布景
跟着更经济实惠、高度集成的单芯片通用ISM频带FSK收发器的呈现，加之与嵌入式低本钱单片机单片机(MCU)的结合，施行无线传感运用已成为一种颇具吸引力的挑选计划。
只需将这两项技能简略地结合在一起，便可结构十分根本的ISM频带915 MHz射频(Radio Frequency，RF)网络，来监控各种数字和模仿无线传感器
，例如长途温度传感器和根本运动检测传感器。
本文将界说一个根本的RF结构，用以完成对无线传感器的近实时监控。这一结构可轻松修正，以习惯其他需求近实时无线监控或操控接口的运用体系。
体系阐明
RF收发器简介
高度集成的RF收发器(例如RFM出产的用在433、868以及915 MHz ISM频带的TRC102)正凭仗更经济实惠的本钱优势得到越来越多的运用。这些器材一般具有串行通讯接口，可经过SPI或I2C?接口轻松衔接到各种嵌入式MCU。
长途无钥门禁(Remote Keyless Entry，RKE)体系中常用的一种无线电调制办法是振幅键控(Amplitude Shift Keying，ASK)，即经过改动频率固定的载波的振幅来传送数据。假如数据的编码办法为最大振幅表明“1”(传号)，零振幅(功率放大器[PA]封闭)表明“0”(空号)，则该调制办法称为开要害控(On-Off Keying，OOK)。这些类型的体系常用于单向运用。可是，运用此调制格局可完成十分简略且本钱较低的收发器规划。
RF收发器解决计划中一般选用的RF调制计划是运用频移键控(Frequency Shift Keying，FSK)。这是经过在均匀频率(或载波频率)的任一侧对载波频率进行位移来完成的。载波在载波频率一侧的位移量称为误差。相关于ASK调制，FSK调制具有多种优势。振幅调制对振幅和噪声的改变十分灵敏，而选用FSK编码的传送计划对信号衰减或其他与振幅相关的搅扰的抵挡才干更强。
尽管FSK体系的带宽表面上是从f0– f到f0+ f，但实践上，带宽的跨度要大于f0– f到f0+ f的规模，因为两个频率之间的搬运速度会发生额定的频谱重量。简而言之，能够为FSK调制是牢靠性更高、噪声更少的传输办法。为完成成功规划，您需求更深化地了解FSK调制无线链路的需求。图1显现了此类FSK调制信号的典型频谱。
图1：FSK调制信号的典型频谱
收发器是既能够发送又能够接纳RF数据的器材。能够一起发送和接纳数据的收发器体系称为全双工体系。反过来，在必定时刻内只能发送或接纳的体系称为半双工体系。因而，半双工体系只运用一个载波频率，且两个终端同享同一频率。全双工体系运用两个载波频率，别离称为上行频率和下行频率。在本文中，因为长途传感器单元的流耗约束，咱们选用半双工办法。
晶振精度
FSK调制收发器规划所运用的晶振的精度十分重要。咱们的专用FSK体系运用百万分率(parts per million，ppm)值很低的高精度晶振。晶振的精度越高，发送与接纳频率的偏移越少，误差和基带带宽也就越小。现在，质量较好的晶振的ppm值应小于等于40。晶振的ppm值阐明晰其精度，ppm值越低，晶振的质量越好。
图2显现了晶振精度对两个收发器之间的发送/接纳频率的影响。晶振的精度越高，基带滤波器的带宽就能够装备得越窄，因而从接纳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/接纳频率的影响
电路布线注意事项
关于任何RF规划，在安置印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)时所挑选的要害元件值以及规划做法是否合理，对确保完成杰出的整体RF功用都起到至关重要的效果。
强烈建议运用收发器制造商引荐的PCB布线，因为他们供给的RF规划已经过测验和验证。从参阅晶振方位到FSK收发器的XTAL输入引脚的PCB走线应尽或许短。关于TRC102收发器，从天线输出端到天线馈线的走线也应尽或许短。
最终，在PCB上布一排过孔使正反两面能够衔接在一起。放置这些过孔的意图是供给结实的接地衔接以及使电位均衡，避免呈现任何或许的自激振荡。两个过孔的距离应在5-6 mm左右。假如需求供给结实的接地衔接，能够放置更多过孔。
收发器初始化
在运用任何RF收发器无线电器材之前，都必须对其进行初始化。一般经过向操控接口写入一系列串行指令来进行器材初始化。对这些特定操控寄存器的阐明已超出本文规模，读者应参阅所运用的RF收发器的数据手册中的详细信息。一般，可装备的参数包含频带挑选、基带频率滤波器宽度、输出功率办理操控、数据缓冲装备、数据传输速率以及先进先出(First In First Out，FIFO)缓冲器操控。
收发器作业
收发器经过将中止输出线的电平拉低来向主机MCU宣布中止恳求。这表明发生以下事情之一：
发送(TX)寄存器已准备好接纳下一字节
接纳(RX)FIFO已到达预编程的位数
上电复位(Power on Reset，POR)承认
发生了FIFO溢出/TX寄存器下溢
主机MCU收到来自收发器的中止恳求后，会经过读取收发器的状况位来确认中止源。然后，MCU会决议所需的下一个串行指令以继续通讯或使收发器断电。
数据缓冲
大多数收发器中都含有一个FIFO缓冲器。假如使能数据FIFO，则收到的数据流在时钟操控下进入16位缓冲器。收发器只在同步方式电路检测到有用数据包后才开端填充FIFO。这可避免随机过错数据装入FIFO。FIFO到达预界说位数后，器材的中止输出引脚大将宣布缓冲器已满信号。此引脚上的逻辑电平“1”表明RX FIFO中的位数已到达预编程约束。收发器发生中止的电平可经过FIFO和复位指令设置。有关这些装备寄存器的详细信息，请拜见器材数据手册。
关于咱们的运用，此值已设置为8位(一个字节)，这样在发送/接纳过程中能够将数据逐字节装入FIFO。这只适用于经过装备设置指令使能的FIFO方式。SPI缓冲器的读取操作会使RX FIFO复位已接纳位数，并使中止输出引脚康复到逻辑零电平。
RF协议挑选
关于本规划，咱们评价了各种当时可用的RF通讯协议。ZigBee?、Microchip的MiWi?和MiWi点对点(Peer to Peer，P2P)等协议均已经过评价。可是，因为运用需求近实时的特性，因而运用了十分根本的时分多址(Time Divisional Multi Access，TDMA)协议计划(见图3)。经过将帧中第一个时隙界说为主机操控器宣布的标识，咱们能够很简略地确保在整个传感器监控体系中完成十分准确的延时。
图3：TDMA体系
传感器单元
关于咱们的体系，咱们已决议在每个数据帧中运用10个时隙，第一个时隙作为帧开始，别的九个用于多个长途传感器。这样，咱们最多能够近实时地监控九个传感器。咱们将主机MCU的预界说时隙设置为每秒10个，即每帧继续100 ms。这样，咱们便能够以每秒10次的速率(或10 Hz)从各个传感器提取RF数据。经过增加每秒时隙数可轻松完成更快的轮询计划，但这样会影响所需数据速率以及基带滤波器带宽距离。
硬件
传感器单元上运用的PIC16F688 8位闪存MCU实践上每20 ms丈量一次原始模仿传感器输入(每秒50次采样)。然后，它每隔100 ms会将最终五次采样一次发送给主机操控器。这样可获得更高的传感器采样率，而不会对体系的杂乱性发生显着影响。这种数据缓冲计划还有助于下降传感器的总功耗要求，因为接纳和发送RF数据包耗费了大部分功率。MCU单元在大多数时刻都处于低功耗休眠状况。它会每隔20 ms唤醒一次来对模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)或数字I/O引脚进行采样，然后每隔100 ms进行一次批量RF传送(大约继续2 ms)。
固件
PIC16F688 MCU运用内部根据RC的振荡器来确保从休眠和低功耗状况快速发动。为简化软件，选用了根本状况机软件流，并将MCU装备为每隔20 ms唤醒一次。这些状况中的一个被分配为等候主机操控器的RF帧开始(Start Of Frame，SOF)标识的传输。此SOF标识的接纳操效果于将长途传感器单元与精度更高的主机单元同步，该主机单元选用晶振进行USB通讯。假如在至少150 ms内未检测到SOF标识，则长途传感器将进入低功耗非活动状况，在此状况下，单元每秒唤醒一次来查找SOF标识。这样主机便可经过翻开或封闭SOF标识的传输，只在需求时轮询长途传感器。
假如需求一起监控更多传感器，能够轻松地将这个十分根本的协议计划扩展至答应更多时隙。但总是需求在各个传感器单元的惯例反应时刻(采样传感器)与总功耗预算之间进行权衡。此协议计划可进行修正以满意体系以及可用电源的特定需求，例如为每个长途传感器供电的电池尺度以及预期运用寿命。
主机操控器单元
关于主机操控器，咱们挑选了PIC18F14K50 8位闪存MCU，它是小型20引脚封装方式的全速USB 2.0器材。挑选此器材的原因是其本钱低价，而且咱们期望主机操控器经过USB端口直接与任何PC衔接，以陈述有关体系中每个长途传感器状况的近实时信息。也能够运用其他备用接口选项。主机单元由USB端口供电，然后以人机接口设备(Human Interface Device，HID)类USB设备的方式注册到PC。
硬件
运用PIC18F14K50 MCU，实践的硬件规划与长途传感器单元十分类似。运用相同的RF收发器规划，但将PIC16F688 MCU换成PIC18F14K50 MCU，以供给所需的USB接口功用。此单元需求继续供电，用作简化的TDMA体系中的主节点。
固件
主机操控器上的固件包含装备为HID类的Microchip规范USB协议栈;关于长途传感器单元运用类似的收发器初始化和数据传输程序;运用一台十分根本的状况机来操控RF无线电设备与PC间的数据传送。假如运用运转MS Windows?的PC，因为操作体系的多任务性质，无法一直确保时序准确。此外，咱们不期望PC图形用户界面(Graphical User Interface，GUI)软件过于杂乱。因而，运用PIC18F14K50作为RF长途传感器单元与PC GUI运用程序之间的数据缓冲器。PIC? MCU用于坚持TDMA时隙，以便在为PC缓冲采样数据时完成同步。PC运用程序已装备为每隔100 ms轮询一次USB HID设备，以获取任何可用的数据。在每个时隙/单元中增加了一个状况/操控字节，PC运用程序可轻松确认是否有新的传感器数据可用于屏幕更新。PIC18F14K50上的传感器数据缓冲器已装备为可处理多个RF数据包，以防PC运用程序没有及时读取可用数据。
PC GUI软件
关于本运用，传感器数据经过GUI运用程序内的进度条显现，而且能够轻松记载以对长途传感器进行数据盯梢。软件的开发渠道为Microsoft的Visual C#。软件可作为多个无线长途传感器单元实时行为的可视监控器，显现从每个无线传感器收到的实时数据。GUI经过USB HID类函数衔接到主机操控器来轮询可用数据或操控体系行为，例如发动RF轮询、中止RF轮询和恳求单次数据捕获等。
各种传感器类型
确认根本的RF传感器结构后，实践的RF长途传感器能够是从根本的温度监控器到加快(模仿或数字)监控器、数字输入(高/低电平检测)以及模仿电压监控(经过ADC转换为数字值)中的任何一个，乃至是根本的数字输出操控信号。经过这个简化的TDMA轮询计划，简略的RF结构还答应运用各种不同类型的长途传感器。
为传感器单元配对
每个传感器供给的信息都可包含一个专一标识符、一个传感器类型指示符和原始传感器数据丈量值。运用每个传感器单元的专一标识符有助于将传感器单元与主机操控器配对。主机标识器能够向将指示哪些时隙可用的传感器发送各种操控指令，乃至从体系中移除传感器。主机操控器还能够发送组标识符，这样它将只轮询与该特定传感器组配对的传感器。惋惜的是，这已超出本文规模，但肯定可完成极端灵敏易用的长途传感器网络。
安全增强功用
假如有人进行偷听并发送可对整个体系的完整性形成负面影响的虚伪传感器数据，则会很简略对RF网络的安全发生损害。经过在RF网络中增加一个安全层，能够轻松避免这种损害。有多种安全计划和算法可用于专一传感器验证，例如Microchip的KEELOQ?加密算法。乃至能够与更高档的加密算法(例如扩展的微型加密算法(eXtended Tiny Encryption Algorithm，XTEA)或高档加密规范(Advanced Encryption Standard，AES)算法)结合运用，以加密从长途传感器传输到主机操控器的传感器信息。
定论
本文介绍了怎么完成可实时监控传感器行为的根本RF长途传感器网络。低本钱RF收发器与MCU(如PIC18F14K50)的结合简化了此类体系的开发。远离无线传感器体系的年代无疑已成为曩昔。
本文所述的结构可用于近实时无线监控起重要效果的各种运用。假如长途传感器体系能够容许更大程度的延时，则完全能够运用本文所列的其他RF通讯协议。这些备选协议的灵敏性更高，但也需求更高端的MCU资源才干完成。此外，经过增加简略的专一网络标识，根本的RF配对计划和加密算法能够使此类无线网络愈加安稳牢靠和安全。
