433 MHz物聯網開發平臺的設計與開發
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2 系統硬件設計
2．1 傳感器節點
2．1．1 數據采集單元
數據采集單元傳感器分別選用的是SHT75溫濕度傳感器、MS5100煙霧傳感器和光敏電阻。
SHT75溫濕度傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A／D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現無縫連接。該傳感器具有超快響應、抗十擾能力強、性價比高等優點。
與傳輸模塊的連接是通過發送模塊芯片的兩個I／O口，分別與傳感器SHT75的SCK、DATA兩引腳相連，來實現數據的交互，VDD與3．3 V電壓相連。為避免信號沖突，微處理器應驅動DATA在低電平，所以還必須在I／O電路中DATA引腳上加上一個上拉電阻將信號提拉至高電平，用一個10 kΩ的電阻接至3．3 V電壓。
MS5100煙霧傳感器具有小體積、高感應靈敏度、良好的穩定性、快速的相應時間，且對煙霧、碳氫化合物和氧化物有著較高的靈敏度。測量原理如下：當測到外部的煙霧時，傳感器的電阻Rs會發生變化。
在本實驗平臺中，采樣電阻RL采用100 Ω的電阻，由于傳感器輸出的電壓可能超過數據發送芯片能檢測的電壓最大值，因此必須在傳感器數據輸出端加上一組分壓電路，使傳感器輸出滿足傳輸芯片檢測條件。
光敏電阻通過與1個20 kΩ的定值電阻組成分壓橋，可對光照強度進行簡單的測量。
2．1．2 供電系統單元
供電系統單元主要是由3節干電池串聯進行供電。3節干電池串聯得到的4．5 V 工作電壓能滿足傳感器的正常工作，經LM1117電源轉換芯片后得到3．3 V 芯片工作電壓，供整個數據發送模塊正常工作。同時也可以使用外接5 V電源對整個系統進行供電。
2．2 數據收發模塊
2．2．1 CC1110芯片概述
CC1110芯片延用了TI公司ZigBee無線(定位)芯片CC2430／CC2431架構。它結合一個高性能433 MHz、868／915 MHz射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的8051控制器；具有32 KB可編程閃存、4 KB的RAM、模擬／數字轉換器(ADC)、定時器(Timer)、AES128協同處理器、看門狗定時器(Watchdog Timer)、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I／O引腳。
CC1110的RF射頻收發器集成了一個高度可配置的調制解調器。這個調制解調器支持不同的調制格式，其數據傳輸率可達500 kbps。通過開啟集成在調制解調器上的前向誤差校正選項，能使性能得到提升。CC1110為數據包處理、數據緩沖、突發數據傳輸、清晰信道評估、連接質量指示和電磁波激發提供廣泛的硬件支持。
CC1110芯片工作時的電流損耗為16 mA和18 mA，速率為1．2 kbps；CC1110在接收和發射模式下，電流損耗分別低于16．2 mA或16 mA；速率為2．4 kbps。CC1110的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。
2．2．2 無線收發模塊
數據發送接收部分主要利用433 MHz的單端天線，配合CC1110芯片中的TX／RX開關引腳來控制選通發送信道或者接收信道。CC1110內部的T／R交換電路完成LNA和PA之間的交換。信號輸出經過一個非平衡變換器，因為連接非平衡變換器可以使天線性能更好。非平衡變送器由兩個電容與兩個電感組成的電路將信號轉換成單端RF信號，與阻抗為50 Ω的天線適配。這樣住理論上使信號在傳輸中間沒有反射發生，達到天線的信號最大功率。
CC1110低中頻信號接收是它的特性，CC1110將收到的RF信號通過低噪聲放大器LNA放大，并且將收到的同相信號和正交相位信號(I／Q)降頻轉換為中頻(IF)信號。過濾殘余在中頻(2 MHz)信號中的I／Q信號后，放大中頻信號。在中頻信號中，自動增益控制以及精細信道的過濾、解調字節和包同步等都通過數字邏輯完成。CC1110的發射端基于RF頻率直接合成，頻率合成器包括一套完整的片上電感器、電容器(LC)、電壓控制振蕩器(VCO)和一個90°移相器，用來產生同相信號、正交相位信號(I／Q)和本地振蕩器(LO)信號給接收端的降頻合成器，最后信號經放大后送至天線發送出去。
2．3 網絡適配器模塊
網絡適配器在網絡中主要起到數據接收的作用，將節點上發的數據統一上傳給網關。
本平臺中網絡適配器也可直接與電腦連接，完成網關的響應功能，實現對無線數據包的接收、分析與處理，并將處理后的數據通過USB接口上傳給上位機，進行數據的實時觀測；也可以使用上位機軟件實時下發數據，并通過USB接口傳送給發送端，實現對數據的無線傳輸。
2．4 無線網關
無線網關主要由控制電路與接口電路構成，如圖3所示。控制電路由處理器單元(AT91R40008)、以太網控制單元(AX88796)、存儲器單元構成。接口電路由無線模塊通信接口、以太網接口、串行接口組成。本文引用地址：http://www.104case.com/article/160077.htm
2．4．1 處理器單元
網關處理器選用Atmel公司的AT91R40008芯片。AT91R40008是基于ARM7的高性能處理器，運行速度可達74 MIPS，硬件資源豐富。AT91R4 0008的電壓等級為：I／O口工作電壓為3．3 V，內核(ARM7TDMI、片內SRAM及片內外圍)工作電壓為1．8V。
2．4．2 以太網控制單元
以太網網卡芯片采用臺灣Asix公司AX88796芯片，包括MAC控制器和物理層接口兩部分，AX88796芯片依照IEEE802．3以太網標準，負責處理有關以太網數據幀的接收和發送，包括沖突檢測、幀頭的產生和檢測、CRC校驗碼的生成和校驗。
2．4．3 存儲器單元
Flash存儲電路用于存放啟動代碼及應用程序，采用美國SST公司的SST39VF160芯片，存儲容量是1M×1 6位。微處理器通過片選NCS0以及NWR、NRD讀寫控制引腳對它進行存取控制。
3 軟件設計
本實驗平臺采用自定義的一種星形網絡結構。軟件設計主要由以下幾個部分構成：無線網絡協議程序、A／D轉換程序、外部中斷程序。無線網絡協議程序主要包括無線協議的相關部分初始化處理和對傳感器相關信息的處理；A／D轉換程序主要是對傳感器采集到的數據進行數
據轉換處理；外部中斷程序主要是用于喚醒休眠的CC1110模塊。本平臺網絡組網方式：
①無線數據模塊上電之前首先要配置其數據發送地址。將數據發送的目的地址寫成除0x00和0xFF之外的固定地址，本例中設置為0x11。
②將數據接收模塊的網絡地址配置成無線節點的目的地址0x11，網絡協調器模塊可通過USB接口直接連接到上位機上。
③為無線設備上電，各個無線節點模塊按照載波監聽(CSMA)控制策略，隨機發送數據包。如果發送之前監聽到信道中有其他數據包，等待一個隨機時間后再次發送。
④數據接收端接到數據包后對數據進行處理，并通過USB接口將數據傳輸到上位機上進行顯示。
無線網絡協議程序發送流程如圖4所示。
經過實際測試，在空曠可視條件下，通信距離可達80m，RSSI值為-100 dBm，系統組網工作穩定，數據包丟包率為1％，設計符合要求。
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