射頻信號(hào)功率的檢測已成為無線通信系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，目前有4種測量功率的方法：二極管檢測功率法、等效熱功耗檢測法、真有效值/直流(TRMS/DC)轉(zhuǎn)換檢測功率法和對(duì)數(shù)放大檢測功率法^[1]。前3種方法分別存在誤差大、操作復(fù)雜、受溫度影響大等缺陷；最后一種方法避免了以上缺陷，但只適用于測量正弦信號(hào)，ADI推出的AD8362芯片也應(yīng)用了這種方法，卻能適用任何形式的輸入信號(hào)，且大大提高了集成度和檢測精度。然而，AD8362的線性測量范圍較窄，無法滿足大功率信號(hào)的檢測。本設(shè)計(jì)通過CC2430的內(nèi)部8051單片機(jī)與數(shù)字衰減器HMC274和AD8362構(gòu)成閉環(huán)控制的方式，提高了量程范圍，并通過CC2430的射頻收發(fā)功能構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，借助ZigBee無線技術(shù)和GPRS通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)大范圍的多點(diǎn)功率采集。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)方案

        系統(tǒng)框圖如圖1所示，由傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控上位機(jī)三部分構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)由CC2430作為主控芯片，由AD8362和HMC274構(gòu)成傳感器探頭。各節(jié)點(diǎn)通過ZigBee協(xié)議以多跳路由的方式將各節(jié)點(diǎn)功率值傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由CC2430、LCD顯示模塊和MC35i短信模塊構(gòu)成，當(dāng)收到傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)后，MC35i通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控人員的手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了寬量程、大范圍的射頻信號(hào)功率采集。

1.2 電源模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)采用普通AA干電池供電，采集探頭HMC274和AD8362需要5 V電源，而CC2430需要3.3 V電源，TC35i則需要4.2 V電源，因此必須搭建電壓轉(zhuǎn)換電路。采用ASM1117將+5 V轉(zhuǎn)化為+3.3 V，輸出電壓經(jīng)過電容濾波后提供給CC2430，并采用LM2941穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)5 V轉(zhuǎn)4.2 V的電源模塊設(shè)計(jì),轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

1.3 CC2430主控芯片

        CC2430是Chipcon公司推出的適用于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的片上系統(tǒng)。內(nèi)部集成低功耗8051控制器和符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CC2420RF射頻收發(fā)器。其中，8051控制器具有32/64/128 KB的Flash、8 KB RAM、8路14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個(gè)16位定時(shí)器和2個(gè)8位定時(shí)器^[2]。CC2430在傳感器節(jié)點(diǎn)中的作用主要有：(1)接收AD8362的輸出電壓，并將其轉(zhuǎn)換為功率信號(hào)；(2)控制HMC274的衰減值，確保AD8362的輸出電壓在線性范圍內(nèi)； (3)利用內(nèi)部射頻收發(fā)器將各節(jié)點(diǎn)功率值通過ZigBee協(xié)議組網(wǎng)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。CC2430在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中的作用主要有： (1)利用內(nèi)部射頻收發(fā)器接收各傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)； (2)控制LCD模塊顯示節(jié)點(diǎn)信號(hào)功率；(3)控制短信模塊MC35i實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)/手機(jī)的通信。

1.4 功率檢測探頭

        功率檢測探頭采用閉環(huán)控制電路，由天線接收到的射頻信號(hào)首先通過衰減初值為0 dB的數(shù)字衰減器HMC274，再由射頻變壓器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸入到AD8362進(jìn)行功率檢波，AD8362的輸出電壓經(jīng)過電位器分壓后輸入CC2430的P0.6口,由CC2430進(jìn)行內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換和線性計(jì)算后進(jìn)行判斷,當(dāng)CC2430檢測到的電壓超過AD8362的線性輸出上限+10 dBm對(duì)應(yīng)的3.5 V時(shí)^[3-4]，則通過P1.0~P1.4口控制HMC274以步進(jìn)1 dB調(diào)節(jié)衰減量，將輸入AD8362的功率控制在它的線性范圍內(nèi)，從而使量程上限提高31 dB，實(shí)現(xiàn)寬量程(-50 dB~+40 dB)檢測。功率檢測探頭的電路如圖3所示。

1.5 MC35i短信模塊

        MC35i是西門子公司的新一代GSM/GPRS雙模模塊，可以工作在900 MHz和1 800 MHz兩個(gè)頻段，功耗分別為2 W和1 W,工作電壓為3.3~4.8 V，本設(shè)計(jì)采用4.2 V供電。它的GPRS模塊永久在線功能提供了很快的數(shù)傳速率，體積小，功耗低，能提供數(shù)據(jù)、語音、短信、傳真功能，廣泛用于遙感測量記錄傳輸、遠(yuǎn)程信息處理和電話應(yīng)用中^[5-6]。本設(shè)計(jì)中MC35i作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)/手機(jī)的通信模塊，外圍電路如圖4所示， 其中CC2430的I/O口需要通過高壓驅(qū)動(dòng)器7407實(shí)現(xiàn)對(duì)MC35i的驅(qū)動(dòng)。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

        本設(shè)計(jì)以IAR Embedded Workbench為開發(fā)環(huán)境，以C語言為編程語言，采用移植性和可讀性較好的Z-Stack開源程序?yàn)槟０澹淖兤渲械腁PP程序建立項(xiàng)目。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)用于接收傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示和發(fā)送。上電后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行ZigBee協(xié)議初始化、信道掃描并建立網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)形成后，進(jìn)入允許綁定模式，響應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)的綁定請(qǐng)求^[7-8]。綁定成功后，等待傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到相應(yīng)數(shù)據(jù)后，初始化MC35i模塊，建立GPRS連接，向上位機(jī)/手機(jī)發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)檢測射頻信號(hào)強(qiáng)度，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及與協(xié)調(diào)器的通信。軟件部分主要包括數(shù)據(jù)采集程序和網(wǎng)絡(luò)通信程序。在網(wǎng)絡(luò)通信部分，傳感器節(jié)點(diǎn)能自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送綁定請(qǐng)求，等待綁定成功后定時(shí)將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。如果綁定失敗，傳感器節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)移除綁定^[8]。在數(shù)據(jù)采集部分，為拓寬AD8362量程，采用閉環(huán)控制思路，主要包括電平數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、衰減器控制量的調(diào)整和存儲(chǔ)，流程圖如圖5所示。

2.3短信模塊軟件設(shè)計(jì)

        CC2430通過串口發(fā)送AT指令對(duì)MC35i進(jìn)行控制，并與GPRS網(wǎng)絡(luò)引擎進(jìn)行相互通信、交換數(shù)據(jù)^[5]。本設(shè)計(jì)采用PDU模式將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)以短信的形式發(fā)送到檢測人員的手機(jī)，發(fā)送流程如圖6所示。協(xié)調(diào)器采集完畢后，如需向檢測人員發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，則啟動(dòng)MC35i，將數(shù)據(jù)分組PDU打包后發(fā)送^[9]。當(dāng)存在一個(gè)或一個(gè)以上傳感器節(jié)點(diǎn)檢測到的功率值超過-50 dB~+40 dB量程范圍，且在系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間內(nèi)報(bào)警沒有排除時(shí)，發(fā)送報(bào)警短信。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        為了檢測探頭是否達(dá)到寬量程的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)功率采集探頭進(jìn)行了單獨(dú)測試。記錄功率真值及其對(duì)應(yīng)的AD8362輸出電平,將測試得到的100組數(shù)據(jù)錄入到Origin7.5的表格中并進(jìn)行擬合,得到滿量程輸出曲線如圖7所示。當(dāng)射頻信號(hào)功率大于10 dB時(shí)，CC2430控制HMC274的衰減量，輸入到AD8362的射頻信號(hào)減小到10 dB以下，對(duì)應(yīng)輸出電壓趨近于臨近3.5 V的一條直線，此時(shí)的射頻功率值為CC2430的P1口控制的衰減值與AD8362輸出電平對(duì)應(yīng)的功率值之和。

        為了驗(yàn)證系統(tǒng)工作性能，將調(diào)試好的裝置進(jìn)行了實(shí)際測試，在室溫(20℃)下，對(duì)5臺(tái)ZY12RFSys32BB1射頻訓(xùn)練儀產(chǎn)生的2.4 GHz射頻信號(hào)的功率值進(jìn)行了采集。將檢測功率與實(shí)際功率進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表1所示。可見整個(gè)系統(tǒng)測量誤差可以控制在0.5%以內(nèi),工作穩(wěn)定，通信效果理想。

        本文采用ZigBee無線技術(shù)與GPRS通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款測量量程寬、測量范圍廣的WSN多點(diǎn)射頻功率檢測系統(tǒng)。以CC2430作為核心控制和射頻收發(fā)設(shè)備，采用閉環(huán)控制采集探頭，實(shí)現(xiàn)-50 dB~+40 dB量程范圍的功率檢測。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢測，系統(tǒng)誤差在0.5%以內(nèi)，通信效果理想，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的寬量程和寬范圍檢測。

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