多无线模块（精选7篇）
多无线模块 篇1
0 引言
城市拥堵问题的日益突出为公交发展提供了巨大空间。利用可编程器件设计实现具有多种功能的公交信息提示系统具有重要意义, 本文基于51单片机, 模拟了一种简单的智能公交系统, 为实际的城市公交信息平台建设提供一些思路。
1 总体设计方案
公交模拟报站系统由单片机主控模块、无线数传模块、液晶显示模块、电源供电模块等部分组成。
系统结构[1]如图1所示:整个系统都以单片机STC89C52RC作为系统的主控芯片, 由电源供电模块供电;模拟小车部分以自动循迹小车为载体, 使用红外对管检测站台黑线模拟到站, 并通过液晶显示出当前站台, 同时将位置信息发送给主控站台;模拟站台部分使用液晶显示线路上各车的位置, 并通过无线模块进行站台间数据的传递, 以达到每个站台都能准确显示出线路上各辆小车位置的功能。
如图1所示, 硬件整体结构中以圆圈模拟公交路线, 内圈为顺时针行驶线路, 外圈为逆时针行驶线路;实心矩形为线路两侧的站台, 中间的连线作为模拟小车到站的信号检测线;空心矩形为小车, 在路线上行驶。图中直线箭头表示无线模块的数据传输方向, 数据信号先由小车将数据传向主控站台, 再由主控站台处理后传向其他站台。
2 硬件设计
图2为硬件的整体结构图, 整个系统分为三部分:模拟小车, 主控站台和其它站台。整个系统通过多个无线模块[2]数据传输与多个单片机的数据处理, 能准确实现模拟公交报站功能。
2.1 单片机主控模块
采用STC公司的STC89C52[3,4]单片机作为主控制器。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗8位微控制器, 采用外部时钟, 晶振频率可达12MHz, 具有32个通用IO口, 从速度和管脚数量两个角度来看, 可以达到本系统各个部分的要求。
本系统中, 模拟循迹小车部分使用单片机P0.0-P0.3作为红外对管信号接入引脚, P0.4-P0.7作为L298N电机驱动模块的信号给入引脚, 驱动模块中ENA与ENB与高电平短接;P2.0-P2.5与无线模块nRF24L01的6个信号口分别相连, 液晶1602的并行数据口与单片机P1.0-P1.7相连, RS、RW、EN分别连接至P2.6、P2.7、P3.4口, 并且P3.2管脚用于下降沿触发外部中断检测小车到站黑线。模拟站台部分均使用P2.0-P2.5管脚与无线模块nRF24L01的6个信号口分别相连, 液晶1602的并行数据口与单片机P1.0-P1.7相连, RS、RW、EN分别连接至P0.0、P0.1、P0.2。
2.2 无线模块
无线数传模块nRF24L01[5]是工作在2.4GHz到2.5GHz, 有6通道的无线收发集成模块, 具有功耗低、易编程等特点。无线模块nRF24L01工作电压为1.9V~3.6V之间, 需要使用AMS1117-3.3三端稳压芯片提供3.3V的稳压, 供给无线模块进行工作。本系统只使用了无线模块的通道1, 通过对无线模块数据传输特性的灵活应用, 迅速切换接收与发送模式, 实现了整个公交模拟系统的可靠运行, 其他通道也为之后其他功能的拓展提供了方便。
2.3 液晶显示模块
本系统的液晶显示采用M1602模块。该模块有两行、每行16个字符可以用来显示, 。小车液晶第一行显示小车编号“Number:1”, 第二行显示此时站台编号“Position:2” (以X1小车在2号站台为例) 。站台液晶显示第一行为站台编号“Positon:1”, 第二行显示最近的小车编号与最少站台数“Bus2 Distance 1” (以1号站台为例, 假设2号小车距离1站到达) 。
2.4 电源供电模块
根据该系统大部分硬件采用5V供电以及nRF24L01无线模块采用3.3V供电, 所以采用高性能可充电锂电池提供7.4V直流电, 再经三端稳压集成电路LM7805稳压, 形成5V直流电供给单片机。5V直流电经过AMS1117-3.3V三端稳压电路形成稳定的3.3V, 供给nRF24L01模块。
2.5 循迹小车
以STC89C52为主控芯片, 采用4个红外对管集成模块作为黑线探测器, 直线行驶时置于小车前部的4个红外对管中间两个位于黑线上, 左右两个用于检测白色路面, 若以1表示高电平, 0表示低电平, 则直线行驶时四个红外对管传给单片机的四位信号分别为0110。当线路出现拐弯时, 4个红外对管反馈的信号会发生变化, 例如, 若此时路线右拐, 则在小车还未改变直行的方向时, 红外对管传给单片机的信号可能是:0010或者0001。不难知道, 当传输信号为0010时, 小车偏离路线角度并不是很大, 向电机驱动模块L298N送给指令1000, 令右侧轮停止少许, 左侧轮前进, 即可以使小车向右小幅度转弯;当传输信号为0001时, 小车偏离路线角度较大, 可以向电机驱动模块L298N送给指令1001, 令右轮反转, 左轮正转, 实现原地逆时针旋转一定角度, 从而使小车尽快回到黑线位于中间两个红外对管的情况继续行驶。反之同理。
3 系统软件设计
3.1 模拟小车
程序首先初始化无线模块nRF24L01和液晶1602, 并以tx[0]=1标记1号小车, 同理tx[0]=2、tx[0]=3分别标记2号小车和3号小车, 并定义全局变量N记录本辆小车经过站台的位置信息。每辆小车都默认由1号站台出发, , 无论顺时针运行还是逆时针运行, 都以经过1号站台记录此时位置N=0。
由于STC89C52单片机中断数量有限, 所以在程序主循环中运行循迹程序, 当用于检测到站的红外对管检测到站台黑线时, 程序进入中断, 首先在中断子程序中先关闭外部中断, 向L298N电机驱动送给指令0000, 使小车停下。在中断程序中, 使全局变量N=N+1, tx[1]=N, 并且设置无线模块nRF24L01为发送模式, 发送数组tx[]。发送完毕后, 再次打开外部中断, 为小车下一次到站做准备。模拟1号小车程序流程如图3所示。
3.2 主控站台
程序初始化无线模块nRF24L01和液晶1602完成后, 主控站台始终处于等待接收状态。当主控站台数组Rx[]接收到来自小车发出的数组后, 通过读本地Rx[0]的数据, 判断是由第n号小车发来, 并将相应编号的小车的站台位置Rx[1]存放在需要发送给其它站台的数组Tx[]中的Tx[n]的位置上。然后把主控站台的无线模块配置成发送模式, 发送计算获得的数组Tx[], 此时, 已将线路上所有小车的位置信息由主控站台发送给了其他各个站台。
发送小车位置信息完成后, 主控站台单片机对Tx[]数组进行运算。因为主控站台是1号站台, 所有小车通过1号站台时位置信息数据N会被刷新为0, 所以通过D[n]= (4-Tx[n]) %4一个公式, 就可以计算得到再线路上的所有小车离站台剩余的站数D[n], 取所有小车离本站台剩余的站数的最小值并记为min, 并在液晶上显示出这个最小值min与其小车的编号n, 方便人们选择要换乘的公交方向。主控站台程序程流如图4所示。
3.3 其他站台
其他站台程序初始完成后, 无线模块nRF24L01经过配置始终处于等待接收模式。当其他站台无线模块接收到数据后, 单片机判断接收到的数组Rx[]的第一位的字符, 若不为字符‘p’, 则接收到的数组可以判定不是由主控站台传来, 而是由模拟小车传来, 对此次接收到的数据不予处理, 无线模块重新配置成等待接收模式, 等待下一次的数据传输到来。当Rx[]数组第一位为字符‘p’时, 标志着收到的数据是由主控站台传来的小车的位置信息数组, 读取这个数组并对其进行运算。
以2号站台为例, 当接收到数组Rx[]时, 不难发现, 可以分别使用公式D[1]= (5-Rx[1]) %4、D[2]= (5-Rx[2]) %4、D[3]= (Rx[3]+1) %4计算出离本站剩余站数最少的站数min。3号站台与4号站台与2号站台类似, 同样可以统计数据后得到一个可以通过数组中数据算出距离本站最少站数min与小车编号n, 在液晶上显示出最少站数min与小车编号n, 可以方便人们选择要换乘的公交方向。2号站台程序流程如图5所示。
4 结束语
本系统提出的一种多无线模块相互通信构建的公交模拟系统, 对无线模块数据传输灵活使用以及对单片机数组数据进行灵活操作, 使得整个系统能够准确地在每一站台显示出离此站剩余站数最少的公交车编号以及相距站数。该模拟系统的研究和实际应用也将为不断发展的公交系统的报站问题, 提供一种可用的解决方案。
参考文献
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无线数传模块的应用 篇2
目前蓝牙技术、红外技术、无线射频技术被广泛地运用到工业控制领域。蓝牙技术、红外技术虽然传输速度快, 但是只适合于近距离传输, 无线射频传输可以通过控制发射功率的大小来控制传输距离, 因此在工业控制中得到了广泛地应用。
现阶段很多工业控制, 尤其是一对多的控制中, 采用导线控制已经不能满足具有移动特性的设备的需求, 而无线传输具有克服该缺点的特点, 越来越被广泛运用。目前, 市场上有很多无线控制设备的性能越来越好, 功能也越来越强大, 但都有一个共同的特点——采用了公共频段, 在使用的过程中可能导致相互之间的干扰, 而且这些干扰时潜在的、突发的, 可能会对系统运行的造成严重的后果, 并且没有较好的消除该干扰的方法。
本文以无线数传模块TDX1100为例, 介绍了该模块在工业控制中的应用, 并采用自动跳频的方法来避免来自其它系统的同频干扰, 达到了较好的效果。
1 无线数传模块的参数
TDX1100无线数传模块采用高效前向纠错和信道交织编码技术设计、低功耗、小体积、工业级设计、窄带通讯抗干扰能力强, 其工作在433MHz工作频段, 可通过软件修改频点、速率等参数 (1200~19200bps) , 可做透明传输或自组网传输方式[1,2]。
2 系统设计
系统设计方面, 要保证信息的有效传输, 需要考虑以下几点:
传输速度:由于主控中心需要将系统的方案下载到各个被控制的设备, 要保证信息传输速率和有效性。如果系统无线信道环境较差, 传输的误码率较高, 系统则需要能够自动调整传输速率, 用来保证传输的有效性;反之, 则需要自动提高传输速率。在保证信息传输的有效性的前提下, 尽量提高系统的信息传输速率。
工作频点:因为该无线数传模块采用了公共频段, 存在潜在的、不确定系统的干扰。当有其它系统工作频率和该系统工作频段的相同时候, 产生的同频干扰致命, 并有可能导致系统瘫痪, 无法正常工作。因此, 为了避免这种情况的出现, 系统要求能够根据实际工作环境, 自动调整工作频点的功能。
传输有效性:由于TXD1100传输信息是透明的, 为了保证传输信息的正确性, 在传输信息的同时, 要在信息为后添加冗余的校验信息。在接收端如果检验且无法自动纠错出错, 就需要重传。同时要求系统根据当前实际通信环境, 综合考虑信息传输速率和有效性, 自动选择最优的传输数据方案。
通过对系统的综合分析, 系统的控制中心分为以下几个模块:
无线数传模块功能控制模块:该模块主要用于管理无线数传模块的工作频点、波特率、奇偶校验等, 能够自动设别无线模块当前的工作状态, 根据系统工作环境更改无线模块的当前的状态, 完成主控中心和设备之间的同步等。
系统消息传输模块:将发射到的信息按照协议进行封装, 送入发射缓冲区, 并对发射的结果进行逻辑处理;将接收的信号按照协议进行解析后, 并根据接收到的命令进行相关的操作。
串口传输模块:主要接收送无线模块过来的信息, 发射系统信息给无线收发模块。
3 传输参数协议制定
无线传输模块主要完成无线模块的参数设定, 包括接口速率、空中速率、校验位等, 其协议如表1所示。
中心控制系统在以下情况下需要更改系统传输参数: (1) 存在其它设备的同频干扰, 系统需要跳频; (2) 因系统所处无线信道环境差, 导致误码率高, 为了保证传输的有效性, 需要降低传输速率; (3) 系统在启动时需要自动识别无线传输模块的工作状态等。对于更改无线数传模块的工作状态, 首要要发握手信息及F0CC0D, 无线数传模块返回包含了当前工作的系统参数的数据;系统然后再给无线数传模块发送F0AA为帧头, 发射频点、接收频点、以及一些其它的设置参数, 如接口速率等, 系统返回正确的写入信息为F0EE0D;设置完成后, 发送F0330D激活新参数, 系统返回启用新工作参数为F0BB0D, 整个频率调整的过程完成[1]。对于频率的调整过程, 主控中心和终端设备需要有相同的调频方案。
系统传输的数据格式如表2所示。
其中帧头为“%”, 目标地址位16位, 标识位为“M”, 信息位至少1个字节, 最多256个字节, 帧尾为回车符。
不论是设备接收到中心控制系统的消息, 还是中心控制系统接收到终端发射的消息后, 经过判断处理都需要返回对应的消息, 如果接收消息正确, 则返回表3的格式封装消息, 如果接收错误, 在返回表4的格式封装的消息。
4 系统实现
根据无线数传模块TDX1100可以更改频率, 而且其接收和发射频点也可以不同。为了避免干扰以及控制的方便, 根据系统的实际情况, 可以采用相同发射和接收中心频率和“主—被”的工作模式, 即由主控中心主动发射命令到终端, 终端响应主控中心指令。如果主控中心没有发送命令到终端, 终端不会主动发送指令到主控中心, 也就是终端总是被动接收指令, 完全按照主控中心的指令操作。
(1) 主控端程序的开发
主控终端采用RS232接口和无线数传模块相连, 其主要的通信信息由两个主要的部分, 一个用于更改无线数传模块的参数, 另一个用于与终端数据通信。鉴于整个控制系统需要开发的界面比较多, 可以用VB来开发主控中心的软件。
系统启动工作过程如图1所示, 在打开系统软件后, 软件首先要和控制端的无线数传模块握手成功或者通信成功后, 才能进行后继的通信。在实际的操作中, 可以调用上次存储无线数传模块的工作参数, 如果不成功, 则采用循环扫描的方式进行试探性的握手。如果握手成功后, 则采用其工作参数来设置主控软件按RS232的串口工作参数, 在该工作参数的模式下, 修改无线数传模块的工作参数。
如果控制中心需要更改终端的操作方案, 就需要将数据信息下载到终端, 其下载的流程图如图2所示。在下载前, 系统也需要和指定的终端进行握手, 握手成功后, 系统才发送程序信息, 如果程序的比较大, 就需要分多次发送, 直到所有的程序发送完毕为止。
对于系统的实时监控, 其发送的控制数据信息给终端的工作流程与图2一样, 只是每次只发送握手信息, 用与主控中心检查设备是否还在自己监视的范围内。
(2) 终端设备控制系统开发
终端设备也要和无线数传模块相连, 在系统启动时也需要按照如图1的流程完成握手。同时, 如果主控中心的无线收发模块的工作频率和工作方式和终端无线数传模块的工作方式不同步, 将导致整个系统不能工作。因此, 在终端完成和自己的无线收发模块完成握手后, 如果在规定的时间内无法收到主控发射的信息, 则需要自动跳频和更改其工作参数, 直到能够收到主控中心发来的信息。
5 实际开发中注意的问题
对于主控中心控制软件的开发, 接收发射信息的控制方面, 可以采用定时器触发的方式。对于系统设计, 采用“主—被”方式, 也就是终端设备必须在接收系统控制中心发送的消息后, 才给控制中心发送返回的信息, 它不能主动发送信息给主控中心。在进行软件设计时, 为了防止系统发送给终端消息后, 在等待返回消息的时间内, 造成“死机”的假象, 可以采用定时器的设计方法。其通信程序框架结构如下所示:
time Over Flow=1‘判断是否超时End Sub
‘系统发射信息后, 等read Flag为1时, 才解析其操作结果, 如果操作结果不对, 或者等待的时间过长, 也就是time Over Flow为1, read Flag还为0, 则从发上次的消息, 并复位time Over Flow=0, readFlag=0
End Sub
‘负责接收, 接收完成, 将read Flag置为1
End Sub
以上三个定时器的时间设置, 则可以根据实际的传输速率和系统的要求做适当的调整。
6 结束语
对于无线传输模块, 现在集成度越来越高, 性能越来越好, 只要掌握其特点, 就能够将其运用到很多控制系统中。文中讲解了TDX1100无线数传模块的应用, 介绍了自动识别其工作参数的方法, 并给出了防止工频干扰的调频技术, 这种方法在实际的项目中取得了良好的效果。总体来说, 该技术可以扩展到中心控制的很多设配中, 对要求移动的终端控制系统尤其有效。
参考文献
[1]深圳市泰鑫通信技术公司.TDX1100模块设置软件通讯协议 (V1.0) [Z].
无线电能传输发射模块优化设计 篇3
无线电力传输技术主要有三种:电磁感应技术、微波技术、耦合谐振技术。利用电磁感应技术可在近距离传输较大的电能而且效率较高, 但是这种方法的传输距离只在1厘米之内, 极大地限制了其发展。采用微波技术能够实现远距离电能无线传输, 但是这种技术在能量传输过程中, 要求发射器必须对准接收器, 受方向性限制, 且损耗大, 效率低。2007年, MIT的科学家利用耦合谐振技术实现了中等距离的无线电力传输, 使无线电能传输取得了突破性进展[1,2,3,4,5]。
现阶段, 关于耦合谐振无线电力传输的理论和实验研究比较欠缺, 只对耦合式无线电能传输进行了理论与实验分析[6,7,8,9,10], 但是发射模块与接受模块的电路模型至今没有比较完整的理论支撑及系统参数。本文以线圈为发射天线模型, 分析无线电能传输的发射功率源与发射线圈之间的关系, 提出提高发射效率的线圈设计方法, 得到实际线圈与发射功率之间的关系, 为下一步谐振耦合无线能量传输的闭环控制研究提供了借鉴依据。
1 谐振耦合电能无线传输模型
非接触式无线能量传输利用电磁感应原理实现能量传递, 而谐振耦合无线电能传输是非接触式无线能量传输的一种特例, 其特别之处在于:用于谐振耦合能量无线传输的2个线圈发生谐振, 即线圈本身与补偿电容的高频等效电路发生谐振, 而谐振时大部分能量沿谐振路径传递。谐振耦合电能无线传输装置如图1所示, 一个完整的谐振耦合无线电能传输系统, 包括发射电磁的发射回路, 与接受电磁的接收回路, 而本文主要讨论的内容为发射模块。
2 线圈制作
2.1 电感与谐振阻抗的表达式
平面矩形的传输效率较高[11], 本文选择平面正方形圆倒角线圈作为研究对象, 如图2 (a) 单匝矩形线圈的电感为:
μ0为空气的磁导率。
多匝线圈的电感为每匝线圈的自感和匝间互感的总和, 平面螺旋结构如图2 (b) 可以用同心线圈的方式代替, 如图2 (c) 所示, 相邻导线中心之间距离约等于线径w。假定电流所在匝的系数为p+1, 另一任意线圈匝的系数为q+1, 所以第 (p+1) 匝线圈和第 (q+1) 匝线圈直接的互感为:
式 (2) 中:
为线圈自感, p≠q时, L (p+1) (q+1) 为线圈互感。所以N匝线圈的总电感为:
本文采取的是平面正方形倒角线圈, 单匝线圈模型如图2 (d) 所示, 其中边长为2a, 已知为单匝磁通量, B为磁通密度, S为单匝线圈面积, h为倒角边长度, N为匝数, i为电流。没有倒角时:
倒角部分磁通量:
其中B (x, y) 由如图3所示得到。
图3中导线在点B (x, y) 产生的磁通密度为:
由对称原理可得线圈在点B (x, y) 处的磁通密度计算公式:
得出:
用2a-x, 2a-y代换x, y得出B (2a-x, 2a-y) 进而得到Φ和Φ'的表达式。
由公式, 存在倒角电感L0与无倒角的L0’相比在加相等电流i的情况下电感存在关系式:
2.2 发射功率与线圈参数之间的关系
发射级电路主要采用S9014构成的振荡电路与MRF1550构成的功率放大电路组成。振荡电路采用电容反馈式振荡电路, 设其输出阻抗为R0', 已知正方形倒角线圈的谐振负载阻抗:
其中C0为线圈的谐振补偿电容, R为线圈的直流阻抗。在得知振荡电路的输出阻抗与线圈的谐振阻抗的情况下, 可根据ADS软件进行负载匹配设计功率放大电路, 进而得到整体电路, 完成实验目的。
由L4、C6和C9所构成的选频网络的品质因数 (其中R为谐振回路的等效电阻) 远大于1时, 振荡频率:
对于中等距离谐振耦合的无线输电系统, 其最佳自谐振频率一般1~50 MHz, 由公式 (13) 可知:调节L1、C4和C5可得到实验需求的频率。R2和R3与三极管构成非线性限制波形幅值, 故R2和R3采用滑阻, 调节波形。整体电路图如图4所示。
其中功率放大部分L2、L3、C7、C8、R5和C10构成输入级阻抗匹配电路, C9、C13、L6和L7构成与线圈阻抗匹配电路。
3 实验结果
实验测量得线圈的电感值8.3μH, 与理论计算值9.3μH比较, 证明在允许实验误差的条件下, 理论推导值可作为以后实验的参考与指导。
本文采用10 MHz谐振工作频率, 由图5可得在误差允许条件下, 振荡频率为9.993 60 MHz, 空载振荡幅值最大值Vmax为1.2 V的信号源。R2和R3阻值的变化可调节放大管的偏置, 从而改变放大管的工作区域, 最后得到有效值为7.2 V, 输出阻抗为180Ω的振荡电路。对信号源加负载, 得出输出功率与负载值的变化, 测试结果如图6。
MRF1550NT1型N沟道MOSFETS, 其典型工作参数:截止频率175 MHz, 偏压12.5 V, 最大输出功率50 W, 输出功率增益14.5 d B, 效率55%。
为了找到能够在已定工作频段但不具备最佳并联电容的晶体管上设计具有最优性能指标的AB类放大器方法, 利用ADS软件, 应用负载牵引方法, 在不同输出功率、不同负载数据的条件下, 找出已定频率条件下的最优值, 这种方法的优点是灵活性高, 根据计算机仿真找出最佳源阻抗与负载阻抗。在偏置电压VDD=15 V, VGG=2.4 V信号源输入3.8 d Bm (2.4m W) 的工作条件下得出如图7所示的输出史密斯圆图, 在功放输入, 输出分别匹配的情况下取其中较小值。
4 结果及分析
最佳负载阻抗为ZL=0.637+j0.775 (此阻抗为归一化阻抗, 负载阻抗设为50Ω) 。最大功率为41.34 d Bm。根据得出, 最大功率满足实验要求。最佳负载阻抗为ZL=4.112-j2.023 (此阻抗为归一化阻抗, 源阻抗设为180Ω) 。最大功率为42.22 d Bm, 即为16.67 W, 与负载最大功率相比可取其中较小值13.614 W。
5 结束语
基于耦合谐振无线电能传输是近年来研究的热点话题, 本文通过对线圈和功能电路的分析, 设计出工作在10 MHz频率下的发射模块, 通过验证, 在谐振频率下, 根据线圈谐振阻抗可匹配出发射功率为13.614 W的发射电路, 证明了此设计模块可为后期无线电能传输的研究做出理论和实际的借鉴。
摘要：为了解决现有无线电能传输技术传输距离近、效率低等问题, 将谐振耦合技术应用到无线电能传输中。结合现有谐振耦合发射模块设计方法, 将阻抗匹配与天线优化技术应用于发射模块设计中。通过对发射线圈参数的理论分析, 提出了发射线圈优化设计方案。从电路角度给出了前级发射电路与发射线圈之间的关系, 利用ADS软件, 应用负载牵引法设计了满足实验要求的功率放大电路。通过实验仿真得到了功率放大电路输出阻抗与输出功率之间的关系, 结合史密斯圆图找出了最佳功率源阻抗和最佳线圈阻抗, 并给出了阻抗匹配时的最大输出功率, 为无线电能传输技术的继续研究提供一定的依据。
关键词：谐振耦合,无线发射模块,线圈优化,阻抗匹配,发射功率
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无线传感节点信号发送模块设计 篇4
无线传感器网络节点主要负责对周围信息的采集和处理,并发送自己采集的数据给相邻节点或将相邻节点发过来的数据转发给其他相邻节点。所以,信号发送模块在无线传感器网络中具有举足轻重的地位,它设计的好坏直接影响整个无线传感器网络的通信质量。提高信号发送模块的通信能力和降低功耗是传感器节点设计的重点。
2 无线传感器网络概述
2.1 无线传感器网络结构
传感器网络结构如图1所示,传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点。
2.2 传感器节点结构
传感器节点是一个微型的嵌入式系统,它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱,并通过携带能量有限的电池供电。它由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四个部分组成。如图2所示:
3 传感器节点信号发送模块设计
信号发送模块是一种把输入的基带信号调制成高频信号并把已调信号发射出去的电路,它实际上是一个发射机。由信源、调制器、载波振荡器、变频器、激励放大器、输出功率放大器和天线组成。
我们根据信号发送模块的原理,选用具有相同功能或者功能相近的高集成度的芯片。目前,市场上有很多可用于收/发的芯片,它们具有体积小、功耗小、使用方便等优点。比如Chipcon公司生产的CC1000、CC1100、CC2420等。在同类产品中,CC1000是最适合用于设计无线传感器节点信号发送模块的芯片。很多无线传感器网络节点都选用CC1000来开发。在本设计中,我们也选择CC1000。
CC1000体积微小、功能强大,选用很少的器件就能组成信号发送模块的电路。图3所示的电路是利用CC1000设计的无线传感器节点信号发送模块的电路。
CC1000集成了收/发功能,它是通过三串行接口(PDATA、PCLK和PALE)编程来控制发送和接收的,发送部分包括压控振荡器(VCO)、功率放大器(PA)、鉴相器(PD)、低通滤波器(LPF)、分频器等。其工作原理如图4所示:
在没有Ui(t)的情况下,把频率为ωo的输出信号Uo(t)输入到分频器(/N),经分频器变频得到一个频率为ωo/N的Up(t)信号,鉴相器把信号Up(t)和频率为ωr的参考信号Ur(t)进行相位比较,产生一个反映两信号相位差大小的误差电压Ud(t),Ud(t)经过低通滤波器的过滤得到控制电压Uc(t),Uc(t)调整Up(t)的频率向参考信号的频率靠拢,即
调制后Uo(t)的频率是Ur(t)的N倍。当输入Ui(t)时,Ui(t)影响Up(t)从而使Uo(t)的频率发生变化,Uo(t)经功率放大器放大后从天线发射出去。
上述电路中,C210、C211、C213、C214是滤波电容,用来消除电路中的干扰信号;L202是压控振荡器(VCO)电感,决定收发频率的中心频点;C206、L204和C205、L203是发送和接收电路的匹配电路,需要根据不同的PCB板材料调整这些值;C207要将发送信号耦合到天线上,所以它的值与发送信号的频率相关;C208、C209和L205组成的电路是一个简易的滤波器,主要目的是在信号耦合前做最后一次滤波,提高信号发射质量。
4 信号发送模块工作平台
上述的信号发送模块本身也是一个信号接收模块,它通过PCLK、PDATA、PALE三个端口控制收/发。也就是说,它需要一个外部的控制电路来控制收/发,否则不能正常工作。
为了使传感器节点信号发送模块能够正常工作,必须要有一个能对CC1000内部寄存器进行编程、控制信号发送模块收发模式的平台。目前市场上都把无线传感器节点的无线通信模块和处理器模块集成在一起,称为Mote节点。图5所示是专门为上述信号发送模块设计的Mote节点。
图中U2是CC1000,它与其他器件构成上述的信号发送模块。U1是ATmega128单片机,它是处理器模块的核心部件,它通过3个I/O端口对CC1000编程,控制CC1000的收/发,此外它还可以处理传感器节点收集的信息。
U3是AT45DB041B芯片。传感器节点信号发送模块不仅仅是传输本地节点收集的数据,还要对其他节点传送过来的数据进行转发。有时候本地节点要求发送数据,相邻的节点同时也要求转发数据,这样就会造成冲突。为了避免这种冲突,有必要设计一个存储电路。由于单片机内部的存储器存储能力有限,而且很大部分开销在处理运算上,所以要选择外部的存储电路。J2是一个50针的插口,用于Mote节点和传感器板之间的连接。U4是DS2401P芯片,它是一个包含48位随机数的芯片,用于标识节点在网络中的唯一ID;U5是LM4041,用于构成节点电压检测电路。Mote节点的具体电路请查看说明书大图。
5 结束语
本文设计的信号发送模块完全按照无线传感器节点的要求来设计,与市场接轨。用户可以根据不同的要求,通过接口电路连接不同的传感器板,使用方便,是一种实用的信号发送模块。但是该信号发送模块也有不足之处:由于它功耗小,信号强度不够大,导致它的通信距离较短,只有几百米的距离,而且它的抗干扰能力较弱、传输速率较低。进一步提高信号发送模块的传输速率,增强抗干扰能力是现阶段必须解决的问题。
参考文献
[1]孙利民.无线传感器网络[M].北京.清华大学出版社,2005,5
[2]王殊等.无线传感器网络的理论及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007,7.
多无线模块 篇5
近日,冠林公司最新推出了ZigBee无线灯光控制模块系列,该系列产品采用2.4GHz ZigBee无线通讯方式,并支持ZigBee标准智能家居协议,同时适合于任何标准86型开关面板接入,无线控制模块结合传统的开关面板,就可以实现对家中的灯光照明系统、窗帘系统的智能控制,无需改造线路,轻松实现即插即用,灵活适应各类照明布局。
该系列产品还可与冠林TA-BUS灯光控制系统搭配使用,更可用于电视、空调、音响、投影仪等各类电器设备的控制,通过设定场景模式还可以进行各类联动控制和预约定时控制,并可自由定义多达256种情景模式。除了智能灯光控制面板,诸如iPhone、iPad、智能手机等多种移动终端都可以扩展为灯光控制终端,实现远程控制,对家居环境的智能设定皆可轻而易举。
多无线模块 篇6
关键词：非接触,无线通信,CC1101,模块
无线节点通信技术是当前信息技术领域的热点研究方向之一, 它与传感器技术、嵌入式技术、和网络技术一起组成了当今信息化物联网建设的重要部分。一般情况下, 模块作为最底层信息采集和控制节点, 并入上层网络。最常用的无线信息交互系统一般分发射端和接收端两个部分。本设计采用CC1101芯片制作无线通信模块, 信息由单片机进行数据处理, 根据实际场合, 可对节点数据进行监控。
1 系统设计
无线通信模块的设计采用了TI公司的CC1101芯片, 用QLP-20封装, 内部包括标准SPI通信接口、FIFO状态指示、数字和模拟电源、天线接口、晶振等单元。CC1101是一种低成本真正单片的UHF收发器, 为低功耗无线应用而设计。控制器采用SOC型单片机C8051F020。在一个典型系统里, CC1101和一个微控制器及若干被动元件一起使用。CC1101在1.8~3.6V的低电压下工作, 其灵敏度为-110d Bm, 单片机与CC1101通信接口如图1所示。
2 基于CC1101的射频电路设计
对于高频无线信号电路设计, PCB的布局和布线是其中的难点和重点。基于CC1101的无线通信模块设计中, 有很多需要注意的地方。
首先要元件的布局问题, 放置芯片时, 射频电路的输入端和输出端要相互远离, 将模拟信号和数字信号电路分开, 减小信号线路环路面积。电路的滤波网络要就近连接, 以减小辐射和防止外界干扰。
如图2所示的PCB板, 信号走线与PCB板的边距有一定的距离 (2mm左右) , 以免PCB制板时造成断线隐患。信号线尽量避免平行布线, 减少环路电阻。焊接天线的印制板部分不能布地线。
射频电路对于电源噪声相当敏感, 尤其是对毛刺电压和其他高频谐波。为减少电源对电路的干扰, 设计中采用两个解决思路:一是电源采用星形布线法, 让电路板上不同芯片具有公共供电电源点。二是在芯片电源引脚输入端加入旁路电容和去耦电容, 本设计中, 电源电路加入了100u F去耦电容和3个104的旁路电容, 去耦电容能消除相关电路间的耦合效应, 旁路电容主要用于消除混入的高频噪声。
3 软件设计
系统上电后, 首先对CC1100进行正确的参数配置, 如未根据需求配置参数, 模块将工作在默认状态, 无法进行数据的收发。根据CC1100芯片手册, 其内部有40多个控制寄存器。但有14个寄存器需要设置, 包括晶体振荡器模式、状态转换、开启传输模式等, 其余寄存器如无特殊用途, 可保留为默认状态。
配置完成后, 主从模块间可以进行数据的交互。一般情况下, CC1100支持的最大数据包为32字节, 发送完成后, 芯片后返回发送完成中断信号, 可通过查询状态寄存器进行查询。同样, 接收端如果接收到完整数据, 校验无误后, 会触发接收中断标志。当接收端控制器查询到接收标志后, 可打开接收缓存读取芯片内数据, CC1100无线收发主要涉及到如下4个功能函数。
(1) 上电复位模块函数:void POWER_UP_RESET_CC1101 (void) ;
(2) 配置CC1101寄存器函数:void CC1101Write Rf Settings (void) ;
(3) 通信模块发送数据包函数:void CC1101Send Packet (INT8U*tx Buffer, INT8U size) ;
(4) 通信模块读取数据包函数:INT8U CC1101Receive Packet (INT8U*rx Buffer, INT8U*length) ;
4 结语
本文介绍的基于无线模块CC1101在设计中的一些思路, 并对成品进行了测试。可以实现低功耗短距离的无线数据可靠传输, 速度快、成本低、可扩展性强, 电路和协议经过适当改动就可以应用于其他场合, 如多点遥控、数据监控、智能家居等, 因此, 有较大的推广价值和应用前景。
参考文献
[1]李丽军, 王代华, 祖静.基于cc1100的无线数据传输系统设计[J].研究与开发, 2007 (12) :42-44.
[2]胡大可.MSP43O系列Flash型超低功耗16位单片机[M].北京京航空航天大学出版社, 2001.
[3]李娟, 唐小超, 葛立峰.基于CC1101射频技术的室内超声定位系统[J].专题研究, 2009, (6) :1-4.
多无线模块 篇7
在工业测控领域,对远程数据传输有两种方案,利用GPRS技术和短信。GPRS通信基础是以IP包的形式进行数据的传输,当GPRS终端接入GPRS骨干网后,通过UDP、TCP等数据传输协议实现与网络上其它计算机的数据通讯。这种网络结构决定了数据中心计算机必须有固定的IP,要求数据中心用户架设VPN专线或办理一些宽带业务或办理虚拟专线网来获得可以提供给终端的固定IP地址。以上这些都会增加用户运营成本,而利用短信传输方式可以降低用户的运营成本,使用点到点收发设备,对一些实时性要求不是很高,架设网络费用低,数据传输量不大,具有明显的优势。针对上述特征本文设计了一款基于短信传输方式的无线工业模块,给出各电路设计的方案,并对各部分电路进行详细的描述。
1 MC37i模块
MC37i模块是Siemens公司推出的新一代工业级GSM模块,该款模块特点是外形设计精巧、紧凑,功能强大,接口简单,方便用户使用。
模块主要特性与技术指标包括以下几点:1)双频段:为GSM900/l800MHz;2)支持数据、语音、短消息和传真;3)高集成度(32.5×35×3.1mm),重量仅为6g;4)宽范围电源电压:3.0～4.8V;5)RS232选比特率300b/s～230kb/s;6)平均功率消耗:2.3W/900MHz;1.38W/1800MHz;7)温度范围:工作温度-20～+55℃,储存温度-40～+70℃;8)SIM电压:3V/1.8V;9)RF输出接头:U.FL-R-SMT,插头,阻抗50Ω;10)GPRS模式:编码方式(CS1-CS4);11)SMS短信息收发方式PDU和MO/MT文本格式。
MC37i模块有50个引脚,通过一个DF12C连接器引出。这50个引脚可以划分5类-电源、数据输入输出、SIM卡、音频接口和控制。
2 系统整体电路设计
设计的整体结构框图如图1所示,由MC37i模块、电源电路、单片机电路、SIM卡电路等构成。1)上行工作方式:被测信息通过分压接口电路取得分压数值,经过单片机程序AD转换运算、编码,组成短信格式,经MC37i模块发向数据中心;2)下行工作方式:数据中心下发短信,经MC37i模块接收,由单片机程序解码,解析指令,驱动接口,执行相应的动作。完成测控功能。
3 硬件设计
3.1 电源电路
设计的电源输入是12V。由于MC37i模块在发射瞬间最大电流可达2A,电源会产生一些跌落,考虑电源干扰问题,对单片机和模块采用分开供电方式。电源电路示意图如图2所示。
图2电源电路框图(参见下页)
MC37i模块工作电压在3.0～4.8V,对于传统线性稳压器构成的稳压电源很难满足能低压大电流的要求,因此电源电路选用TI公司生产的工业级具有
3A电流输出降压开关型集成稳压电路芯片TPS54331D,该芯片可最大提供达3A的电流,并且外围电路简单,输入电压范围较宽,输出电压范围可调。模块电源电路如图3所示。在制作PCB板图时要注意,对模块供电的电源回路尽可能加宽,以减少电压输出纹波。
MC37i模块在传送数据瞬间,电源会产生一些跌落,如图4所示,△值可达0.3V,因此在给模块供电时,靠近MC37i模块VCC引脚座旁对地并加一些滤波电容,用1000μF电解电容并连在电源与地之间,以减少电压波动。同时,为了减少天线发射时射频对电源的干扰,在靠近MC37i模块的电源旁边对地并接100nF、39pF、22pF、8.2pF电容。
3.2 数据采集电路
数据采集电路主要采集蓄电池电压、太阳能板电压。采集电路如图5所示。VSOLAR接太阳能板电压正极,VBAT接蓄电池电压正极。由于在实际运用中被检测信号电压超过12V,因此通过电阻分压网络对被检测信号进行分压,得电压系数为:ADBAT=30K/(120K+30K)=0.2VBAT(以VBAT为例)。为了保护检测引脚不被损坏,在输入引脚处各加一个3.3V稳压二极管。图中电解电容起到滤波作用,能够滤掉电源线上的微小干扰。
图5数据采集电路
3.3 SIM卡电路
图6 SIM卡电路
SIM卡电路如图6所示。MC37i模块需要外接SIM座。该模块支持1.8V和3V两种SIM卡。与SIM卡接口有8个引脚,包括SIM卡的时钟CLK,数据输入/
输出DIO,复位RST,电源VCC,地GND,插入检测PDN。PDN用于检测SIM座是否放有SIM卡,当SIM插入时,PDN为与GND短接。
3.4 MSP430F135外围电路
单片机外围电路主要由晶振电路、复位电路、编程接口电路和看门狗电路等构成,如图7所示。
本设计使用的MSP430F135单片机属于德州仪器公司的MSP430F13X/14X FLASH系列。该系列是一组超低功耗的微控制器,有多种工作模式,电压范围1.8～3.6V。具有16位RISC结构、16位寄存器和常数寄存器、两个16位定时器(带看门狗功能)、速度极快的8通道12位ADC(带内部参考电压、采样保持和自动扫描功能)、一个内部比较器和一个通用同步/异步发射接收器、48个I/O口(均可独立控制)的微处理器结构。MSP430 FLASH擦写次数高达10万次,抗干扰能力强。
图7单片机外围电路(参见下页)
3.5 MC37i电路
MC37i模块共有50个引脚,模块PCB通过DF12C座与DF12E(3.0)-50DP-0.5V(81)型号连接器连接。模块开机信号通过TS引脚控制,当TS引脚高电平(即在模块IGT低电平)≥100m S即可实现开机;若想关闭模块,当ON/OFF引脚高电平(即在模块IGT低电平)≥10mS可关闭模块,也可通过AT指令关闭模块。SYNC引脚外接输出状态LED指示灯,通过送不同的占空比电平,指示出模块各个工作状态。
图8 MC37i应用电路(参见下页)
4 软件设计
4.1 短信模式
短信息格式有两种,TEXT模式和PDU模式。TEXT模式是基于ASCII码形式字符的一种结构模式,每一条命令很容易读懂,实现起来也十分容易,缺点是不能收发中文短信。PDU模式也是基于十六进制形式字符的,数据和代码都经过编码了,所以无法直接读懂。而PDU模式同时支持中英文两种短信。PDU模式收发短信包括3种编码:7-bit、8-bit和UCS2编码。7-bit编码用于发送普通的ASCII字符,8-bit编码通常用于发送数据信息,UCS2编码用于发送Unicode字符。PDU模式在GSM移动设备中使用最为普遍。
在PDU模式中,当使用7位编码时,最多可发160个字符,使用8位编码时,最多可发140个字符,使用16位编码时,最多可发70个汉字字符。因此在发送时需要将8位(HEX)字节数据编码转成8位(OCT)字节发送,同时,接收时需要将8位(OCT)字节解码成7位(ASCII)字节。例如:要发送数据为“123456789abc”,经过编码后变成“31 D9 8C 56B3 DD 70 B9 B0 78 0C”。设收到的短信息内容为“31 D9 8C 56 B3 DD 70 B9 B0 78 0C”,解码后变为“123456789abc”。具体实现公式可参照《单片机与嵌入式系统应用》2007年第4期《PDU模式的短信息编/解码方法及单片机实现》一文。
4.2 软件流程
系统软件设计的重点在于单片机的编程,包括系统初始化,数据采集,短信编码发送,短信接收解码等功能。单片机与MC37i通信通过向串口写入不同的AT指令集,能够完成多种功能。其主程序流程如图9所示。
4结束语
本电路是实际工程项目中的一部分,在整个电路设计过程中,对电路设计均选择工业级器件,能够适应现场环境要求,同时设备要求安装在野外,整机待机功耗<5mA。作为测控系统一部分,利用本电路可以很好地完成对现场测控设备的数据采集和远程维护工作。
参考文献
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[6]GSM11.11 Vision 6.2.0,1999.5[EB/OL].http://www.ttfn.net....
[7]常君.PDU模式的短信息编/解码方法及单片机实现[J].单片机与嵌入式系统应用[J],2007(4):69-70.