背景

隨著更經濟實惠、高度集成的單芯片通用ISM頻帶FSK收發(fā)器的出現，加之與嵌入式低成本單片機單片機(MCU)的結合，實施無線傳感應用已成為一種頗具吸引力的選擇方案。

只需將這兩項技術簡單地結合在一起，便可構造非?；镜腎SM頻帶915 MHz射頻(Radio Frequency，RF)網絡，來監(jiān)控各種數字和模擬無線傳感器，例如遠程溫度傳感器和基本運動檢測傳感器。

本文將定義一個基本的RF框架，用以實現對無線傳感器的近實時監(jiān)控。這一框架可輕松修改，以適應其他需要近實時無線監(jiān)控或控制接口的應用系統。

系統說明

RF收發(fā)器簡介

高度集成的RF收發(fā)器(例如RFM生產的用在433、868以及915 MHz ISM頻帶的TRC102)正憑借更經濟實惠的成本優(yōu)勢得到越來越多的應用。這些器件通常具有串行通信接口，可通過SPI或I2C?接口輕松連接到各種嵌入式MCU。

遠程無鑰門禁(Remote Keyless Entry，RKE)系統中常用的一種無線電調制方法是振幅鍵控(Amplitude Shift Keying，ASK)，即通過改變頻率固定的載波的振幅來傳送數據。如果數據的編碼方式為最大振幅表示“1”(傳號)，零振幅(功率放大器[PA]關閉)表示“0”(空號)，則該調制方法稱為開關鍵控(On-Off Keying，OOK)。這些類型的系統常用于單向應用。但是，使用此調制格式可實現非常簡單且成本較低的收發(fā)器設計。

RF收發(fā)器解決方案中通常采用的RF調制方案是使用頻移鍵控(Frequency Shift Keying，FSK)。這是通過在平均頻率(或載波頻率)的任一側對載波頻率進行位移來實現的。載波在載波頻率一側的位移量稱為偏差。相對于ASK調制，FSK調制具有多種優(yōu)勢。振幅調制對振幅和噪聲的變化非常敏感，而采用FSK編碼的傳送方案對信號衰減或其他與振幅相關的干擾的抵御能力更強。

雖然FSK系統的帶寬表面上是從f0– f到f0+ f，但實際上，帶寬的跨度要大于f0– f到f0+ f的范圍，因為兩個頻率之間的轉移速度會產生額外的頻譜分量。簡而言之，可認為FSK調制是可靠性更高、噪聲更少的傳輸方式。為實現成功設計，您需要更深入地了解FSK調制無線鏈路的需求。圖1顯示了此類FSK調制信號的典型頻譜。

圖1：FSK調制信號的典型頻譜

收發(fā)器是既可以發(fā)送又可以接收RF數據的器件?？梢酝瑫r發(fā)送和接收數據的收發(fā)器系統稱為全雙工系統。反過來，在一定時間內只能發(fā)送或接收的系統稱為半雙工系統。因此，半雙工系統只使用一個載波頻率，且兩個終端共享同一頻率。全雙工系統使用兩個載波頻率，分別稱為上行頻率和下行頻率。在本文中，由于遠程傳感器單元的流耗限制，我們采用半雙工方法。

晶振精度

FSK調制收發(fā)器設計所使用的晶振的精度非常重要。我們的專用FSK系統使用百萬分率(parts per million，ppm)值很低的高精度晶振。晶振的精度越高，發(fā)送與接收頻率的偏移越少，偏差和基帶帶寬也就越小。如今，質量較好的晶振的ppm值應小于等于40。晶振的ppm值說明了其精度，ppm值越低，晶振的質量越好。

圖2顯示了晶振精度對兩個收發(fā)器之間的發(fā)送/接收頻率的影響。晶振的精度越高，基帶濾波器的帶寬就可以配置得越窄，因此從接收器基帶中濾除的無用RF噪聲也就越多。

圖2：晶振精度對兩個收發(fā)器之間的發(fā)送/接收頻率的影響

電路布線注意事項

對于任何RF設計，在布置印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)時所選擇的關鍵元件值以及設計做法是否合理，對確保實現良好的總體RF性能都起到至關重要的作用。

強烈建議使用收發(fā)器制造商推薦的PCB布線，因為他們提供的RF設計已經過測試和驗證。從參考晶振位置到FSK收發(fā)器的XTAL輸入引腳的PCB走線應盡可能短。對于TRC102收發(fā)器，從天線輸出端到天線饋線的走線也應盡可能短。

最后，在PCB上布一排過孔使正反兩面可以連接在一起。放置這些過孔的目的是提供牢固的接地連接以及使電位均衡，以免出現任何可能的自激振蕩。兩個過孔的間距應在5-6 mm左右。如果需要提供牢固的接地連接，可以放置更多過孔。

收發(fā)器初始化

在使用任何RF收發(fā)器無線電器件之前，都必須對其進行初始化。通常通過向控制接口寫入一系列串行命令來進行器件初始化。對這些特定控制寄存器的說明已超出本文范圍，讀者應參考所使用的RF收發(fā)器的數據手冊中的具體信息。通常，可配置的參數包括頻帶選擇、基帶頻率濾波器寬度、輸出功率管理控制、數據緩沖配置、數據傳輸速率以及先進先出(First In First Out，FIFO)緩沖器控制。

收發(fā)器工作

收發(fā)器通過將中斷輸出線的電平拉低來向主機MCU發(fā)出中斷請求。這表示發(fā)生以下事件之一：

發(fā)送(TX)寄存器已準備好接收下一字節(jié)

接收(RX)FIFO已達到預編程的位數

上電復位(Power on Reset，POR)確認

發(fā)生了FIFO溢出/TX寄存器下溢

主機MCU收到來自收發(fā)器的中斷請求后，會通過讀取收發(fā)器的狀態(tài)位來確定中斷源。然后，MCU會決定所需的下一個串行命令以繼續(xù)通信或使收發(fā)器斷電。

數據緩沖

大多數收發(fā)器中都含有一個FIFO緩沖器。如果使能數據FIFO，則收到的數據流在時鐘控制下進入16位緩沖器。收發(fā)器只在同步模式電路檢測到有效數據包后才開始填充FIFO。這可防止隨機錯誤數據裝入FIFO。FIFO達到預定義位數后，器件的中斷輸出引腳上將發(fā)出緩沖器已滿信號。此引腳上的邏輯電平“1”表示RX FIFO中的位數已達到預編程限制。收發(fā)器產生中斷的電平可通過FIFO和復位命令設置。有關這些配置寄存器的詳細信息，請參見器件數據手冊。

對于我們的應用，此值已設置為8位(一個字節(jié))，這樣在發(fā)送/接收過程中可以將數據逐字節(jié)裝入FIFO。這只適用于通過配置設置命令使能的FIFO模式。SPI緩沖器的讀取操作會使RX FIFO復位已接收位數，并使中斷輸出引腳恢復到邏輯零電平。

RF協議選擇

對于本設計，我們評估了各種當前可用的RF通信協議。ZigBee?、Microchip的MiWi?和MiWi點對點(Peer to Peer，P2P)等協議均已經過評估。但是，由于應用需要近實時的特性，因此使用了非?；镜臅r分多址(Time Divisional Multi Access，TDMA)協議方案(見圖3)。通過將幀中第一個時隙定義為主機控制器發(fā)出的標識，我們可以很容易地確保在整個傳感器監(jiān)控系統中實現非常精確的延時。

圖3：TDMA系統

傳感器單元

對于我們的系統，我們已決定在每個數據幀中使用10個時隙，第一個時隙作為幀起始，另外九個用于多個遠程傳感器。這樣，我們最多可以近實時地監(jiān)控九個傳感器。我們將主機MCU的預定義時隙設置為每秒10個，即每幀持續(xù)100 ms。這樣，我們便能夠以每秒10次的速率(或10 Hz)從各個傳感器提取RF數據。通過增加每秒時隙數可輕松實現更快的輪詢方案，但這樣會影響所需數據速率以及基帶濾波器帶寬間距。

硬件

傳感器單元上使用的PIC16F688 8位閃存MCU實際上每20 ms測量一次原始模擬傳感器輸入(每秒50次采樣)。然后，它每隔100 ms會將最后五次采樣一次發(fā)送給主機控制器。這樣可獲得更高的傳感器采樣率，而不會對系統的復雜性產生明顯影響。這種數據緩沖方案還有助于降低傳感器的總功耗要求，因為接收和發(fā)送RF數據包消耗了大部分功率。MCU單元在大多數時間都處于低功耗休眠狀態(tài)。它會每隔20 ms喚醒一次來對模數轉換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)或數字I/O引腳進行采樣，然后每隔100 ms進行一次批量RF傳送(大約持續(xù)2 ms)。

固件

PIC16F688 MCU使用內部基于RC的振蕩器來確保從休眠和低功耗狀態(tài)快速啟動。為簡化軟件，采用了基本狀態(tài)機軟件流，并將MCU配置為每隔20 ms喚醒一次。這些狀態(tài)中的一個被分配為等待主機控制器的RF幀起始(Start Of Frame，SOF)標識的傳輸。此SOF標識的接收操作用于將遠程傳感器單元與精度更高的主機單元同步，該主機單元采用晶振進行USB通信。如果在至少150 ms內未檢測到SOF標識，則遠程傳感器將進入低功耗非活動狀態(tài)，在此狀態(tài)下，單元每秒喚醒一次來搜索SOF標識。這樣主機便可通過打開或關閉SOF標識的傳輸，只在需要時輪詢遠程傳感器。

如果需要同時監(jiān)控更多傳感器，可以輕松地將這個非?；镜膮f議方案擴展至允許更多時隙。但總是需要在各個傳感器單元的常規(guī)反應時間(采樣傳感器)與總功耗預算之間進行權衡。此協議方案可進行修改以滿足系統以及可用電源的特定需求，例如為每個遠程傳感器供電的電池尺寸以及預期使用壽命。

主機控制器單元

對于主機控制器，我們選擇了PIC18F14K50 8位閃存MCU，它是小型20引腳封裝形式的全速USB 2.0器件。選擇此器件的原因是其成本低廉，并且我們希望主機控制器通過USB端口直接與任何PC連接，以報告有關系統中每個遠程傳感器狀態(tài)的近實時信息。也可以使用其他備用接口選項。主機單元由USB端口供電，然后以人機接口設備(Human Interface Device，HID)類USB設備的形式注冊到PC。

硬件

使用PIC18F14K50 MCU，實際的硬件設計與遠程傳感器單元非常類似。使用相同的RF收發(fā)器設計，但將PIC16F688 MCU換成PIC18F14K50 MCU，以提供所需的USB接口功能。此單元需要持續(xù)供電，用作簡化的TDMA系統中的主節(jié)點。

固件

主機控制器上的固件包含配置為HID類的Microchip標準USB協議棧;對于遠程傳感器單元使用相似的收發(fā)器初始化和數據傳輸程序;使用一臺非?；镜臓顟B(tài)機來控制RF無線電設備與PC間的數據傳送。如果使用運行MS Windows?的PC，由于操作系統的多任務性質，無法始終保證時序精確。此外，我們不希望PC圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI)軟件過于復雜。因此，使用PIC18F14K50作為RF遠程傳感器單元與PC GUI應用程序之間的數據緩沖器。PIC? MCU用于保持TDMA時隙，以便在為PC緩沖采樣數據時實現同步。PC應用程序已配置為每隔100 ms輪詢一次USB HID設備，以獲取任何可用的數據。在每個時隙/單元中增加了一個狀態(tài)/控制字節(jié)，PC應用程序可輕松確定是否有新的傳感器數據可用于屏幕更新。PIC18F14K50上的傳感器數據緩沖器已配置為可處理多個RF數據包，以防PC應用程序沒有及時讀取可用數據。

PC GUI軟件

對于本應用，傳感器數據通過GUI應用程序內的進度條顯示，并且可以輕松記錄以對遠程傳感器進行數據跟蹤。軟件的開發(fā)平臺為Microsoft的Visual C#。軟件可作為多個無線遠程傳感器單元實時行為的可視監(jiān)控器，顯示從每個無線傳感器收到的實時數據。GUI通過USB HID類函數連接到主機控制器來輪詢可用數據或控制系統行為，例如啟動RF輪詢、停止RF輪詢和請求單次數據捕獲等。

各種傳感器類型

確定基本的RF傳感器框架后，實際的RF遠程傳感器可以是從基本的溫度監(jiān)控器到加速(模擬或數字)監(jiān)控器、數字輸入(高/低電平檢測)以及模擬電壓監(jiān)控(通過ADC轉換為數字值)中的任何一個，甚至是基本的數字輸出控制信號。通過這個簡化的TDMA輪詢方案，簡單的RF框架還允許使用各種不同類型的遠程傳感器。

為傳感器單元配對

每個傳感器提供的信息都可包括一個惟一標識符、一個傳感器類型指示符和原始傳感器數據測量值。使用每個傳感器單元的惟一標識符有助于將傳感器單元與主機控制器配對。主機標識器可以向將指示哪些時隙可用的傳感器發(fā)送各種控制命令，甚至從系統中移除傳感器。主機控制器還可以發(fā)送組標識符，這樣它將只輪詢與該特定傳感器組配對的傳感器。遺憾的是，這已超出本文范圍，但絕對可實現極其靈活易用的遠程傳感器網絡。

安全增強功能

如果有人進行竊聽并發(fā)送可對整個系統的完整性造成負面影響的虛假傳感器數據，則會很容易對RF網絡的安全產生危害。通過在RF網絡中添加一個安全層，可以輕松防止這種危害。有多種安全方案和算法可用于惟一傳感器驗證，例如Microchip的KEELOQ?加密算法。甚至可以與更高級的加密算法(例如擴展的微型加密算法(eXtended Tiny Encryption Algorithm，XTEA)或高級加密標準(Advanced Encryption Standard，AES)算法)結合使用，以加密從遠程傳感器傳輸到主機控制器的傳感器信息。

結論

本文介紹了如何實現可實時監(jiān)控傳感器行為的基本RF遠程傳感器網絡。低成本RF收發(fā)器與MCU(如PIC18F14K50)的結合簡化了此類系統的開發(fā)。遠離無線傳感器系統的時代無疑已成為過去。

本文所述的框架可用于近實時無線監(jiān)控起重要作用的各種應用。如果遠程傳感器系統可以容許更大程度的延時，則完全可以使用本文所列的其他RF通信協議。這些備選協議的靈活性更高，但也需要更高端的MCU資源才能實現。此外，通過添加簡單的惟一網絡標識，基本的RF配對方案和加密算法可以使此類無線網絡更加穩(wěn)定可靠和安全。