无线环境监测模拟装置 -- 创新杯论文

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1、无线环境监测模拟装置学院：通信与电子工程学院班级：电子071组长：***同组成员：******日期：2010年5月10日11齐齐哈尔大学“创新杯”大学生电子设计竞赛摘要：本作品以AT89C51单片机为核心，利用数字温度传感器以及光敏电阻采集温度和光照信息；通过ASK调制和调谐式解调（ToneDecoder）进行数据通讯，并采用CSMA方式解决了多个节点公用同一信道的问题；采用存储转发机制以及对被转发的数据包赋予生命周期的方法，实现了自动转发功能以及对新节点加入和离开的自动识别。探测节点全部采用通用器件，以60mW左右的平均功耗实现了节点间

2、0.7m以及转发方式下1.4m的通讯距离，在达到指标要求的前提下降低了功耗和成本。关键词：ASK调制，ToneDecoder，CSMA，存储转发；11齐齐哈尔大学“创新杯”大学生电子设计竞赛目录摘要21方案论证与比较41.1调制方案选择：41.2解调方案选择：41.3多点通讯方案选择：42理论分析与参数计算、电路设计52.1收发电路分析52.2通讯协议分析52.3无线收发电路设计62.4传感器电路设计72.5软件设计73统测试与数据分析93.1讯距离测试。93.2络测试。103.3动转发测试。1034系统功耗测试。104总结1111齐齐哈

3、尔大学“创新杯”大学生电子设计竞赛1方案论证与比较1.1调制方案选择：方案1：采用FSK调制，优点是具有较强的抗干扰能力。缺点是解调部分的硬件较为复杂。方案2：采用ASK调制，优点是调制和解调的电路都相对简单，缺点是抗干扰能力较差。通过在干扰较小的频段选择合适的载频，并通过窄带滤波能够消除大部分干扰，所以本作品选择了ASK调制方式。1.2解调方案选择：方案1：对ASK信号放大与窄带滤波后，进行包络检波，再通过门限判决的方法解调。该方案的成本低，缺点是抗干扰能力很差，窄带滤波器容易偏频，难以调试。方案2：对ASK信号放大后，采用调谐式解调器

4、（Tone-Decoder）进行解调，解调器本身是个窄带锁相环，能够省去窄带滤波器，且本身抗干扰能力较强；本作品中采用该方案。1.3多点通讯方案选择：多个节点间共用了同一个通信信道，因此在主机以及多节点之间涉及到信道复用问题。我们对比了以下方案：方案1：采用时间分隔机制的信道复用，如主-从式的轮询点名或令牌环网络。考虑到数据转发功能的实现必然要有多台主机，主-从式网络只允许一台主机显然不合适，而令牌环网络在节点随机离开后也会出现令牌无法传递的问题。并且，当节点编号未知时，依次搜索255个节点耗时很长。方案2：基于碰撞侦测机制的信道复用，如

5、ALOHA、CSMA等方式。优点是网络中每个节点都可以作为主机，随时可以主动发送数据到任何其他节点。缺点是数据包可能因随机碰撞而丢失，且通讯延迟不可预计。但题目中要求511齐齐哈尔大学“创新杯”大学生电子设计竞赛秒较为宽裕，而被传输的信息都是缓变量，允许进行多次重发。其中CSMA方式在发送前进行载波侦听，不会出现ALOHA在信道拥挤时将信道完全阻塞的现象，所以选择了CSMA方式进行信道复用。系统整体框图如图1，每个节点都采用AT89C51单片机对环境参数进行采集和换算。用单片机产生250kHz载波，将串口数据流作为基带信号，用门电路进行调

6、制，再通过丙类放大器谐振放大后发射。线圈接收的信号通过两级三极管放大器进行60dB放大后，送入调谐式解调器进行解调，还原为基带信号，送至单片机串口；完成数据收发。2理论分析与参数计算、电路设计2.1收发电路分析1）载波频率的选择。电磁波能量分为磁场分量与电场分量两部分，线圈（环形天线）对其中的磁场分量敏感而对电场分量不敏感。虽然在理论上振荡频率越高电磁波越容易被发射，但考虑到实际的测试环境中存在各种磁场干扰，例如中波电台500kHz-1.6MHz，短波电台1.8MHz-29.7MHz，占据了题目所限定频率范围的高端，因此我们选择500kH

7、z以下的频率。又考虑到工频设备100Hz磁场以及开关电源的磁场干扰大约数十kHz至100kHz，我们取250kHz的频率作为载波，避开了环境中可能的大部分干扰源。2）发射电路分析。该系统中，信息通过磁场耦合，而线圈发射的磁场强度正比于线圈中的电流。线圈内阻很小，如果直接给线圈施加大电流激励，系统功耗很大且能量几乎全部浪费在限流电阻上。为了以较小的功耗来获得较大的线圈电流，采用谐振式（丙类）放大器。经测量，直径3.5cm，5匝空心线圈的电感量L0为1.87uH，当谐振频率f0=250kHz时，与之并联的谐振电容C0的容量为：C0=1/(2p

8、f0)L0=0.21uF3）接收电路分析。对于接收放大器来说，线圈是一个低阻抗的信号源，不要求放大器具有高输入阻抗。ASK解调对信号失真度要求也不严格，为了降低成本可采用三极管放大器，通过两级