成后，進入允許綁定模式，響應傳感器節(jié)點的綁定請求^[7-8]。綁定成功后，等待傳感器節(jié)點發(fā)送數據，當接收到相應數據后，初始化MC35i模塊，建立GPRS連接，向上位機/手機發(fā)送節(jié)點數據。

2.2 傳感器節(jié)點軟件設計

　　傳感器節(jié)點負責檢測射頻信號強度，并進行數據處理及與協調器的通信。軟件部分主要包括數據采集程序和網絡通信程序。在網絡通信部分，傳感器節(jié)點能自動加入網絡并發(fā)送綁定請求，等待綁定成功后定時將采集數據發(fā)送給協調器。如果綁定失敗，傳感器節(jié)點將自動移除綁定^[8]。在數據采集部分，為拓寬AD8362量程，采用閉環(huán)控制思路，主要包括電平數據采集、數據處理、衰減器控制量的調整和存儲，流程圖如圖5所示。

2.3短信模塊軟件設計

        CC2430通過串口發(fā)送AT指令對MC35i進行控制，并與GPRS網絡引擎進行相互通信、交換數據^[5]。本設計采用PDU模式將協調器節(jié)點收集到的數據以短信的形式發(fā)送到檢測人員的手機，發(fā)送流程如圖6所示。協調器采集完畢后，如需向檢測人員發(fā)送節(jié)點數據，則啟動MC35i，將數據分組PDU打包后發(fā)送^[9]。當存在一個或一個以上傳感器節(jié)點檢測到的功率值超過-50 dB~+40 dB量程范圍，且在系統設定時間內報警沒有排除時，發(fā)送報警短信。

3 實驗結果分析

        為了檢測探頭是否達到寬量程的標準，對功率采集探頭進行了單獨測試。記錄功率真值及其對應的AD8362輸出電平,將測試得到的100組數據錄入到Origin7.5的表格中并進行擬合,得到滿量程輸出曲線如圖7所示。當射頻信號功率大于10 dB時，CC2430控制HMC274的衰減量，輸入到AD8362的射頻信號減小到10 dB以下，對應輸出電壓趨近于臨近3.5 V的一條直線，此時的射頻功率值為CC2430的P1口控制的衰減值與AD8362輸出電平對應的功率值之和。

        為了驗證系統工作性能，將調試好的裝置進行了實際測試，在室溫(20℃)下，對5臺ZY12RFSys32BB1射頻訓練儀產生的2.4 GHz射頻信號的功率值進行了采集。將檢測功率與實際功率進行了對比，結果如表1所示?？梢娬麄€系統測量誤差可以控制在0.5%以內,工作穩(wěn)定，通信效果理想。

        本文采用ZigBee無線技術與GPRS通信技術相結合，設計了一款測量量程寬、測量范圍廣的WSN多點射頻功率檢測系統。以CC2430作為核心控制和射頻收發(fā)設備，采用閉環(huán)控制采集探頭，實現-50 dB~+40 dB量程范圍的功率檢測。經過實驗檢測，系統誤差在0.5%以內，通信效果理想，實現了預期的寬量程和寬范圍檢測。

參考文獻

[1] 王化祥，張淑英.傳感器原理及應用[M].天津：天津大學出版社，2007.

[2] 寧炳武，劉軍民.基于CC2430的ZigBee網絡節(jié)點設計[J].電子技術應用，2008，34(3)：95-99.

[3] 徐君，王雪梅.基于AVR 的機載應答機射頻功率探測模塊設計[J].測控技術，2011,30(12):1-3.

[4] 周平,胡永紅.基于ATmega1280接收機功率檢測控制器的設計與實現[J].計算機測量與控制,2008,16(10):1436-1438.

[5] 宋含,陳真誠.基于MC35I無線數據傳輸的動態(tài)心電Holter設計[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2008,29(12):19-21.

[6] 宋超,李欣,董靜薇. 基于TC35i和MSP430F149的無線數據采集系統[J]. 哈爾濱理工大學學報,2007,12(2):103-106.

[7] 趙養(yǎng)社.基于無線傳感器網絡和GPRS網的灌溉系統研究[J]. 安徽農業(yè)科學,2011,39(7):4203-4205.

[8] 司榮超.基于ZigBee技術的嵌入式無線通信節(jié)點的設計與實現[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2011.

[9] 裴素萍，吳必瑞. 基于物聯網的土壤含水率監(jiān)測及灌溉系統[J].農機化研究，2013(7):106-109.