无线传感器网络节点数据短距离接收研究介绍详解

　　一、引言
　　无线传感器网络将成百上千的传感器节点布置在一个特定的区域内形成监测网络，这些节点通过特定的协议高效、稳定、正确的组织起来，协同工作完成某项应用任务，达到数据采集、无线通信和信息处理的能力。无线传感器网络节点可以实时传送监测数据，具有快速构建、部署方便的特点，不易受到目标环境的限制，因此在环境监测、城市交通管理、医疗监护、仓储管理、汽车电子等领域有较好的应用。
　　在 无线传感器网络 中的节点通常是一个微型的嵌入式系统，对采集数据、接收数据、处理数据、发送数据等的功能要求各有兼顾，其处理能力、存储能力和通信能力都是对采集的数据进行管理和协同工作，因此传感器网络节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点。本文主要是对无线传感器网络节点数据的短距离接收进行设计探讨。
　　二、接收节点工作原理
　　无线传感器网络数据接收节点模块主要由接收芯片T5743 和MCU 微处理器PIC18F6620 构成，如图1，发射端采用ATMEL 公司的的T5754 做为数据发射芯片，与接收芯片T5743 相匹配，以一定的发射接收频率和数据传输速率协同工作。接收芯片T5743 通过DATA 串行双向数据线与MCU微处理器PIC18F6620 的I/O 口进行通讯，MCU 微处理器接收数据时，用DATA_CLK 作为同步时钟，微处理器PIC18F6620 向接收芯片T5743 发送指令时依靠特殊时序来达成数据接收和处理。接收过程用软件控制的方式来进行数据传送和实现对接收芯片T5743 的控制，在接收数据之前，微处理器PIC18F6620 通过DATA 线将MUC 内的程序写入接收芯片的配置寄存器里，对接收芯片进行配置，随后等待接收数据;当有数据来时，由接收芯片T5743 的LNA_IN 端接入，经低噪声放大器放大后送入混频器，使其变换成中频;在中频级，经变换的信号在送入解调器之前被放大和滤波。
　　三、接收节点芯片
　　ATMEL的T5743芯片是集成UHF 无线电接收模块，带有PLL 锁相环结构的接收芯片，采用SO20 封装[2]。T5743芯片是为满足低数据率、低成本RF 数据传输系统的要求而开发出来的，其数据传输速度为1～10kB/s，编码方式为曼切斯特或双相位方式，可用于接收频率范围为300MHz～450MHz(433.92MHz 和315MHz)的ASK 数据传输;高灵敏度，全集成VCO，可实现低功耗功能，电源电压4.5V~5.5V;单端RF 输出容易与天线或PCB 版的印制天线相适配;
　　工作温度范围为-40℃～105℃。
　　T5743 芯片带有一双向串行数据接口DATA，通过DATA 芯片可与MCU 进行串行通讯，交换信息。它可以工作在2 种典型频率433.92MHz 和315MHz，由MODE 引脚来选择，置高为433.92MHz，置低为315MHz，接收频率在1kB～10kB 之间可选，由软件设定。设计中由于采用1MHz 中频与前端SAW滤波器相配合实现了高镜像抑制，基于使新型SAW 器件，达到了40dB 抑制，并能用简单的双向数据线实现与微控制器的通信，利用单独引脚经微控制器实现电源管理。
　　T5743 芯片的RF 前端是一个超外差结构，将射频输入信号变换成1MHz IF 信号。RF 前端由低噪声放大器LNA，
　　本地振荡器LO、混频器和RF 放大器组成。LO 是由PLL 锁相环产生的载波频率，供混频器使用。RF 信号经RF 输入脚LNA-IN 输入，在433.92MHz 时输入阻抗为1000Ω/pF，在设计输入网络时首先考虑噪声匹配，适当调整元件值和印制板的分布电感电容与输入端的匹配，达到T5743 在高信噪比时灵敏度最高。这样，从RF 前端来的信号经全集成4 阶IF 滤波器滤波，达到334.92MHz 的应用，中频的中心频率为l MHz。
　　设计中解调器的工作方式由寄存器OPMODE 设置，逻辑“L”设置解调器为FSK 方式;逻辑“H”设置解调器为ASK方式。在ASK 方式使用了自动门限控制电路，它将检测参考电压设置在一个能获得好信噪比的适当值上，这个电路也能有效抑制任何类型的带内噪声信号或竞争发射，如果S/N 超过10dB 即能很好检测出数据信号。在FSK 方式下，如果S/N超过2dB 就能检测出数字信号。
　　解调器的输出信号，经数字滤波器滤波后送到数字信号处理电路，数字滤波器的通带与数据信号的特性相匹配。数字滤波器由1阶高通和3 阶低通滤波器组成。高通滤波器的截止频率fcu _ DF 由公式(1)决定。低通滤波器的截止频率由所选波特率范围(BR-Range)决定，BR-Range 在OPMODE 寄存器中设定，BR-Range 的设置必须与波特率相适应。
　　无线传感器网络接收节点的数字电路和模拟滤波器的全部定时都是来自一个时钟。这一时钟周期TCLK 是从晶体振荡器经分频器得到的，分频次数由MODE 引脚端的逻辑状态控制[3]。晶体振荡器的频率是由RF 输入信号决定的，它也同时决定了本地振荡器的频率(fLO)。T5743 芯片的工作状态是由OPMODE 和LIMIT 的两个15 位RAM 寄存器进行设置的，寄存器可由双向DATA 口编程。如果寄存器内容由于掉电而改变，这一状态由一个称为复位标识(RM)的输出表示出来，在这种情况下的接收电路必须重新编程。在加电复位(POR)后，寄存器被置为默认模式，如果接收机工作默认模式，不需对寄存器编程。同样，如果接收电路不是在复位方式，就会启动相应的OFF 指令编程;如果接收电路处在复位方式，相应的OFF 指令编程不会被启动，在DATA 脚仍呈现复位标志。
　　无线传感器网络接收节点芯片T5743 是一个高度集成的PLL 无线接收模块，能够接收并解调FSK 调制的曼彻斯特编码数据，同时通过一个双向数据口将其发送出去[4]。该无线接收芯片通过一个智能的轮询方式使接收节点在大部分时间处于休眠模式，只有在监测到有效传输时，才会结束休眠模式转换为接收模式，并将数据流传送给控制器。这样，可以最大限度地减少能量消耗。图2 为无线接收节点电路原理图。
　　图2 中接收芯片的T5743 的XTO 是参考晶振的出入端，引脚LNA_IN 提供RF 到LNA 输入，设计采用的接收频率为433.92MHz，所以fXTO=6.76438MHz，将MODE 引脚设置为高电平，数据时钟周期TCLK 为2.0697μs。DATA 引脚接到RB0 引脚，DATA_CLK 引脚接到RB2 引脚，POLLING 引脚接到RC7 引脚，IC_ACTIVE 引脚接到RF1 引脚，至此完成T5743 与MCU 微处理器PIC18F6620 的连接。
　　接收芯片的T5743 的LF 引脚连接一个带宽为100kHz 的无源环路滤波器。LNA_GND 引脚的电感L 为25nH，L 是馈电电感，以建立供电DC 通路。C7 与L 一起形成串联谐振电路。LNA_IN 引脚连接天线，中间部分为T 型匹配网络。
　　五、数据传输误码率测试
　　对无线传感器网络接收节点接收数据有效性的测试，必须通过验证系统的性能进行，在一定距离内进行系统通信测试时，判断数据传输的可靠性和有效性[5]。在对网络接收节点的T5743 芯片完成输入输出波形和电路逻辑的时序检测后，将无线网络接收节点与PC 机相连，改变发射端与接收端之间的距离，测试通讯距离及相应的误码率。设计中将发射端以5kB 的数据速率发送20062120133～20062240266 均匀递增的测试数据，误码测试程序将接收到的数据与自己生成的数据序列(20062120133～20062240266)同步、对比测得误码率。表1 为接收节点的数据误码率测试结果。
　　在通信距离及通信误码率测试过程中，5m～10m 通信距离中外界干扰对系统的影响较小，甚至人为制造的电磁干扰对其通信误码率影响也较小，接收节点能够稳定有效的工作;10m～30m 的通信距离，外界的干扰对系统的影响较大，接收节点通信误码率上升，但仍能满足通讯要求，接收节点工作性能出现间或不稳定;大于30m 以上系统工作不稳定，通信误码率上升很快，接收节点已不能满足通信数据传输要求。
　　六、结论
　　无线传感器网以无线通信技术为基础设计网络接收节点，采用RF 射频接收芯片T5743 无线接收传感器采集的数据，将接收数据经过MCU微处理PIC18F6620 处理，实现无线网络数据传输。本设计实现了对传感器采集数据的无线接收，在短距离无线通信中能够有效、准确的接收数据，减少误码率的发生。