面向物联网应用的短距离无线接入技术

刘蔚

（湖南现代物流职业技术学院，湖南 长沙410131）

1 短距离无线通信技术阐释

当前，最常见的近距离无线通信技术包括ZigBee、蓝牙、红外、近场通信与Wifi，根据技术特点与属性，选择ZigBee 作为无线通信技术发展的主要参考依据。在众多短距离无线通信技术中，蓝牙传输数据与语音的能力最为可靠，而且能够实现一对多和一对一通信目标。对于近场通信，可在设定距离与频谱中对不同速率进行设计。NFC 主要优势就是距离短且能耗低，可自动连接并实现通信。而Wifi 则属于移动设备间通信技术，在理论角度分析，具备不低于一个的接入点，也被称作热点，在其覆盖范围内凡是具备Wifi 功能设备均可连接共享带宽。在研究中了解到，WSN 组网与节点对通信技术在能耗方面的要求极高，所以必须选用最低能耗的短距离通信技术[1]。其中，ZigBee 通信协议制定无线通信标准，以IEE802.15.4 标准为基础，并且被当做通信协议定义切入点，使得不同设备结合协议需求制造同种兼容。而且，ZigBee 在众多短距离无线通信技术中的功耗低，能够满足WSN 数据传输的基本要求，所以选择ZigBee 最佳。

2 面向物联网应用的短距离无线传输系统设计

以上针对多种短距离无线通信技术展开了相关性阐释，并得出ZigBee 技术的优势与价值。以物联网为基础，对短距离无线传输系统加以设计十分有必要，可为生态环境污染的监测提供必要帮助。

2.1 硬件设计

此系统的硬件平台是Altium Designer13，含括了信号处理和仿真等多种功能。

2.1.1 微处理模块的设计

在我国，低功能标准备受推崇，伴随电池供电产品需求的不断增加，以及绿色能源技术发展等多种因素影响，各领域对于功耗的要求更加严格[2]。为此，在此设计中，主芯片选择使用STM32L151，其功耗极低系统整体设计架构如图1 所示。

在此设计中，STM32 主控芯片的引脚数量为64，为保证系统运行稳定且正常，需要在芯片周边对电源电路和时钟电路加以设计，进而发挥辅助作用。

图1 节点整体设计图示

其一，实时时钟。在系统结构监测中，为确保实时同步，需要选用8MHz 的晶体振荡器，且两端分别和芯片当中的X1 与X2引脚进行连接。在实时时钟中，其芯片可产生6 个时标，且有效期为2100 年[3]。当主工作电源掉电的状态下，芯片的时钟保护电路与备份电源间可自主切换电路。而在线片内含括了静态RAM，字节为31，可更好地存储关键性的数据。STM32L151 芯片在电路设计方面相对简单，可在同步串行的基础上，确保单片机与芯片接口有效通信，只要利用串行数据、复位以及串行时钟就能够完成操作。

其二，电源电路。在电源模块中可包括两部分：a.24V 电压向5V 电压的转换，在转换期间，协调器节点可借助VRB2405ZP-6W 予以实现；b.5V 电压向3.3V 电压的转换。在电源模块内，24V 电压向5V 电压成功转换以后，协调器通信芯片与传感器节点模拟开关即可提供5V 的电压。在24V 电压连接后，对C3和C4电容进行并联处理，即可确保电压输入的稳定性，而C3电容的功能是对低频波的过滤，C4电容的功能是过滤处理高频波，在两电容共同作用之下，可增强24V 电压输入的稳定性[4]。

对于协调器节点内部的各模块，需选择3.3V 电压。所以，5V电压向3.3V 转变时可通过SPX1117 完成。而输出端和C7、C8电容能够使电压更加稳定，将干扰信号有效过滤掉。

2.1.2 SIM900B 模块设计

SIM900B 的功能是传输数据，可对多版本产品有效兼容，具备四频段GSM 模块，可以集成TCP/IP 协议栈，确保IP 传输数据的有效固定。在系统协调器中应用，并且将工作电压设定在3.2-4.8V 范围内。在GPRS 多时隙中，可划分成信道10/8，且低功耗可达到1 毫安。在设计此模块电路的时候，SIM900B 选择了4.2V 单电源供电，而在芯片内部有8 个VBAT 引脚，并且连接了VCC4.2[5]。要想使 的供电电压稳定，可对 稳压器进行使用，借助其线性降压功能，将电源的输入值设定成5V，电源的输出值设定成4.2V，在输出电压和VBAT 连接的基础上，增加设置旁路电容，将容量控制在100μF。

2.1.3 ZICM2410 模块设计

研究中，选择使用ZICM2410 模块芯片将其当成ZigBee 模块核心芯片，其中含括射频通道16 条、无障碍传输3000 英尺、8位ADC 有4 路，实际工作温度为-40.5-85 摄氏度之间，保存的温度在-55-125 摄氏度之间。当电压处于2.1-3.3V 之间时，芯片运行状态正常，与大部分应用的要求吻合。对于ZICM2410 芯片而言，其内部为射频通讯的集成，仅需添加部分外围电路与信号，即可使得芯片被驱动并正常运行。

2.2 软件设计

在系统监测环境的过程中，选择校园南部小树林，在其中部署特定数量的传感器监测节点，而各节点均应用ZigBee 技术，在一跳方法的作用下即可和协调器通信。而协调器能够将收集到的信息通过GSM/GPRS 方法向远程管理中心传送。此中心主要由三部分组成，即RS485 转232 串口、电脑PC 以及支持GSM/GPRS 通讯接收设备。在远程管理中心的接收设备对协调器发布数据接收以后，即可通过RS485 转232 串口设备向PC端传送数据信息。

2.2.1 传感器节点的设计

在此设计中，节点软件流程如图2 所示。

图2 节点应用软件的操作流程

根据图2 可知，灰色框为uC/OS-H 执行的任务，而白色框是用户任务。在灰色框的内部，函数表示的是交管理权限微处理器，借此完成操作任务。

2.2.2 温湿度采集模块的设计

此模块一般对环境温湿度采集的传感器中运用，即SHT11。AD 转换器有14 位，同时含括串行数据传输接口。其中，微处理器能够对传感器采集数据进行科学化控制，对环境数据数值进行读取。在传感器上电开启以后，需将命令发送给传感器，进而对工作加以控制。随后，微处理器在DATA 和SCK 引脚的作用下，即可将启动传输时序向传感器传输，对原则微处理器控制命令进行等待。当微处理器接收到传感节点数据以后，就能够对数据进行及时接收。

3 系统测试结果

系统软件与硬件的性能会对系统运行稳定性、可靠性产生直接影响，并且利用平台完成调试与程序下载的操作[6]。在传感器采样的过程中，利用1 秒间隔频率或者是2 秒间隔频率对不同传感器信息加以采集，采集时间要连续超过24 小时，对LCS显示数据的异常情况进行观察。根据测试结果可以发现，采样状态正常，且数据十分可靠。在测试人机操作界面的时候，对相关按键菜单进行重复性操作，对不同系统参数进行设置，对程序跑死情况加以查看。根据测试的结果了解到，程序在运行状态下没有错误和死机的情况。在测试通讯程序的时候，借助串口调试工具，借助1 秒间隔频率发送命令，对系统数据返回的及时性进行查看，了解返回数据的正确与否。与此同时，对不同波特率进行设计，了解通讯正常与否。根据测试的结果了解到，系统的通信功能处于正常状态。

结束语

综上所述，伴随当前全球生态环境污染程度的不断加剧，对人民群众的日常生活产生了直接影响，同样也困扰其身心健康。在这种情况下，以ZigBee 为基础对面向物联网的短距离无线传输系统进行科学化设计，即可对以上问题加以解决。这样一来，即可结合各模块功能合理化地设计硬件与软件，进而为环境监测工作的开展提供必要帮助。