摘要：物聯(lián)網(wǎng)是當前信息領域中研究的熱點。本文以CC1110芯片為核心，利用溫濕度、煙霧、亮度等傳感器結合自主開發(fā)的WIA-PA協(xié)議棧軟件，研制了一種基于433 MHz頻段的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺。利用該平臺提供的開發(fā)套件，可方便地開發(fā)智能家居、環(huán)境監(jiān)測等應用系統(tǒng)。目前，重慶偉岸測器利用本平臺已成功開發(fā)了無線熱能表系統(tǒng)。
關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；開發(fā)平臺；傳感器節(jié)點

引言
    目前，我國已開放了433 MHz、470 MHz兩個無線射頻頻段，具有低功耗、低成本、穿透能力強、組網(wǎng)靈活等特點，在智能家居、無線抄表等領域具有良好的應用前景。筆者所在團隊是傳感器網(wǎng)絡國家標準測試項目組與標識項目組組長單位，參加了5個國際組織傳感網(wǎng)相關領域11項國際標準的制定，并擔任多個國際標準的聯(lián)合編輯。本團隊在物聯(lián)網(wǎng)方面的相關研究成果得到了國際上的廣泛認可，核心技術正在形成專利池。為了降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)難度、推進物聯(lián)網(wǎng)技術與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，筆者利用實驗室在物聯(lián)網(wǎng)領域的技術優(yōu)勢，研制了一種基于433 MHz
頻段的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，推出了相應的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)套件。

1 系統(tǒng)結構
    本文設計的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺系統(tǒng)結構如圖1所示。平臺包括433 MHz無線收發(fā)模塊、網(wǎng)絡適配器、網(wǎng)關、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、亮度傳感器、仿真器、自主開發(fā)的協(xié)議棧和上位機監(jiān)控軟件。

    開發(fā)平臺實物如圖2所示。溫濕度、煙霧傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要負責采集外界環(huán)境中的溫度、濕度以及煙霧濃度信息，通過相應的調(diào)理電路送至無線傳輸模塊進行處理。無線傳輸模塊主要負責將傳感器采集到的實時數(shù)據(jù)發(fā)送到無線接收模塊，無線接收模塊接收后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關，網(wǎng)關將數(shù)據(jù)打包后通過以太網(wǎng)發(fā)給上位機顯示。

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 傳感器節(jié)點
2．1．1 數(shù)據(jù)采集單元
    數(shù)據(jù)采集單元傳感器分別選用的是SHT75溫濕度傳感器、MS5100煙霧傳感器和光敏電阻。
    SHT75溫濕度傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A／D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。該傳感器具有超快響應、抗十擾能力強、性價比高等優(yōu)點。
    與傳輸模塊的連接是通過發(fā)送模塊芯片的兩個I／O口，分別與傳感器SHT75的SCK、DATA兩引腳相連，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，VDD與3．3 V電壓相連。為避免信號沖突，微處理器應驅(qū)動DATA在低電平，所以還必須在I／O電路中DATA引腳上加上一個上拉電阻將信號提拉至高電平，用一個10 kΩ的電阻接至3．3 V電壓。
    MS5100煙霧傳感器具有小體積、高感應靈敏度、良好的穩(wěn)定性、快速的相應時間，且對煙霧、碳氫化合物和氧化物有著較高的靈敏度。測量原理如下：當測到外部的煙霧時，傳感器的電阻Rs會發(fā)生變化。
    在本實驗平臺中，采樣電阻RL采用100 Ω的電阻，由于傳感器輸出的電壓可能超過數(shù)據(jù)發(fā)送芯片能檢測的電壓最大值，因此必須在傳感器數(shù)據(jù)輸出端加上一組分壓電路，使傳感器輸出滿足傳輸芯片檢測條件。
    光敏電阻通過與1個20 kΩ的定值電阻組成分壓橋，可對光照強度進行簡單的測量。
2．1．2 供電系統(tǒng)單元
    供電系統(tǒng)單元主要是由3節(jié)干電池串聯(lián)進行供電。3節(jié)干電池串聯(lián)得到的4．5 V 工作電壓能滿足傳感器的正常工作，經(jīng)LM1117電源轉(zhuǎn)換芯片后得到3．3 V 芯片工作電壓，供整個數(shù)據(jù)發(fā)送模塊正常工作。同時也可以使用外接5 V電源對整個系統(tǒng)進行供電。
2．2 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊
2．2．1 CC1110芯片概述
    CC1110芯片延用了TI公司ZigBee無線(定位)芯片CC2430／CC2431架構。它結合一個高性能433 MHz、868／915 MHz射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器；具有32 KB可編程閃存、4 KB的RAM、模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器(Watchdog Timer)、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I／O引腳。
    CC1110的RF射頻收發(fā)器集成了一個高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。這個調(diào)制解調(diào)器支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率可達500 kbps。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項，能使性能得到提升。CC1110為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評估、連接質(zhì)量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的硬件支持。
     CC1110芯片工作時的電流損耗為16 mA和18 mA，速率為1．2 kbps；CC1110在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于16．2 mA或16 mA；速率為2．4 kbps。CC1110的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。
2．2．2 無線收發(fā)模塊
    數(shù)據(jù)發(fā)送接收部分主要利用433 MHz的單端天線，配合CC1110芯片中的TX／RX開關引腳來控制選通發(fā)送信道或者接收信道。CC1110內(nèi)部的T／R交換電路完成LNA和PA之間的交換。信號輸出經(jīng)過一個非平衡變換器，因為連接非平衡變換器可以使天線性能更好。非平衡變送器由兩個電容與兩個電感組成的電路將信號轉(zhuǎn)換成單端RF信號，與阻抗為50 Ω的天線適配。這樣住理論上使信號在傳輸中間沒有反射發(fā)生，達到天線的信號最大功率。
    CC1110低中頻信號接收是它的特性，CC1110將收到的RF信號通過低噪聲放大器LNA放大，并且將收到的同相信號和正交相位信號(I／Q)降頻轉(zhuǎn)換為中頻(IF)信號。過濾殘余在中頻(2 MHz)信號中的I／Q信號后，放大中頻信號。在中頻信號中，自動增益控制以及精細信道的過濾、解調(diào)字節(jié)和包同步等都通過數(shù)字邏輯完成。CC1110的發(fā)射端基于RF頻率直接合成，頻率合成器包括一套完整的片上電感器、電容器(LC)、電壓控制振蕩器(VCO)和一個90°移相器，用來產(chǎn)生同相信號、正交相位信號(I／Q)和本地振蕩器(LO)信號給接收端的降頻合成器，最后信號經(jīng)放大后送至天線發(fā)送出去。
2．3 網(wǎng)絡適配器模塊
    網(wǎng)絡適配器在網(wǎng)絡中主要起到數(shù)據(jù)接收的作用，將節(jié)點上發(fā)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳給網(wǎng)關。
    本平臺中網(wǎng)絡適配器也可直接與電腦連接，完成網(wǎng)關的響應功能，實現(xiàn)對無線數(shù)據(jù)包的接收、分析與處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過USB接口上傳給上位機，進行數(shù)據(jù)的實時觀測；也可以使用上位機軟件實時下發(fā)數(shù)據(jù)，并通過USB接口傳送給發(fā)送端，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的無線傳輸。
2．4 無線網(wǎng)關
    無線網(wǎng)關主要由控制電路與接口電路構成，如圖3所示。控制電路由處理器單元(AT91R40008)、以太網(wǎng)控制單元(AX88796)、存儲器單元構成。接口電路由無線模塊通信接口、以太網(wǎng)接口、串行接口組成。

2．4．1 處理器單元
    網(wǎng)關處理器選用Atmel公司的AT91R40008芯片。AT91R40008是基于ARM7的高性能處理器，運行速度可達74 MIPS，硬件資源豐富。AT91R4 0008的電壓等級為：I／O口工作電壓為3．3 V，內(nèi)核(ARM7TDMI、片內(nèi)SRAM及片內(nèi)外圍)工作電壓為1．8V。
2．4．2 以太網(wǎng)控制單元
    以太網(wǎng)網(wǎng)卡芯片采用臺灣Asix公司AX88796芯片，包括MAC控制器和物理層接口兩部分，AX88796芯片依照IEEE802．3以太網(wǎng)標準，負責處理有關以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送，包括沖突檢測、幀頭的產(chǎn)生和檢測、CRC校驗碼的生成和校驗。
2．4．3 存儲器單元
    Flash存儲電路用于存放啟動代碼及應用程序，采用美國SST公司的SST39VF160芯片，存儲容量是1M×1 6位。微處理器通過片選NCS0以及NWR、NRD讀寫控制引腳對它進行存取控制。

3 軟件設計
    本實驗平臺采用自定義的一種星形網(wǎng)絡結構。軟件設計主要由以下幾個部分構成：無線網(wǎng)絡協(xié)議程序、A／D轉(zhuǎn)換程序、外部中斷程序。無線網(wǎng)絡協(xié)議程序主要包括無線協(xié)議的相關部分初始化處理和對傳感器相關信息的處理；A／D轉(zhuǎn)換程序主要是對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)
據(jù)轉(zhuǎn)換處理；外部中斷程序主要是用于喚醒休眠的CC1110模塊。本平臺網(wǎng)絡組網(wǎng)方式：
    ①無線數(shù)據(jù)模塊上電之前首先要配置其數(shù)據(jù)發(fā)送地址。將數(shù)據(jù)發(fā)送的目的地址寫成除0x00和0xFF之外的固定地址，本例中設置為0x11。
    ②將數(shù)據(jù)接收模塊的網(wǎng)絡地址配置成無線節(jié)點的目的地址0x11，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器模塊可通過USB接口直接連接到上位機上。
    ③為無線設備上電，各個無線節(jié)點模塊按照載波監(jiān)聽(CSMA)控制策略，隨機發(fā)送數(shù)據(jù)包。如果發(fā)送之前監(jiān)聽到信道中有其他數(shù)據(jù)包，等待一個隨機時間后再次發(fā)送。
    ④數(shù)據(jù)接收端接到數(shù)據(jù)包后對數(shù)據(jù)進行處理，并通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C上進行顯示。
    無線網(wǎng)絡協(xié)議程序發(fā)送流程如圖4所示。

    經(jīng)過實際測試，在空曠可視條件下，通信距離可達80m，RSSI值為-100 dBm，系統(tǒng)組網(wǎng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)包丟包率為1％，設計符合要求。

4 應用案例
    利用本平臺，筆者所在團隊聯(lián)合重慶偉岸測器成功開發(fā)出基于433 MHz的無線熱能監(jiān)控系統(tǒng)。該套系統(tǒng)由433 MHz無線熱能表、樓層中繼器、樓頂中繼器、接收端網(wǎng)關和上位機監(jiān)控計費軟件組成。其網(wǎng)絡拓撲結構如圖5所示。目前，該熱能監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在大連、甘肅等地投入實際使用。

    整個系統(tǒng)運行的過程是：每戶的熱能表每隔一段時間從休眠模式下被喚醒，進行一次熱量數(shù)據(jù)采集；之后將熱量信息通過樓層中繼與樓頂中繼進行轉(zhuǎn)發(fā)，當無線網(wǎng)關接收到數(shù)據(jù)后，即對數(shù)據(jù)進行分析與處理；再通過以太網(wǎng)上傳給上位機監(jiān)控計費軟件，進行實時的監(jiān)控。上位機監(jiān)控界面如圖6所示。

結語
    本文詳細介紹了基于433 MHz頻段的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺的硬件工作原理與設計方法，同時也討論了系統(tǒng)的軟件結構及實現(xiàn)。通過實驗與現(xiàn)場測試，以及實際應用案例可以證明，該平臺能很好地完成數(shù)據(jù)的采集、處理分析與組網(wǎng)。利用本開發(fā)平臺可以很方便地開發(fā)無線抄表、智能家居、環(huán)境監(jiān)測等應用系統(tǒng)。