無線傳感器網絡是近年來信息科學研究的一個熱點,在軍事、農業、工業、醫療、環境、家庭和其他商業領域都有著廣泛的應用,引起了各國學術界和工業界的廣泛重視[1]。組建一個無線傳感器網絡，首先要求組成的節點具有低功耗、低成本、體積小、易組網、高安全性等特點[2]。數傳模塊是無線傳感器網絡節點的核心部分。本文所設計的無線數傳模塊是基于一個無線傳感器網絡的設計項目提出的。2.4 GHz ISM(Industry Science Medicine)頻段是全世界公開使用的無線頻段，開發的產品具有全球通用性；其整體帶寬優于其他ISM頻段，整體數據傳輸速率高，允許系統共存；該頻段產品體積相對較小，傳輸距離較遠。故本項目采用2.4 GHz頻段進行無線數據傳輸。根據項目指標，所設計數傳模塊除滿足上述無線傳感器網絡節點所必須的特點外，還要求信道數不少于80，數傳速率不低于15.625 kb/s，通信距離不小于10 m（加功放后可達1 000 m）。

1 硬件設計
    本文選擇AVR系列ATMEGA8L單片機作為微控制器，選擇基于擴頻的CYRF6936作為射頻芯片。CYRF6936是典型的低成本高集成度的2.4 GHz DSSS射頻片上系統（Radio System-On-Chip），具有可配置的雙向（接收或發送）功能；數據傳輸速率可達1 Mb/s，具有98個可配置信道；最大發射功率為4 dBm，有效傳輸距離可達30 m，可工作在-55 ℃～+125 ℃環境中；功耗低，待機電流僅1μA。CYRF6936提供了完整的針對Wireless USB LP的從串口SPI到射頻發射的調制解調方案[3]。該數傳模塊框圖如圖1所示。

    在硬件實現上，數傳模塊工作方式為半雙工，為減小體積，收發共用天線。ATMEGA8L的PC0～PC5端口作為數據采集端口(發送端時)或信號輸出端口(接收端時)。采用SPI口(SS、MOSI、MISO、SCK)作為程序下載端口[4]。單片機和射頻芯片通過SPI口連接。另外，ATMEGA8L的PD3(INT1)腳連接CYRF6936的IRQ腳，接收射頻中斷信號。當分立元件的平均尺寸大于波長的十分之一時，電路理論就不適用了，需要用到傳輸線理論，即在傳輸線上的是分布參量網絡，在整個長度內線上的電壓、電流的幅值和相位都可能發生變化[5]。本系統工作于2.4 GHz頻段，據上述理論粗略設計，射頻部分電容電感均采用0402封裝，微帶線盡可能短（<1 cm）。單片機ATMEGA8L、射頻芯片CYRF6936、電源芯片XC6209B332的外圍電路分別見其參考設計。
2 軟件設計
    系統發射：主要實現對6路輸入電平信號采樣，對采樣(或輸入)數據進行BCH編碼，隨后將編碼后的數據通過SPI口送至CYRF6936的發射緩存區(地址0x20)，對數據進行打包、擴頻（DSSS）、GFSK調制后發射出去。在接收狀態下，系統接收到數據后，CYRF6936對數據進行解調、解擴等處理后將數據通過SPI口傳給AVR，對數據進行BCH解碼，最后還原成6路電平信號。
    信號采集：信號采集單元主要實現將電平信號轉換為數字信號。用ATMEGA8L片內集成的ADC對電平信號進行采樣，其采樣精度為10 bit，ADC參考電壓VREF=3.3 V，理論上采樣電壓范圍為0～3.3 V[6]。流程如圖2所示。

    信號輸出：接收端單片機通過PC0～PC5端口輸出處理后的信號。
    增強可靠性的方法：
    （1）信道編解碼[7]。本系統支持的數據傳輸幀結構如圖3所示。

    系統采樣精度為10 bit，CYRF6936支持的幀格式中每一路采樣數據占2 B（16 bit）。為滿足系統幀結構，且考慮低采樣位權值小，出現誤碼對系統應用影響較小的特點，在軟件設計中對每一路采樣數據采用（14，8）（僅對高8位采樣值編碼，最低兩位采樣值不做編碼）循環碼（BCH碼）。生成多項式為：g(x)=x6+x2+1。
    （2）直接序列擴頻。直接序列擴頻是指直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發射端去擴展信號的頻譜。在接收端用相同的擴頻碼序列進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始信號。本系統數據幀中幀頭SOP使用偽隨機碼用于收發兩端的數據連接和識別。CYRF6936支持的偽碼長度有32 bit和64 bit兩種，在寄存器FRAMING_CFG_
ADR（地址0x10）中設定偽隨機碼位數，所使用偽噪聲碼在寄存器SOP_CODE_ADR（地址0x22）中設定。在寄存器DATA32_THOLD_ADR(地址0x11)和DATA64_THOLD_ADR(地址0x12)中分別設定32 bit、64 bit偽碼相關閾值，偽噪聲碼具有良好的相關特性，接收端接收到數據后進行相關運算，相關值大于設定閾值，認為是所需數據包進行后續操作，反之認為是非所需數據包，棄之不理[8]。
    CYRF6936支持4種數據傳輸模式GFSK、8DR、DDR、SDR。其中，GFSK不采用偽碼擴頻，其他3種模式均可采用32 bit偽碼和64 bit偽碼進行直擴。其數據傳輸速率如表1所示。

    在寄存器DATA_CODE_ADR（地址0x23）中設定數據擴頻所用的偽隨機碼。采用直擴技術使系統具有很強的隱蔽性和抗偵察、抗干擾、抗測向的能力；具有選址能力,易實現碼分多址；可進行高分辨率的測向、定位[9]。
    （3）CRC校驗技術。為了提高無線信息傳輸過程中數據傳輸的可靠性，CYRF6936射頻收發器芯片將附加CRC16于每一個數據包中。CRC16是一個16 bit的循環冗余校驗碼（CRC），是使用USB的CRC多項式運算所得，可以檢測所有單位和雙位差錯，檢測率達所有可能差錯的99.998%[1]。
    （4）數據應答與重發。CYRF6936提供了從基帶到射頻的完整的解決方案，只需要按照芯片固有的格式進行設定，就可以使芯片自動完成數據打包、成幀、DSSS擴頻解擴以及GFSK調制解調等功能，極大地降低了系統的設計難度，縮短了設計時間[8]。為提高系統可靠性設計中使用數據應答和數據重發技術，半雙工工作方式是該技術的基礎[2]。發射端發射數據前在寄存器XACT_CFG_
ADR(地址0X0F)中設定ACK等待時長，發送完數據后，打開超時定時器開始計時同時轉入接收模式，如果超時時間到未收到ACK信號，重發數據。如果設定時間內收到ACK信號，則重新開始新的數據發送時序。接收端使能ACK(寄存器0X0F中設定)，收到合法數據后自動發送ACK信號。流程如圖4所示。

    （5）頻率捷變技術。頻率捷變，簡單地說，就是頻率跳變，它只是在受到干擾時頻率才發生改變，這一點與通常講的跳頻通信有本質的區別。CYRF6936提供98個信道，每個信道的帶寬為1 MHz，用戶可通過頻率捷變技術來避免強干擾[2-3]。強信號對于系統的干擾，不只是對哪一個終端進行干擾，而是對系統中所有的終端都會產生干擾，會影響所有的通信連接。即系統中所有終端都可以檢測到這個干擾的存在，這就為系統實現同步跳變提供了可能。首先對系統設定一個統一的跳頻序列，其次設定一個統一的跳頻規則。如規定系統每20 ms傳輸一包數據，若100 ms內無有效數據傳輸，則依跳頻序列跳變一次。本項目根據應用實際，啟用CYRF6936的載波監聽(RSSI)功能[2]。各終端在接收模式下，通過讀取寄存器RSSI_ADR（地址0X13）的值判斷當前信道上無線信號的功率密度即干擾強度。其工作時序為：先進行監聽，如果信道有強干擾則依跳頻序列跳轉到下一頻道，若無強干擾，則傳輸數據。
3 電路實現及調試
    該數傳模塊PCB電路采用4層雙面板布線，其中間兩層接地。主要器件均布于頂層，底層僅布設部分電容與電感。實體電路頂層圖如圖5所示。其平面面積為4 cm&times;2 cm。實驗室調試連接示意圖如圖6所示。

    目前為止系統曾做以下功能測試：SPI口通信調試；20 ms精確控制發射調試；無線收發調試；采樣發射和接收輸出PWM信號調試；半雙工調試；串口調試；編譯碼調試；頻率捷變調試；數據應答與重發調試；有效通信距離測試。經調試系統工作正常。
    圖7為發射單字節數據包頻譜圖，其中心頻率為2.497 GHz，帶寬為1 MHz。圖8為收發完成中斷信號圖，系統實現了數據收發功能。經測試室外空曠地區30 m距離內可實現有效通信，且耗電小，工作穩定。
    基于2.4 GHz無線傳輸芯片CYRF6936設計的無線傳感器網絡節點的數據傳輸部分，其硬件電路搭建簡單、體積小、功耗低，軟件采用了易于實現的抗干擾機制，實用性強。設計中還有很多不夠完善的地方，有待在后期的實驗及實際應用中進一步改善。
參考文獻
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