環境監測是指通過對影響環境質量因素的代表值的測定，確定環境質量（或污染程度）及其變化趨勢。隨著科技的不斷進步，特別是計算機技術和網絡技術的不斷發展，環境檢測由經典的化學分析向儀器與計算機和網絡相結合的方式，實現f無線環境的檢測。本文中設計了一個無線環境檢測系統，以MSP430F5438單片機為控制核心，實際制作一個終端和2個節點，終端能從節點獲取節點的環境溫度和光照信息，并且節點能夠實現中繼轉發的功能。整個系統采用OOK調制方式，收發都使用一個天線，終端發射信號時。
將欲傳輸的信息通過串口輸出的電平控制本振的開斷從而實現OOK調制，后級使用丙類功放發射，接收端節點將天線上的信號進行放大，然后倍壓檢波，通過自適應比較器解調出數據，最后再向終端回傳環境信息。
1 總體方案設計
在整個系統的設計過程中，終點和節點都需要一個主控芯片進行處理。主芯片選用MSP430F5438系列單片機。在信號調制方面采用了OOK（On.Off Keying）調制方案。在高頻功放方面，采用了分立元件自制戊類放大器使用NEC公司的產品2SC3355做功放管。最后確定通信協議方案選擇，設計思想足由檢測終端發起一次信息阿步傳輸，所有的節點根據自己的編號在不同的時隙發送信息，中繼節點自行搜索判斷。通過一系列的選擇和設汁，整個系統的結構設計如圖1所示。
圖1 系統整體方案框圖
系統以MSP430F5438單片機作為終端和節點的主控芯片，光照探測由光敏電阻來實現，溫度可由單片機內部自帶的溫度傳感器得到。，數據的調制、接收采用串口通信，使用I／O口來控制天線的收發模式。
2 系統的理論分析與計算
2.1 發射機的電路分析與設計
本地振蕩采用lO.7 M諧振器以及74HC00構成的皮爾斯振蕩器，同時通過門級電路還可以增大對后級丙放的驅動功率，而串121也可以通過與非門來調制信號。
實際測量5圈，直徑為3.4 em的線圈，在lO.7 MHz下測量得到電感量為1.553 uH，Q值為156。在lO.7 MHz時的損耗電阻為：
得到r=0.669，所以在并聯諧振下等效電阻為：
2.2 開關狀態功放輸入輸出匹配
在節點上采用高效率的開關狀態功放，而終端也可以使用戊類放大。設定輸出功率為0.1 w。首先計算C3355的輸出阻抗，假設C3355的輸出功率為0.1 w，根據功放的最佳負載計算得到，我們的電源電壓為Vc=3 V，設Vce=0.1V，輸出功率Po=0.1 w，計算得出最佳輸出電阻為
R=
從C3355的datasheet上則三極管的輸出得到集電極的輸出電容，故假設輸出電容是15 pF，阻抗可等效為一個42Ω的電阻與一個15 pF左右的電容并聯。取集電極饋電線圈的電感為10 uH兼作為輸出的諧振同路，此時所需的諧振電容為22.12 pF，所以還需要在集電極到地接入一個（10～22.12）pF的電容，為了便于調諧，采用了一只5／35pF的可調電容，經過這樣后，三極管輸出為42n的純阻，然后經過一個42 Ω～16.3 kΩ的三階低通濾波器實現阻抗變換，并且使輸出波形平滑（濾掉載波的高次諧波）。
在輸出端接了一個100 nF的隔直電容，這會使得輸出不再是42 Ω的純阻，所以經過PSPICE仿真，進行校準，得到最終的具體參數。
圖2 e3355開關狀態功放
2.3 接收機解調電路分析
由于本系統采用的是OOK凋制，所以采用靈敏度高的倍壓檢波。當終端與節點距離較遠時，為了提高接收靈敏度，所以使用了兩級放大，從而在距離較遠的時候也能正常檢測到信號?？紤]到在近距離時，在天線線圈接收處加上限幅電路。這樣就保證了在近距離和遠距離時都能夠接收到較好的信號。但是實際上由于在很遠的時候接收到的信號還是很小，這樣就導致了隨著距離的遠近需要改變比較器的參考電平，因此采用一個RC積分保持電路，使得能檢測到最大的峰值，這樣就實現了自適應比較，從而在遠距離時串口依然能夠正確識別信號。
為r實現天線的復用，使用一個開關電路來切換收發模式。這個開關電路使用單片機I／O口來控制高速二極管的導通與關斷來實現切換的。
2.4 通信協議分析與設計
通信協議采用的是終端發起同步傳輸，各個節點根據終端的同步信息同步自己的時鐘，然后在自己編號所分配的時隙內依次傳輸。
信息的交換采用幀交換，每個幀由4個字節組成，結構如下圖示。每一次發送或者接收都足以幀為單位。其中數據氳揍的低七位表示0～100 oC的溫度，最高位表示光照的有無，1為有，0為無。
整個通信過程如下圖示，終端不斷發起同步傳輸，每個同步傳輸分為信息同步發送和中繼同步發送2個階段。信息同步發送階段收到終端同步信號的節點在分配給自己的時隙發送數據。中繼同步階段沒有收到終端同步信號的節點收到相鄰節點回復給終端的信息后，在本階段自己的時隙內發送中繼請求，目的ID為監聽到的節點中的任意一個，由選中的節點在下一個信息同步發送階段代替自己發送信息給終端。
圖3數據幀格式
為了克服各個節點定時不夠精確的問題，需在每個幀之間加入保護間隔，在本協議中設計為發送一個字節的時間。
即發送一幀數據需要5個字節的時間。因此可以計算得到滿足要求最低的波特率。按照最壞情況計算，一共需要256×3A“時隙，每個時隙由5個字節之間，每個字節10個位，所以波特率大于：
這里為了留出余量設置為9 600 bps。
3 電路設計與軟件設計
3.1 發射電路分析與設計
在發射電路中（見圖4），我們選用74HC00，可在3 V電壓下工作，74HC（）o實現了lO.7 MHz的載波產生，信號調制，功放驅動為一體。功放的額定輸出功率是0.1 w。
3.2 接收電路設計
接收電路見圖5。接收機的前端采用了限幅電路，一個很小的電容（22 pF）后面接2個方向相反的二極管到地。這樣就保證了在收發天線很近的時候，接收到的電壓被限制在0.25 V。
控制收發的開關電路是有2個反向串聯的1N4148和一個4.7mH電感串聯一個5。6k電阻到單片機的I／O口。
圖4發射電路
圖5接收電路
3.3 工作流程圖
監測終端的軟件重要任務就是發送同步信號，等待探測節點返回的數據。并在液晶上顯示出來。探測節點的任務是定時采集數據，并在收到同步信號或者監測到其它節點的時候發送數據，并在收到中繼請求后提供中繼服務。圖6和圖7便是終端軟件和節點軟件的流程圖。
圖6終端軟件流程
圖7節點軟件流程
4 測試方法與數據
測試條件為：終端供電5 V。室溫為26 qc。下面進行的是終端節點通信距離的測試。
終端、節點放置在同一水平面，在保證兩天線對準的情況下，將距離分別設為1 em，9 cm。將節點A和B分別放在終端兩側，距離為10 cm，測試溫度，光照，編碼預置功能。測試結果如表1（均有預置編碼的功能，探測延遲3 s）。
表1測試記錄
下面進行的是中繼節點轉發測試。
將終端與節點A的距離沒為50 cm，兩者不能正常通信，將節點B插入到兩者中間，測試終端是否能夠正常識別2個節點，然后將A，B 2個節點互換，測試足否能正常識別。測試結果如表2所示。
再次測試最大轉發距離，當A作為轉發節點時，最大轉發距離為66 cm，當B作為轉發節點時，最大轉發距離為80 em。
最后進行的是節點功耗測試。
保持D1+I）2=50 cm。測試轉發節點測試。
實測發現，2個節點都作為中繼的時候，最大的電流時3 mA，平均電流在2.4 mA。
5 測試結果分析
溫度、光照測量：溫度由于采用芯片內集成溫度傳感器，可采用溫度計對溫度準確度進行測試。經過算法補償，在23～40℃的范圍內，溫度準確度在2℃以內。終端與節點的通信距離最遠町達35 cm。節點實現r中繼轉發的功能。節點的電流非常小，在3 mA以內。