1 引 言
目前，大多采用的是有線多點溫度采集系統(tǒng)，通過安裝溫度節(jié)點來實現(xiàn)對室內(nèi)外溫度監(jiān)控。這種傳統(tǒng)的多點采集系統(tǒng)需要用導(dǎo)線與每個溫度采集節(jié)點連接，其技術(shù)成熟，制作成本相對較低。但是，在許多場合需要將傳感器節(jié)點直接放置在目標(biāo)地點進(jìn)行現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，這就要求傳感器節(jié)點具有無線通信的能力。同時，由于無線傳感器通常使用電池作為能源，所以，它對能耗要求非常高。
針對這些問題，本文提出一個無線傳感器設(shè)計方案，來實現(xiàn)主機(jī)端與傳感器節(jié)點之間的通信，并且通過選用低功耗的芯片和對軟件的低功耗設(shè)計實現(xiàn)了低功耗的目標(biāo)。本文設(shè)計主要是基于433 MHz ISM頻段，無需申請就可以使用。該設(shè)計方案有許多明顯的優(yōu)點：傳輸速度快、距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定；采用低功耗模式，延長電池使用時間；能保證任何時候數(shù)據(jù)不丟失，提高系統(tǒng)的強(qiáng)健度。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
所設(shè)計的無線溫度傳感器主要由以下幾部分組成：溫度測量、發(fā)射部分、接收部分、LCD顯示部分以及操控部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
2.1 溫度測量電路
在溫度測量電路中采用Dallas公司生產(chǎn)的1-Wire總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。溫度測量電路如圖2所示。
DS18B20是3引腳TO-92小體積封裝形式；溫度測量范圍為-55～125℃，可編程為9-12位A／D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.062 5℃，被測溫度以帶符號擴(kuò)展的16位數(shù)字方式串行輸出。
DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和 TL及配置寄存器。ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼，每個DS18B20的64位序列號均不相同。ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS181E0的目的。
DS18B20中的溫度傳感器完成對溫度的測量，用16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式提供，以0.062 5℃／LSB形式表達(dá)。例如+25.062 5℃的數(shù)字輸出為0191H，-25.062 5℃的數(shù)字輸出為FF6FH。
高低溫報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器均由一個字節(jié)的E2PROM組成，使用一個存儲器功能命令可對TH，TL或配置寄存器寫入。其中配置寄存器的格式如下：
R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)：R1R0=“00”，9位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為93.75 ms；R1R0=“01”，10位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為187.5 ms；R1R0=“10”，11位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為375 ms；R1R0；“11”，12位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為750 ms；未編程時默認(rèn)為12位精度。設(shè)計取R1R0=“11”。
2.2 無線收發(fā)電路
2.2.1 IA4421與單片機(jī)的接口
IA4421支持SPI通信協(xié)議，本設(shè)計選擇了美國ATMEL公司出品的高性能單片機(jī)ATmega324p，其內(nèi)置增強(qiáng)型SPI接口，并且有32 kB的FLASH，能夠滿足在系統(tǒng)中的LCD上顯示中文字符。IA4421與單片機(jī)的接口電路示意圖如圖3所示。
ATmega324p內(nèi)置的增強(qiáng)型串行外設(shè)接口SPI提供訪問一個全雙工同步串行總線的能力。SPI所使用的4個信號為MOSI，MISO，SCK和SS。MOSI用于從主器件到從器件的串行數(shù)據(jù)傳輸；MISO用于從器件到主器件的串行數(shù)據(jù)傳輸；SCK用于同步主器件和從器件之間在MOSI和MISO線上的串行數(shù)據(jù)傳輸。
2.2.2 無線發(fā)送時序
IA4421的發(fā)送方式為發(fā)送寄存器緩沖數(shù)據(jù)傳輸方式，由配置設(shè)置命令的第7位el來使能，圖1可以看出，IA4421共有2個8位的數(shù)據(jù)寄存器，發(fā)送的數(shù)據(jù)首先被鎖存到其中一個數(shù)據(jù)寄存器中，當(dāng)電源管理命令的第5位et被置1，則發(fā)送器開始以設(shè)置的碼率從第一個寄存器向外發(fā)送數(shù)據(jù)。
每次發(fā)送數(shù)據(jù)必須以0xAA作為發(fā)送數(shù)據(jù)的前導(dǎo)碼，否則外部接收裝置無法接收數(shù)據(jù)。若是采用同步模式，則要用0x2DD4作為同步模式的標(biāo)志碼，然后才能開始傳輸數(shù)據(jù)。引腳nIRQ可以用來檢測寄存器是否準(zhǔn)備好從微處理器接收下一個字節(jié)來發(fā)送，若是引腳nIRQ變?yōu)榈碗娖剑瑒t表示寄存器準(zhǔn)備好了。
2.2.3 無線接收時序
IA4421的接收方式有兩種：一種是一直接收；另一種是FIFO模式。前一種方式并不推薦，會引起較高的誤碼率。本設(shè)計采用后一種模式。在相應(yīng)的控制字都設(shè)置好之后，數(shù)據(jù)已進(jìn)入緩沖器中，若引腳nIRQ變成低電平，則表示IA4421準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，這時發(fā)送FIFO讀命令字，開始接收。
2.3 外圍天線設(shè)計
IA4421的支持天線直接驅(qū)動，設(shè)計相當(dāng)簡單方便并且通信距離長。一個50 Ω的外接螺旋天線和對應(yīng)的差分電路就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。本系統(tǒng)設(shè)計的天線是用1.17 cm的單芯銅導(dǎo)線實現(xiàn)，導(dǎo)線的直徑是0.6 mm，用螺絲刀的金屬棒饒制7圈成螺旋狀。經(jīng)過實驗，實際有效的通信距離能達(dá)到200 m左右，滿足了系統(tǒng)需要。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計
單片機(jī)軟件部分主要包括主程序、中斷子程序、測溫子程序、LCD的轉(zhuǎn)換顯示，蜂鳴器報警子程序，按鍵子程序以及SPI子程序等。為了降低功耗，使用中斷來喚醒單片機(jī)進(jìn)行測溫等工作，因此主程序部分比較簡單，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)各部分初始化和中斷的調(diào)用，在系統(tǒng)初始化完成后就直接進(jìn)入睡眠模式，當(dāng)中斷到來時單片機(jī)退出睡眠模式，調(diào)用中斷子程序?qū)崿F(xiàn)測溫、轉(zhuǎn)換顯示、溫度數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ堋纹瑱C(jī)控制程序流程圖如圖4所示。
3.2 IA4421應(yīng)用程序設(shè)計
本系統(tǒng)是基于無線收發(fā)芯片IA4421和單片機(jī)ATmega324p的增強(qiáng)型串行外設(shè)接口SPI來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸，在核心協(xié)議棧上編寫自己的上層應(yīng)用程序。發(fā)送接收數(shù)據(jù)的程序流程圖如圖5所示。
3.3 低功耗設(shè)計
作為無線傳感器，低功耗運行可以最大限度地延長設(shè)備的有效使用時間，本系統(tǒng)是采用電池供電，功耗肯定就是一個不得不考慮的問題。為了獲得最佳性能，設(shè)計時在電源損耗和可用性方面必須根據(jù)情況權(quán)衡使用，除了選用低功耗器件外，還從以下幾個方面設(shè)計電源管理程序以盡量減少無線溫度傳感器的功耗：
(1)由于無線溫度傳感器負(fù)責(zé)向控制終端傳輸數(shù)據(jù)，因此何時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、何時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可以由上位機(jī)的控制終端決定，非常適合使用休眠模式和呼吸模式，通過減少IA4421在微微網(wǎng)中的活動達(dá)到節(jié)電的目的。把控制終端作為主設(shè)備，將電源管理程序設(shè)計在終端的應(yīng)用控制層中，并由控制終端完成設(shè)備的查詢、配對、建鏈等工作，當(dāng)無線傳感器與控制終端配對成功并連接后進(jìn)入休眠模式，此時主從設(shè)備仍然保持著信道，只是不能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，退出休眠模式進(jìn)入呼吸模式，通過呼吸時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，呼吸間隔可設(shè)為20～40 ms，間隔過大會帶來明顯延遲，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后再次進(jìn)入休眠模式，從而盡可能地降低能耗。
(2)應(yīng)用單片機(jī)的睡眠模式達(dá)到節(jié)能目的。當(dāng)IA4421退出待機(jī)狀態(tài)，發(fā)送指令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，IA4421的中斷請求標(biāo)志位nIRQ產(chǎn)生低電平，通過中斷標(biāo)志位上電平的變化產(chǎn)生外部中斷來喚醒單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。
4 結(jié) 語
所設(shè)計的數(shù)字化無線溫度傳感器可應(yīng)用到各種需要無接觸的測溫場合，實現(xiàn)對現(xiàn)場溫度的“先知先覺”。設(shè)計中充分利用各芯片的低功耗特性，有效地延長了電池使用壽命。無線數(shù)據(jù)傳輸方式使用方便靈活。系統(tǒng)完全可以擴(kuò)充為一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形成溫度采集網(wǎng)，以滿足現(xiàn)場控制及測控系統(tǒng)的各種需求，這將是作者下步所研究開發(fā)的課題。