摘要： 基于PIC 低功耗单片机与MEMS 加速度传感器， 设计了一种低成本的无线传感器网络节点。该设计采用性价比较高的PIC16 系列单片机，软件模拟PT2262 遥控编码器，配合I2C 接口加速度传感器、微型高频发射器件， 实现了通用MCU 无线传感器的节点方案， 省去了昂贵的专用RF 芯片，降低了系统成本。节点整体采用3.3 V 单节锂电池供电。实验结果表明，该方案具有可靠、灵活、低功耗、低成本的特点，可广泛应用于低速实时测量、监控防盗等场合。
目前有多种可供选择的无线组网方案，如ZigBee，其具有功耗低、传输速率高、体积小、协议成熟、节点能够协同工作等特点。但ZigBee 由于采用国外技术，其芯片价格高，限制了它的普及应用。PT2262/PT2272 系列编解码芯片是一种采用CMOS 工艺、低功耗、低价位芯片，在遥控门、防盗、玩具等产品中大量使用，但其在数据传输、安全性等方面有所不足。本文利用PIC16LF876 单片机模仿PT2262 编码方式，并进行了改进，配合433 MHz 高频发射电路，实现了数据的无线传输组网。传感器选用具有数字I2C 接口的双轴加速度传感器MX6202，可以无线采集加速度、倾斜角数值，具有接口简单、体积小、价格低的优点。无线节点部分均选用低电压器件，实现了单节锂电池供电。特别适合网点数量庞大、对成本敏感(如家居、防盗、物联网等)场合的应用。
1 无线传感器系统设计方案
无线传感器系统包括传感器节点与网关两部分。传感器节点负责实地数据采集， 网关负责接收各节点数据， 汇总处理后经GSM/GPRS 网络通知用户。本文重点介绍传感器节点， 给出了软硬件实现方法。无线传感器系统组成如图1 所示。其中无线传感器节点中的虚线框为扩展部分，F05V 与J05U 为微型433M 发射接收模块;无线网关部分负责汇总节点信息与外界通信， 采用EM310 模块，GSM/GPRS 传输。
图1 低成本无线传感器网络设计框图
传感器网络采用星形连接方式， 由各无线节点与网关组成。在大部分场合下( 如防盗、环境监测等) 可以采用单向通信方式， 即节点发射、网关接收， 这样， 图1 中的虚线部中的节点的超外差接收电路、网关的RF 发射电路即可以省去。当需要实时采集、强调同步性时， 加上虚线框内部分， 由网关集中控制各节点动作， 通过发采集或变更工作模式指令， 控制各节点， 采用双向通信方案。本文介绍的为单向通信方案。
传感器节点是系统的重要部分， 负责现场采集工作，其工作稳定与否对整个系统具有至关重要的作用。而当节点数量较多时，它的成本占系统的绝大部分。有许多节点需要独立在室外工作并由电池供电，对能耗有较高的要求。为此，本设计通过PIC 单片机模拟PT2262 芯片编码， 对433MHz 高频电路完成键控调制(ASK)，省去了无线收发芯片，实现了通用MCU+传感器的节点方案，大大降低了系统成本。采用的PIC 超低功耗MCU， 具有与MSP430 相似的节能特性，选用低电压RF 模块F05V，实现了系统的3.3 V 供电。
2 无线传感器节点设计
2.1 节点硬件电路设计
无线传感器节点是本文的重点部分， 需要满足低成本、低功耗、小体积、适合电池供电等要求。无线节点方案比较如表1 所示。
表1 无线节点方案比较
(1) 本节点设计时所用器件及其性能： 选用的PIC16LF876 单片机， 其性价比较高、外设丰富、工作稳定，具有针对电池供电的低功耗系列;最高速率为4 MIPS ，工作电压为2~5.5 V，22 个I/O 口， 片上集成有WDT、CCP、PWM、A/D 等外设，14 KB Flash，368 bit RAM、256 bitEEPROM， 具有休眠省电模式。PIC16 系列单片机不同型号之间大部分可兼容， 可以根据需要， 选用价格更低的PIC16F72 或采用纳瓦(nW)及超低功耗技术的PIC16F723 ， 程序稍作改动， 器件即可封装兼容。
(2) 加速度传感器选用数字I2C 接口的双轴加速度传感器MXC6202 ， 其具有±2 g 的测量范围， 可以测量重力加速度， 小体积、低功耗、接口简单， 工作电压范围为2.7~3.6 V， 有休眠模式， 在保证低价格、小体积的同时，可以满足防盗、人体姿态测量等应用的需求。
(3)RF 电路采用F05V 微型发射模块， 具有2.1~3.5 V的低电压、低功耗(10 mA，连发)及1~10 kb/s 的传输速率，可以满足监控等场合数据采集的需要。小体积、低价位，只有正电源、地、数据输入、天线(天线按照手册由导线绕制而成)输出4 个接口，可以像一个三极管一样使用它。
(4) 网关配套的接收电路是J05U 超外差接收模块，具有与F05V 类似的特点。使用PT2262/PT2272 编解码方案， 开阔地接收距离在300 m 左右。
(5) 无线节点采用的是电池供电的方式， 因此， 电池的好坏对整个系统的工作持久性有重要影响。本设计采用的是非充电性18650 高容量锂电池， 电压为3.7 V， 容量在1 700 mah 以上， 具有涓流放电、电压恒定等特点。
经肖特基二极管降压后得到约3.3 V 电压为系统供电。
节点的硬件原理图如图2 所示。
图2 无线传感器网络节点原理图
图2 中右上角是PT2262 的管脚图可以看出，PIC16F876 单片机保留了PT2262 的8 bit 地址脚，4 bit 数据脚。这样做是为了增加系统灵活性， 将节点模块从一个网络转移到另一个网络， 只需变更三态编码开关A0~A7 ， 就可将其设置成与欲转入网络网关的地址(6 561种)。4 bit 数据口D1~D4 采用2 bit 拨码开关， 为传感器编号， 这相当于节点在网络内的ID(16 种)。
图2 中右下角为加速度传感器MXC6202 、I2C 接口。
X、Y 轴加速度值各为12 精度。可以看到该传感器接口简单， 没有地址编码脚， 因地址在出厂前已确定， 一路I2C 总线只能有一片MXC6202 。PIC16 单片机集成了一路I2C 接口， 但为了以后扩展多路加速度传感器， 采用软件模拟的办法， 用RC4 、RC5 、RC6 、RC7 4 个I/O 口模拟了两路I2C 接口电路。此外，I2C 接口类传感器还带有温湿度传感器STH1X、双轴磁场传感器MMC212X 等， 只要稍微更改程序， 就可以扩展到本系统上。
2.2 节点软件设计
单片机主要有两个任务： 模拟PT2262 波形对高频电路进行ASK 调制， 模拟I2C 总线读写MXC6202 。
要想让软件模拟一个硬件电路， 必须掌握硬件电路的工作原理：PT2262 是红外遥控编码器，PT2272 是其接收解码器， 两者常常配对使用。发射端PT2262 共有12个地址端， 发射的每一组数据都由12 bit 脉冲组成， 顺序是从A0~A11 ， 每个地址端有三种接法。常见的是用其中8 bit (A0 ~A7) 作为地址编码， 其余4 bit (D1 ~D3) 作为数据编码， 外加1 bit 同步码， 每组至少发送4 次。接收端PT2272 舍弃第一组， 当连续得到两组与本身地址一样的信号时， 则解码。参考文献[1-2] 分别介绍了单片机模仿PT2262 的编码方法和PT2272 的解码方法。
由于需要传输X、Y 两个轴各12 bit 加速度值， 因此， 每帧36 bit 数据， 帧间加1 bit 同步码， 传输4 次。单片机编码方案如图3 所示。必须注意的是， 由于高频发射具有随机性， 在不发射时表现为白噪声， 因此解码时应舍弃第一帧数据， 从第二帧开始解码。
图3 单片机编码方案
传输的数据位格式分为： 高电平(11) 、低电平(00) 、高阻态(01) 三种，0 、1 由高低电平的占空比决定。软件中设200 μs 、600 μs 两个延时函数。单片机调用这两个延时函数， 在RA1 管脚上输出相应的高低电平就能够模拟出这三种状态数值， 从而完成单位数据的ASK 调制。
单片机在发射前首先读入预先设定的A0~A7 8 bit三态地址，D1~D4 4 bit 节点网内ID， 再加上加速度传感器X、Y 轴的各12 bit 加速度值， 共36 bit 数据， 按图3的格式依次发送出去， 就可以进行数据传输了。每帧数据传输4 次， 每帧之间由大约10 ms 的帧间码隔开， 帧间码由一个200 μs 高电平与10 ms 的低电平组成， 发送一次数据的时间约为200 ms ， 这样1 s 内最多可传送5次数据， 在大多数场合是可以满足要求的。为了节省能耗， 可以根据需要选择发射速率， 在不发射时， 应使单片机、F05V、加速度传感器处于休眠状态。处于休眠状态的PIC 单片机可以使用看门狗等方式唤醒。用超外差接收模块J05U 接收， 可以在300 m 的开阔地传输数据。当需要较高的数据传输速率时， 应缩短宽窄脉冲时间长度。但需要注意的是， 当脉冲宽度减少时， 发射功率也同时减少。因距离与速度是矛盾的关系， 当发射功率超过20 Hz 时， 建议使用专用RF 芯片。
MXC6202 在使用中作为从器件，PIC 单片机只要按照标准I2C 时序控制MXC6202 即可。参考文献[3] 介绍了利用单片机的普通I/O 口模拟I2C 总线的方法。
MXC6202 的地址在出厂时已经确定了， 共8 种， 在一路I2C 总线上只能挂一个加速度传感器。当需要两个MXC6202 测三轴加速度时， 需要占两路独立的总线。为此， 根据标准I2C 时序， 模拟了两路I2C 总线， 以两路循环采集。MXC6202 示例驱动程序如下：
IICStart( ) ;// 器件初始化，每次从休眠模式唤醒重新初始化
IICSendByte(0x20) ;// 写器件地址，MEMS 传感器地址出厂时已固定
IICSendByte(0x00) ;//器件内部寄存器地址，只有一个可写寄存器0x00
IICSendByte(0xf0) ;// 最低位写0 ， 睡眠模式唤醒; 写1 ， 进入睡眠模式
Delay_75ms() ; // 睡眠唤醒时， 需要75 ms 的延时//下面是依次接收： X 高、X 低、Y 高、Y 低4 位数值
IICStart( ) ;
IICSendByte(0x20) ; // 写MEMS 传感器
IICSendByte(0x01) ;
IICStart( ) ;
IICSendByte(0x21) ; // 读MEMS 传感器
for(ii=0 ;ii<3 ;ii++)
{
s[ii]=IICReceiveByte() ;
IICAck(0) ;
}
s[3]=IICReceiveByte() ;
IICAck(1) ; //最后一位不应答
IICStop( ) ;
测斜度时， 采用查表与计算相结合的方法( 器件手册中给出了参考方法)。单片机模拟的波形如图4 所示。
图4 (a) 是单片机RA1 口模拟PT2262 发出的一串数列。
图4 (b) 是从MXC6202 器件中读出的一帧数据， 为便于观察， 将两组波形重叠在一起， 高的为总线数据线信号，低的为总线时钟信号。
图4 单片机模拟的波形
3 无线网关设计
无线网关由主控单片机、GSM 模块和超外差接收模块J05U 等组成， 负责传感器网络的管理与控制， 接收节点传来的数据并在必要时通过网络等方式告知用户。网关选用PIC18F6621 单片机，GSM 模块选用的是EM310模块。网关主要部分原理图如图5 所示。
图5 网关主要部分原理图
PIC18F6621 单片机有： 两个串口， 使用串口2 与EM310 通信， 串口1 用于外部接口， 如作为GPRS DTU、连接上位机、串口摄像头等; 传送速率最高为10 MIPS ;4 KB RAM、64 KB Flash ; 内部集成有AD、WDT 等外设。
EM310 的1~6 管脚与SIM 卡电路连接。PIC18F6621有55 个IO 口， 空余的I/O 口可以接1602 液晶进行显示。DS12C887 时钟芯片作为整个无线网络的时基。需要注意的是，EM310 在接通网络的瞬间会产生一个接近2A 的峰值电流， 因此电源部分需有冗余， 因此推荐使用开关电源。
网关的功能主要有三个： 对接收到的节点数据进行解码、判断是哪个节点传来的信号及是否需要报警、控制EM310 向设定手机发送短信及拨打电话等。
解码是编码的逆过程， 关键是将发射节点编码的600 μs 、200 μs 宽窄脉冲正确识别。当单片机侦听到开始码( 即连接J05U 模块的DATA 引脚RD0 产生第一个上升沿)时， 开始分析数据， 舍弃第一帧数据， 对第二帧、第三帧、第四帧进行解码。利用PIC 单片机内部定时器0 计时， 当有电平高低变化时， 记录下TMR0 数值， 并清零， 重新开始计数。这样可以把每一个高低电平宽度记录下来; 然后比较解码，180 μs~250 μs 之间为窄脉冲，550 μs~650 μs 之间为宽脉冲; 并将数据帧中的前8 个数据与EEPROM 中预存的地址码进行比对， 当有两次相同时即表明正确解码， 将节点ID 4 bit 数值，X、Y 轴各12 bit 数据储存起来并进行处理。
EM310 是一款兼容型GSM/GPRS 通信模块， 硬件兼容MC55 ， 广泛用于数据采集、远程测试等; 内嵌TCP/IP协议， 具有低价位、使用方便的特点。选用该模块是为了方便系统GPRS 功能扩展( 如加接串口摄像头实现现场摄像、传输视频等功能)。EM310 进行信号传输时( 尤其是进行GPRS 传输时)， 会产生一个2 A 左右的尖峰电流， 因此网关供电需要采用2 A 以上的电源( 如开关电源等)。EM310 的所有命令、数据传输均通过串口， 支持最高波特率为115 200 b/s ， 数据包包长可以达到2 KB，可以传输图像数据， 便于系统以后扩展图像监控功能。
EM310 与PIC18F6621 之间接口非常简单， 只占用RX、TX、GND 三根线， 采用AT 指令进行通信， 除个别指令外， 每条指令均以回车符作为结束标志。本设计中用到了发送短信与拨打电话功能。发送短信AT 指令为：
at+cmgs="139XXXXXXXX" ， 在EM310 应答后， 发送短信内容， 并以“0x1A” 结束短信内容。拨打电话AT 指令如下：ATD139XXXXXXXX; ， 其中“139XXXXXXXX” 为预先设定的用户手机号码。
本文提出了一种低成本的无线加速度传感器方案，采用通用单片机模仿成熟的编解码方案， 降低了开发难度与风险， 有明显的价格优势， 适合对成本敏感、而对速度要求不高的场合， 如工地器材防盗、智能家居网络等。
节点选用的芯片均为低功耗芯片， 采用大容量锂电池就可以使节点长期工作。I2C 接口的传感器种类有很多， 更换传感器就可以实现磁场强度分布检测、粮食仓库温湿度检测等， 而且PIC 单片机内集成有A/D， 也可以与其他模拟输出的传感器结合， 因此本方案有通用性。使用GPRS 网关可以实现远程监控测试。
