创建经济实惠的无线传感器网络

摘要：本文介绍了如何实现可实时监控传感器行为的基本RF远程传感器网络。低成本RF收发器与MCU（如PIC18F14K50）的结合简化了此类系统的开发。远离无线传感器系统的时代无疑已成为过去。

背景
　　随着更经济实惠、高度集成的单芯片通用ISM频带FSK收发器的出现，加之与嵌入式低成本单片机单片机（MCU）的结合，实施无线传感应用已成为一种颇具吸引力的选择方案。
　　只需将这两项技术简单地结合在一起，便可构造非常基本的ISM频带915 MHz射频（Radio Frequency，RF）网络，来监控各种数字和模拟无线传感器，例如远程温度传感器和基本运动检测传感器。
　　本文将定义一个基本的RF框架，用以实现对无线传感器的近实时监控。这一框架可轻松修改，以适应其他需要近实时无线监控或控制接口的应用系统。
　　系统说明
　　RF收发器简介
　　高度集成的RF收发器（例如RFM生产的用在433、868以及915 MHz ISM频带的TRC102）正凭借更经济实惠的成本优势得到越来越多的应用。这些器件通常具有串行通信接口，可通过SPI或I2C?接口轻松连接到各种嵌入式MCU。
　　远程无钥门禁（Remote Keyless Entry，RKE）系统中常用的一种无线电调制方法是振幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK），即通过改变频率固定的载波的振幅来传送数据。如果数据的编码方式为最大振幅表示“1”（传号），零振幅（功率放大器[PA]关闭）表示“0”（空号），则该调制方法称为开关键控（On-Off Keying，OOK）。这些类型的系统常用于单向应用。但是，使用此调制格式可实现非常简单且成本较低的收发器设计。
　　RF收发器解决方案中通常采用的RF调制方案是使用频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）。这是通过在平均频率（或载波频率）的任一侧对载波频率进行位移来实现的。载波在载波频率一侧的位移量称为偏差。相对于ASK调制，FSK调制具有多种优势。振幅调制对振幅和噪声的变化非常敏感，而采用FSK编码的传送方案对信号衰减或其他与振幅相关的干扰的抵御能力更强。
　　虽然FSK系统的带宽表面上是从f0– f到f0+ f，但实际上，带宽的跨度要大于f0– f到f0+ f的范围，因为两个频率之间的转移速度会产生额外的频谱分量。简而言之，可认为FSK调制是可靠性更高、噪声更少的传输方式。为实现成功设计，您需要更深入地了解FSK调制无线链路的需求。图1显示了此类FSK调制信号的典型频谱。

图1：FSK调制信号的典型频谱

　　收发器是既可以发送又可以接收RF数据的器件。可以同时发送和接收数据的收发器系统称为全双工系统。反过来，在一定时间内只能发送或接收的系统称为半双工系统。因此，半双工系统只使用一个载波频率，且两个终端共享同一频率。全双工系统使用两个载波频率，分别称为上行频率和下行频率。在本文中，由于远程传感器单元的流耗限制，我们采用半双工方法。
晶振精度
　　FSK调制收发器设计所使用的晶振的精度非常重要。我们的专用FSK系统使用百万分率（parts per million，ppm）值很低的高精度晶振。晶振的精度越高，发送与接收频率的偏移越少，偏差和基带带宽也就越小。如今，质量较好的晶振的ppm值应小于等于40。晶振的ppm值说明了其精度，ppm值越低，晶振的质量越好。
图2显示了晶振精度对两个收发器之间的发送/接收频率的影响。晶振的精度越高，基带滤波器的带宽就可以配置得越窄，因此从接收器基带中滤除的无用RF噪声也就越多。

　图2：晶振精度对两个收发器之间的发送/接收频率的影响

电路布线注意事项
　　对于任何RF设计，在布置印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）时所选择的关键元件值以及设计做法是否合理，对确保实现良好的总体RF性能都起到至关重要的作用。
强烈建议使用收发器制造商推荐的PCB布线，因为他们提供的RF设计已经过测试和验证。从参考晶振位置到FSK收发器的XTAL输入引脚的PCB走线应尽可能短。对于TRC102收发器，从天线输出端到天线馈线的走线也应尽可能短。
最后，在PCB上布一排过孔使正反两面可以连接在一起。放置这些过孔的目的是提供牢固的接地连接以及使电位均衡，以免出现任何可能的自激振荡。两个过孔的间距应在5-6 mm左右。如果需要提供牢固的接地连接，可以放置更多过孔。
收发器初始化
在使用任何RF收发器无线电器件之前，都必须对其进行初始化。通常通过向控制接口写入一系列串行命令来进行器件初始化。对这些特定控制寄存器的说明已超出本文范围，读者应参考所使用的RF收发器的数据手册中的具体信息。通常，可配置的参数包括频带选择、基带频率滤波器宽度、输出功率管理控制、数据缓冲配置、数据传输速率以及先进先出（First In First Out，FIFO）缓冲器控制。