433 MHz物联网开发平台的设计与开发

摘要：物联网是当前信息领域中研究的热点。本文以CC1110芯片为核心，利用温湿度、烟雾、亮度等传感器结合自主开发的WIA-PA协议栈软件，研制了一种基于433 MHz频段的物联网开发平台。利用该平台提供的开发套件，可方便地开发智能家居、环境监测等应用系统。目前，重庆伟岸测器利用本平台已成功开发了无线热能表系统。
关键词：物联网；开发平台；传感器节点

引言
    目前，我国已开放了433 MHz、470 MHz两个无线射频频段，具有低功耗、低成本、穿透能力强、组网灵活等特点，在智能家居、无线抄表等领域具有良好的应用前景。笔者所在团队是传感器网络国家标准测试项目组与标识项目组组长单位，参加了5个国际组织传感网相关领域11项国际标准的制定，并担任多个国际标准的联合编辑。本团队在物联网方面的相关研究成果得到了国际上的广泛认可，核心技术正在形成专利池。为了降低物联网系统开发难度、推进物联网技术与产业的发展，笔者利用实验室在物联网领域的技术优势，研制了一种基于433 MHz
频段的物联网开发平台，推出了相应的物联网产品开发套件。

1 系统结构
    本文设计的物联网开发平台系统结构如图1所示。平台包括433 MHz无线收发模块、网络适配器、网关、温湿度传感器、烟雾传感器、亮度传感器、仿真器、自主开发的协议栈和上位机监控软件。

    开发平台实物如图2所示。温湿度、烟雾传感器数据采集模块主要负责采集外界环境中的温度、湿度以及烟雾浓度信息，通过相应的调理电路送至无线传输模块进行处理。无线传输模块主要负责将传感器采集到的实时数据发送到无线接收模块，无线接收模块接收后将数据转发给网关，网关将数据打包后通过以太网发给上位机显示。

2 系统硬件设计
2．1 传感器节点
2．1．1 数据采集单元
    数据采集单元传感器分别选用的是SHT75温湿度传感器、MS5100烟雾传感器和光敏电阻。
    SHT75温湿度传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A／D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。该传感器具有超快响应、抗十扰能力强、性价比高等优点。
    与传输模块的连接是通过发送模块芯片的两个I／O口，分别与传感器SHT75的SCK、DATA两引脚相连，来实现数据的交互，VDD与3．3 V电压相连。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平，所以还必须在I／O电路中DATA引脚上加上一个上拉电阻将信号提拉至高电平，用一个10 kΩ的电阻接至3．3 V电压。
    MS5100烟雾传感器具有小体积、高感应灵敏度、良好的稳定性、快速的相应时间，且对烟雾、碳氢化合物和氧化物有着较高的灵敏度。测量原理如下：当测到外部的烟雾时，传感器的电阻Rs会发生变化。
    在本实验平台中，采样电阻RL采用100 Ω的电阻，由于传感器输出的电压可能超过数据发送芯片能检测的电压最大值，因此必须在传感器数据输出端加上一组分压电路，使传感器输出满足传输芯片检测条件。
    光敏电阻通过与1个20 kΩ的定值电阻组成分压桥，可对光照强度进行简单的测量。
2．1．2 供电系统单元
    供电系统单元主要是由3节干电池串联进行供电。3节干电池串联得到的4．5 V 工作电压能满足传感器的正常工作，经LM1117电源转换芯片后得到3．3 V 芯片工作电压，供整个数据发送模块正常工作。同时也可以使用外接5 V电源对整个系统进行供电。
2．2 数据收发模块
2．2．1 CC1110芯片概述
    CC1110芯片延用了TI公司ZigBee无线(定位)芯片CC2430／CC2431架构。它结合一个高性能433 MHz、868／915 MHz射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器；具有32 KB可编程闪存、4 KB的RAM、模拟／数字转换器(ADC)、定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器(Watchdog Timer)、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I／O引脚。
    CC1110的RF射频收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达500 kbps。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。CC1110为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。
     CC1110芯片工作时的电流损耗为16 mA和18 mA，速率为1．2 kbps；CC1110在接收和发射模式下，电流损耗分别低于16．2 mA或16 mA；速率为2．4 kbps。CC1110的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
2．2．2 无线收发模块
    数据发送接收部分主要利用433 MHz的单端天线，配合CC1110芯片中的TX／RX开关引脚来控制选通发送信道或者接收信道。CC1110内部的T／R交换电路完成LNA和PA之间的交换。信号输出经过一个非平衡变换器，因为连接非平衡变换器可以使天线性能更好。非平衡变送器由两个电容与两个电感组成的电路将信号转换成单端RF信号，与阻抗为50 Ω的天线适配。这样住理论上使信号在传输中间没有反射发生，达到天线的信号最大功率。
    CC1110低中频信号接收是它的特性，CC1110将收到的RF信号通过低噪声放大器LNA放大，并且将收到的同相信号和正交相位信号(I／Q)降频转换为中频(IF)信号。过滤残余在中频(2 MHz)信号中的I／Q信号后，放大中频信号。在中频信号中，自动增益控制以及精细信道的过滤、解调字节和包同步等都通过数字逻辑完成。CC1110的发射端基于RF频率直接合成，频率合成器包括一套完整的片上电感器、电容器(LC)、电压控制振荡器(VCO)和一个90°移相器，用来产生同相信号、正交相位信号(I／Q)和本地振荡器(LO)信号给接收端的降频合成器，最后信号经放大后送至天线发送出去。
2．3 网络适配器模块
    网络适配器在网络中主要起到数据接收的作用，将节点上发的数据统一上传给网关。
    本平台中网络适配器也可直接与电脑连接，完成网关的响应功能，实现对无线数据包的接收、分析与处理，并将处理后的数据通过USB接口上传给上位机，进行数据的实时观测；也可以使用上位机软件实时下发数据，并通过USB接口传送给发送端，实现对数据的无线传输。
2．4 无线网关
    无线网关主要由控制电路与接口电路构成，如图3所示。控制电路由处理器单元(AT91R40008)、以太网控制单元(AX88796)、存储器单元构成。接口电路由无线模块通信接口、以太网接口、串行接口组成。

2．4．1 处理器单元
    网关处理器选用Atmel公司的AT91R40008芯片。AT91R40008是基于ARM7的高性能处理器，运行速度可达74 MIPS，硬件资源丰富。AT91R4 0008的电压等级为：I／O口工作电压为3．3 V，内核(ARM7TDMI、片内SRAM及片内外围)工作电压为1．8V。
2．4．2 以太网控制单元
    以太网网卡芯片采用台湾Asix公司AX88796芯片，包括MAC控制器和物理层接口两部分，AX88796芯片依照IEEE802．3以太网标准，负责处理有关以太网数据帧的接收和发送，包括冲突检测、帧头的产生和检测、CRC校验码的生成和校验。
2．4．3 存储器单元
    Flash存储电路用于存放启动代码及应用程序，采用美国SST公司的SST39VF160芯片，存储容量是1M×1 6位。微处理器通过片选NCS0以及NWR、NRD读写控制引脚对它进行存取控制。

3 软件设计
    本实验平台采用自定义的一种星形网络结构。软件设计主要由以下几个部分构成：无线网络协议程序、A／D转换程序、外部中断程序。无线网络协议程序主要包括无线协议的相关部分初始化处理和对传感器相关信息的处理；A／D转换程序主要是对传感器采集到的数据进行数
据转换处理；外部中断程序主要是用于唤醒休眠的CC1110模块。本平台网络组网方式：
    ①无线数据模块上电之前首先要配置其数据发送地址。将数据发送的目的地址写成除0x00和0xFF之外的固定地址，本例中设置为0x11。
    ②将数据接收模块的网络地址配置成无线节点的目的地址0x11，网络协调器模块可通过USB接口直接连接到上位机上。
    ③为无线设备上电，各个无线节点模块按照载波监听(CSMA)控制策略，随机发送数据包。如果发送之前监听到信道中有其他数据包，等待一个随机时间后再次发送。
    ④数据接收端接到数据包后对数据进行处理，并通过USB接口将数据传输到上位机上进行显示。
    无线网络协议程序发送流程如图4所示。

    经过实际测试，在空旷可视条件下，通信距离可达80m，RSSI值为-100 dBm，系统组网工作稳定，数据包丢包率为1％，设计符合要求。

4 应用案例
    利用本平台，笔者所在团队联合重庆伟岸测器成功开发出基于433 MHz的无线热能监控系统。该套系统由433 MHz无线热能表、楼层中继器、楼顶中继器、接收端网关和上位机监控计费软件组成。其网络拓扑结构如图5所示。目前，该热能监控系统已经在大连、甘肃等地投入实际使用。

    整个系统运行的过程是：每户的热能表每隔一段时间从休眠模式下被唤醒，进行一次热量数据采集；之后将热量信息通过楼层中继与楼顶中继进行转发，当无线网关接收到数据后，即对数据进行分析与处理；再通过以太网上传给上位机监控计费软件，进行实时的监控。上位机监控界面如图6所示。

结语
    本文详细介绍了基于433 MHz频段的物联网开发平台的硬件工作原理与设计方法，同时也讨论了系统的软件结构及实现。通过实验与现场测试，以及实际应用案例可以证明，该平台能很好地完成数据的采集、处理分析与组网。利用本开发平台可以很方便地开发无线抄表、智能家居、环境监测等应用系统。