射頻信號功率的檢測已成為無線通信系統中的重要環節，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構成閉環控制的方式，提高了量程范圍，并通過CC2430的射頻收發功能構成無線網絡節點，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，由傳感器節點、協調器節點和監控上位機三部分構成。傳感器節點由CC2430作為主控芯片，由AD8362和HMC274構成傳感器探頭。各節點通過ZigBee協議以多跳路由的方式將各節點功率值傳輸給協調器節點，協調器節點由CC2430、LCD顯示模塊和MC35i短信模塊構成，當收到傳感器節點采集的數據后，MC35i通過GPRS網絡將數據傳輸給監控人員的手機，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)利用內部射頻收發器將各節點功率值通過ZigBee協議組網發送給協調器節點。CC2430在協調器節點中的作用主要有： (1)利用內部射頻收發器接收各傳感器節點數據； (2)控制LCD模塊顯示節點信號功率；(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 協調器節點軟件設計

        本設計以IAR Embedded Workbench為開發環境，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，協調器節點用于接收傳感器節點采集的數據，并進行顯示和發送。上電后，協調器節點首先進行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，響應傳感器節點的綁定請求^[7-8]。綁定成功后，等待傳感器節點發送數據，當接收到相應數據后，初始化MC35i模塊，建立GPRS連接，向上位機/手機發送節點數據。

2.2 傳感器節點軟件設計

　　傳感器節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，傳感器節點能自動加入網絡并發送綁定請求，等待綁定成功后定時將采集數據發送給協調器。如果綁定失敗，傳感器節點將自動移除綁定^[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模式將協調器節點收集到的數據以短信的形式發送到檢測人員的手機，發送流程如圖6所示。協調器采集完畢后，如需向檢測人員發送節點數據，則啟動MC35i，將數據分組PDU打包后發送^[9]。當存在一個或一個以上傳感器節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。可見整個系統測量誤差可以控制在0.5%以內,工作穩定，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設備，采用閉環控制采集探頭，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心電Holter設計[J]. 醫療衛生裝備，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測及灌溉系統[J].農機化研究，2013(7):106-109.