時(shí)間：2022-05-18 09:29:11
序論：在您撰寫室內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的1篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
摘 要：高校實(shí)驗(yàn)室在上課期間，人員集中，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量惡劣，對(duì)師生的健康和學(xué)習(xí)效率有著很大的影響。文中選擇高校實(shí)驗(yàn)室作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，為營(yíng)造健康舒適的高校室內(nèi)環(huán)境提供了一種技術(shù)支持，從而為實(shí)現(xiàn)高校室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的健康可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)；溫濕度；光照；ZigBee
0 引 言
健康舒適的室內(nèi)環(huán)境對(duì)任何一種建筑來(lái)說(shuō)都尤為重要，實(shí)驗(yàn)室作為人員密集型建筑，良好的室內(nèi)環(huán)境有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。如果溫度過(guò)高或過(guò)低，濕度過(guò)濕（高于70%）或過(guò)燥（低于30%），光照的過(guò)明或過(guò)暗，都會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生不適感，影響正常排汗和情緒、降低注意力。由此可見，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的不盡人意，在無(wú)形中影響了學(xué)生的健康和學(xué)習(xí)效率。因此，開發(fā)了室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便24小時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境質(zhì)量參數(shù)。本無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：（1）該系統(tǒng)可以延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)室里面設(shè)備的使用壽命，為設(shè)備提供一個(gè)安全的使用環(huán)境；（2）該系統(tǒng)能夠提高管理效率，溫濕度數(shù)據(jù)可以遠(yuǎn)程傳輸，管理人員在巡查的時(shí)候不必到機(jī)房去就可以遠(yuǎn)程了解實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境問(wèn)題；（3）本系統(tǒng)可以代替管理人員24小時(shí)監(jiān)控非上班時(shí)間實(shí)驗(yàn)室存在的安全隱患，達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
在日常生活中，由于存在個(gè)體差異，在各種條件下要找到一個(gè)單一的指標(biāo)來(lái)準(zhǔn)確反映人體對(duì)環(huán)境的舒適性是很困難的。因此，在環(huán)境舒適性的檢測(cè)過(guò)程中，我們往往關(guān)注三個(gè)比較重要的影響環(huán)境舒適性的因素：溫度、濕度、照度。所以本系統(tǒng)針對(duì)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境分別采集溫度、濕度、照度這三個(gè)因素來(lái)衡量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的舒適性。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
圖1 室內(nèi)環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖
本文所述的室內(nèi)環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為硬件設(shè)計(jì)方案和軟件設(shè)計(jì)方案兩部分。
1.1 硬件設(shè)計(jì)方案
該系統(tǒng)采用模塊化的硬件設(shè)計(jì)，由STC12系列單片機(jī)微控制器、溫濕度傳感器、光照傳感器、CC2530芯片的ZigBee收發(fā)模塊、液晶顯示模塊、電源模塊等組成。該終端具有室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集、計(jì)算處理等功能，它可以連續(xù)自動(dòng)地測(cè)量溫度、濕度、光照這些指標(biāo)，各種要素經(jīng)過(guò)傳感器將模擬量轉(zhuǎn)化成相應(yīng)數(shù)字量，供采集器定時(shí)處理后給單片機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示及無(wú)線傳輸。
1.2 軟件設(shè)計(jì)方案
室內(nèi)環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由主程序、溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)子程序、光照傳感器驅(qū)動(dòng)子程序、LCD12864液晶顯示子程序、串口通信子程序等組成。對(duì)于硬件方案用到的編程軟件其中包括對(duì)于微控STC12C5A60S2進(jìn)行C語(yǔ)言程序編譯的Keil軟件，將Keil軟件生成的.hex頭文件燒錄至MCU中的下載軟件STC-ISP中。
2 室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無(wú)線采集系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，分別為微處理器電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計(jì)、顯示模塊電路設(shè)計(jì)、串口通信電路設(shè)計(jì)、無(wú)線收發(fā)模塊。在本系統(tǒng)中，對(duì)實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)的采集主要依靠各種傳感器，如溫濕度傳感器AM2301、照度傳感器模塊GY30。這些傳感器的工作原理是利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨環(huán)境變化的規(guī)律把溫度、濕度、照度等轉(zhuǎn)換為模擬量或數(shù)字量進(jìn)行輸出，通過(guò)單片機(jī)采集這些電量數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算即可確定各環(huán)境參數(shù)的數(shù)值。在室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，本文使用了STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)，溫濕度接口電路，光照接口電路，接口電路，電源電路，串口通信接口電路。
2.1 MCU的選型
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是STC12C5A60S2單片機(jī)。STC12C5A60S2 在眾多的51系列單片機(jī)中，算是國(guó)內(nèi)STC 公司的1T增強(qiáng)系列中更具有競(jìng)爭(zhēng)力的一種，因?yàn)樗坏?051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)具有Flash工藝的大容量程序存儲(chǔ)器。如STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部就自帶高達(dá)60 K的 FlashROM，這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。而且STC系列單片機(jī)支持串口程序燒寫。顯而易見，這種單片機(jī)對(duì)開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可進(jìn)行加密，很好地保護(hù)了用戶的勞動(dòng)成果。
2.2 溫濕度傳感器AM2301
DHT21數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT21傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。
2.3 光照傳感器模塊GY30
本系統(tǒng)采用新型單片測(cè)光芯片GY30模塊，該模塊的工作電壓為3.3 V，內(nèi)置了BH1750芯片，可以對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行1勒克斯的高精度測(cè)定，實(shí)現(xiàn)了照明度（1～65 536勒克斯）數(shù)字值的直接輸出。主控器通過(guò)I2C（Inter-Integrated Circuit） 通訊接口讀取GY30采集到的數(shù)據(jù)，然后按照用戶要求的形式通過(guò)界面將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來(lái)。
2.4 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊選型
本系統(tǒng)中所使用的ZigBee模塊為某電子公司的無(wú)線模塊，該無(wú)線模塊在產(chǎn)品類型中分為三種：ZigBee（Coordinator-協(xié)調(diào)器）模塊、ZigBee Router（路由器）模塊、ZigBee End Device（終端設(shè)備）模塊。 ZigBee能耗無(wú)線監(jiān)測(cè)終端的硬件設(shè)計(jì)中，無(wú)線ZigBee模塊（Router-路由器）的功能是以無(wú)線方式發(fā)送數(shù)據(jù)資料包，并尋找最適合的路由路徑，當(dāng)有其他終端節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，其也可為其他終端節(jié)點(diǎn)分配地址。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，其內(nèi)部包含一個(gè)8051 CPU，且系統(tǒng)內(nèi)可編程，其支持TI官方指定的IAR編譯軟件，并具備8 KB RAM，因此，CC2530是一個(gè)完整的SoC解決方案。通過(guò)其可以建立強(qiáng)大的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
2.5 ST7920型12864液晶顯示模塊
為了在節(jié)約硬件資源的基礎(chǔ)上可以得到更豐富的顯示內(nèi)容，并考慮到低功耗的要求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的顯示電路采用ST7920型12864帶字庫(kù)的液晶顯示模塊。
3 室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本節(jié)的主要內(nèi)容是進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)的核心為底層硬件溫濕度傳感器AM2301模塊、光照傳感器GY30模塊、LCD12864液晶、串口通信等編寫驅(qū)動(dòng)程序，使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在上電后可以分別正常監(jiān)測(cè)溫濕度值、光照值的顯示，及進(jìn)行串口通信。室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主控程序流程圖如圖2所示。
圖2 室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主控程序流程圖
3.1 溫濕度傳感器AM2301驅(qū)動(dòng)子程序設(shè)計(jì)
DATA數(shù)據(jù)線用于MCU與 AM2301之間的通信。四十比特完整的數(shù)據(jù)=十六比特的濕度數(shù)據(jù)值+十六比特的溫度數(shù)據(jù)值+八比特校驗(yàn)和。例如，接收四十比特的數(shù)值，溫濕度傳感器AM2301的數(shù)據(jù)格式如圖3所示。
圖3 溫濕度傳感器AM2301的數(shù)據(jù)格式
空閑時(shí)總線為高電平，通訊開始MCU拉低總線1～10ms，然后釋放總線，延時(shí)20～40 μs后主機(jī)開始檢測(cè)響應(yīng)信號(hào)。從機(jī)AM2301的響應(yīng)信號(hào)是一個(gè)80 μs左右的低電平，隨后從機(jī)在拉高總線80 μs左右代表即將進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送。長(zhǎng)的高電平代表的是信號(hào)1；短的高電平代表的是信號(hào)0。溫濕度傳感器AM2301數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序圖如圖4所示。
圖4 溫濕度傳感器AM2301的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖
3.2 光照傳感器GY30驅(qū)動(dòng)子程序設(shè)計(jì)
GY30與主控器之間的通訊使用I2C通訊協(xié)議。時(shí)鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線由高電平向低電平變化表示開始信號(hào)；時(shí)鐘線為高電平期間，數(shù)據(jù)線由低向高變化表示結(jié)束信號(hào)。I2C通訊協(xié)議的起始信號(hào)與終止信號(hào)時(shí)序圖如圖5所示。
圖5 I2C通訊協(xié)議的起始信號(hào)與終止信號(hào)時(shí)序圖
3.3 串口通信子程序設(shè)計(jì)
上位機(jī)對(duì)單片機(jī)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的讀取是通過(guò)USART實(shí)現(xiàn)的。由于單片機(jī)內(nèi)部集成有USART模塊，因此MCU只需要連接MAX232芯片，就能和PC通信。首先，單片機(jī)要設(shè)置異步通信的比特率數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)方式等，最后才打開中斷。在本系統(tǒng)中，異步串口通訊模塊比特率設(shè)置為9 600，通信模式采用模式l，即每次發(fā)送的有效數(shù)據(jù)為8位，另加一位停止位。串口通信的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。
4 結(jié) 語(yǔ)
本文針對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用無(wú)線數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)认冗M(jìn)信息技術(shù)手段，準(zhǔn)確采集室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)，使實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量在計(jì)量、采集、統(tǒng)計(jì)方面更加完善，同時(shí)確保實(shí)驗(yàn)室的正常、高效、健康、穩(wěn)定地運(yùn)行。管理人員只需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)就可以了解實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的實(shí)際情況，從而極大地減輕對(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理工作，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)管理。
摘要：為了提高室內(nèi)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位精度，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于UWB的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)在上位機(jī)軟件上運(yùn)用TDOA算法進(jìn)行定位計(jì)算，硬件設(shè)計(jì)上錨節(jié)點(diǎn)采用decaWave公司生產(chǎn)的DW1000為無(wú)線收發(fā)芯片，在其控制器STM32內(nèi)部寫入嵌入式程序，完成數(shù)據(jù)記錄、收發(fā)。該系統(tǒng)理論定位精度可達(dá)到10cm，抗多徑能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高，為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器定位提供了更多的參考。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) UWB TDOA DW1000
隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，人類已經(jīng)置身于信息時(shí)代，一種全新的UWB技術(shù)與21世紀(jì)最具影響力的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的完美結(jié)合，正在改變著科技，改變著人類工作生活的方式，連通了現(xiàn)實(shí)社會(huì)、計(jì)算機(jī)世界、人類社會(huì)這三元世界。人類社會(huì)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、定位、跟蹤和導(dǎo)航要求日益增高，尤其在環(huán)境復(fù)雜的室內(nèi)，常常需要確定物品與設(shè)施的具體位置，所以急切需要開發(fā)通信能力強(qiáng)、成本小、能耗低、可靠性高的定位系統(tǒng)。相比于其他無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，基于UWB[1]的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)低功耗、低成本、高容量、高安全性的特點(diǎn)，非常適合于多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信搭建室內(nèi)定位平臺(tái)。
1 系統(tǒng)構(gòu)架和定位原理
1.1 系統(tǒng)整體構(gòu)架
本定位系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，硬件部分是基于UWB（IEEE802.15.4）協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中包括標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)（Tag）、錨節(jié)點(diǎn)（Anchor），軟件部分包括硬件嵌入式軟件和運(yùn)行于上位機(jī)上的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（RTLS）軟件。 在系統(tǒng)中錨節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，錨節(jié)點(diǎn)對(duì)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)TOA信息進(jìn)行的記錄[2] [3]，并且，記錄錨節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步信息，然后發(fā)送給上位機(jī)定位軟件，由上位機(jī)定位軟件完成TDOA[4]定位分析計(jì)算，定位位置顯示，并對(duì)Anchor/Tag進(jìn)行配置管理。如圖1所示。
1.2 定位原理
定位系統(tǒng)基于TDOA定位方法，這種方法只要求錨節(jié)點(diǎn)之間同步，不要求錨節(jié)點(diǎn)與標(biāo)簽之間同步，便與工程實(shí)現(xiàn)。通過(guò)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)向位置已知的錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送無(wú)線電波信號(hào)，測(cè)量出標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)到達(dá)錨節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，因?yàn)樵诳諝庵袩o(wú)線電波傳播的速度近似于光速，所以，可以得到標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的距離差，然后根據(jù)雙曲線原理，利用最小二乘可以求出標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)[5]，完成定位。如圖2所示。
已知有三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)A 、B 、C 的坐標(biāo)，未知標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)T ，T到A與T到B的距離差 ，T到A與T到C的距離差 ，根據(jù)幾何原理，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)T必定位于以錨節(jié)點(diǎn)A、B為焦點(diǎn)、與兩個(gè)焦點(diǎn)的距離差恒為 的雙曲線上。同時(shí)，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)T也位于以錨節(jié)點(diǎn)A、C為焦點(diǎn)、與兩個(gè)焦點(diǎn)距離差恒為 的雙曲線上，則有，
因?yàn)楦鱾€(gè)錨節(jié)點(diǎn)的位置都已知，可以求出 ， ， ，得到位置標(biāo)簽T ，的位置。
2.硬件設(shè)計(jì)
2.1 錨節(jié)點(diǎn)總體架構(gòu)
錨節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)是硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的功能很單一只是按固定周期發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，與錨節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)相似，這里以錨節(jié)點(diǎn)作為重點(diǎn)進(jìn)行介紹，下圖是錨節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)總體架構(gòu)，錨節(jié)點(diǎn)主要有處理器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、嵌入式軟件組成。錨節(jié)點(diǎn)以STM32F107VCT6為MCU，通過(guò)SPI[6]連接DW1000無(wú)線收發(fā)芯片，對(duì)其進(jìn)行控制管理，集成EEPROM芯片，用于存儲(chǔ)錨節(jié)點(diǎn)MAC地址、IP地址、RTLS定位服務(wù)器IP地址等，錨節(jié)點(diǎn)還設(shè)計(jì)有Ethernet接口用于上傳數(shù)據(jù)、提供電源。如圖3所示。
2.2 處理器模塊
定位系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)在MCU的選擇上，采用意法半導(dǎo)體公司推出的互聯(lián)型系列微控制器STM32F107VCT6，此芯片集成了各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口。它基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，主頻72MHz，內(nèi)部含有256K字節(jié)的FLASH和64K字節(jié)的SRAM，LQFP100封裝。板上除晶振外的所有IO口全部引出，方便擴(kuò)展及開發(fā)。內(nèi)部集成高性能以太網(wǎng)模塊，支持802.3協(xié)議定義的獨(dú)立于介質(zhì)的接口（MII）和簡(jiǎn)化的獨(dú)立于介質(zhì)的接口（RMII），支持DHCP、Telnet、TFTP、HTTP等協(xié)議。提供256字節(jié)的I2C端口，提供18Mbps的SPI接口，含有USB 2.0 OTG全速接口，支持從USB接口取電或通過(guò)控制對(duì)USB設(shè)備供電。
2.3 無(wú)線通模塊
無(wú)線通信模塊采用decaWave公司提供的DW1000無(wú)線收發(fā)芯片，它是一個(gè)遵循IEEE802.15.4-2011 UWB標(biāo)準(zhǔn)的低能耗、低成本無(wú)線收發(fā)芯片，支持精度定位和同步數(shù)據(jù)傳輸，定位精度可達(dá)到10cm，抗多徑能力強(qiáng)，在RTLS系統(tǒng)中支持高密度存在，長(zhǎng)壽命的電池適用于極小系統(tǒng)的消耗，支持TOF測(cè)距和TDOA精確定位，支持6個(gè)從3.5GHz到6.5GHz射頻波段，數(shù)據(jù)傳輸速率為110 kbps，850 kbps，6.8 Mbps，功率消耗低，睡眠模式電流1 ?A，深度睡眠迷失電流50nA，擁有完整的MAC層支撐軟件，提供SPI接口，可連接主處理器，6 mm x 6 mm 48引腳小型封裝包，引線間距0.4 mm。適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。如圖4所示。
2.4 SPI接口設(shè)計(jì)
SPI是一種同步串行外設(shè)接口，本系統(tǒng)中STM32作為主設(shè)備通過(guò)SPI實(shí)現(xiàn)對(duì)從設(shè)備DW1000無(wú)線收發(fā)芯片內(nèi)部寄存器和RAM的讀寫操作，進(jìn)行通信以交換信息、發(fā)送命令。SPI接口設(shè)計(jì)有4跟線，其中SCLK表示主設(shè)備STM32產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，完成對(duì)通信的控制， MOIS表示STM32輸出數(shù)據(jù)，DW1000接收數(shù)據(jù)， MIOS表示DW1000輸出數(shù)據(jù)，STM32接收數(shù)據(jù)， CS1/CS2表示DW1000的使能信號(hào)，由STM32控制。如圖5所示。
2.5 I2C設(shè)計(jì)
I2C[7]模塊采用24C02的EEPROM芯片，該芯片容量為2Kbit，256個(gè)8字節(jié)，內(nèi)有一個(gè)16字節(jié)寫緩存器，支持I2C總線傳輸協(xié)議。I2C總線由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL構(gòu)成，可以在MCU與DW1000、DW1000與DW1000之間進(jìn)行雙向傳輸，各種被控制的電路都并聯(lián)在這條總線上，每個(gè)模塊都有自己唯一的地址，根據(jù)所要完成的工作，在信息傳輸?shù)臅r(shí)候，每一個(gè)模塊既是控制器，又是發(fā)送器。本系統(tǒng)主要用于存儲(chǔ)Anchor MAC地址、IP地址、RTLS定位服務(wù)器IP地址、decaWave DW1000收發(fā)器芯片的硬件配置信息。如圖6所示。
3 嵌入式軟件設(shè)計(jì)
嵌入式軟件開發(fā)采用Keil公司的Keil uVision4，編程語(yǔ)言使用C語(yǔ)言，該軟件的編譯與調(diào)試能夠與ARM器件高效匹配。編寫在MUC中的嵌入式軟件主要完成標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)TOA的測(cè)量、錨節(jié)點(diǎn)之間TOA信息的測(cè)量、將獲得信息傳送給RTLS。
嵌入式軟件的信息處理流程采用串行處理，單線結(jié)構(gòu)就可完成所需功能，包括 STM32復(fù)位和時(shí)鐘配置模塊（STM32-RCC）、I2C讀取模塊、Ethernet模塊、DHCP動(dòng)態(tài)IP獲取模塊、UDP5555端口初始化模塊、UDP4646端口初始化模塊、定時(shí)器配置模塊、decaWave DW1000收發(fā)器配置模塊、上層應(yīng)用初始化模塊、發(fā)送無(wú)線廣播數(shù)據(jù)包模塊、中斷處理程序。當(dāng)無(wú)線收發(fā)收發(fā)芯片收到或發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀的的時(shí)候，會(huì)向MUC發(fā)送中斷請(qǐng)求，中斷程序主要中斷產(chǎn)生的類型、判斷中斷位置是否正確、讀取數(shù)據(jù)接收幀的源地址、讀取數(shù)據(jù)接收幀的類型、接收數(shù)據(jù)幀、讀取TOA信息、將讀取的信息進(jìn)行封裝發(fā)送給RTLS。如圖7所示。
圖7 嵌入式軟件流程圖
4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件采用微軟公司開發(fā)的WPE框架，使用C#編程語(yǔ)言。主要完成TDOA定位分析計(jì)算，Anchor狀態(tài)顯示、定位顯示、配置管理。Anchor狀態(tài)顯示主要顯示Anchor是否連接到TDOA-RTLS，Anchor能夠接收到那些Anchor的Pacer-blink信號(hào)，以及Anchor兩個(gè)無(wú)線模塊的工作狀態(tài)；定位顯示主要顯示Anchor位置和工作狀態(tài)（有無(wú)信號(hào)發(fā)送），Tag位置和工作狀態(tài)（有無(wú)信號(hào)發(fā)送），Tag歷史位置（或活動(dòng)軌跡）指示；配置管理功能主要包括定位軟件的功能配置和Anchor的管理配置。
4.1 上位機(jī)軟件接口
嵌入式軟件通過(guò)端口號(hào)為6666的UDP連接向RTLS發(fā)送TOA分析計(jì)算和Anchor之間的時(shí)鐘同步所需的信息，該端口上傳輸?shù)男畔ㄩL(zhǎng)度分別為76字節(jié)和70字節(jié)的數(shù)據(jù)包；RTLS通過(guò)端口號(hào)為3535的UDP發(fā)送管理配置信息，該端口的信息完全可以通過(guò)IP Tools網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)包的截獲和分析，并且這些信息可以與I2C芯片中讀取的信息進(jìn)行對(duì)比分析；RTLS通過(guò)編號(hào)為2346的UPD將定位計(jì)算結(jié)果直接發(fā)送給各個(gè)顯示客戶端；RTLS通過(guò)端口編號(hào)為2345的UPD發(fā)出TDOA定位計(jì)算結(jié)果。如圖8所示。
4.2 上位機(jī)軟件工作流程
上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，主要有主線程、TDOA計(jì)算線程、UDP6666數(shù)據(jù)包接收線程、UDP6666 socket數(shù)據(jù)包收發(fā)線程、UDP3535處理線程、UDP2346處理線程構(gòu)成。當(dāng)定位系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，RTLS系統(tǒng)通過(guò)端口6666的UDP連接就收上傳數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)包接收完成后對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，76字節(jié)數(shù)據(jù)包提供標(biāo)簽到達(dá)錨節(jié)點(diǎn)的TOA信息，70字節(jié)數(shù)據(jù)包提供錨節(jié)點(diǎn)之間的TOA信息，之后通過(guò)TDOA計(jì)算線程調(diào)用定位算法函數(shù)進(jìn)行定為計(jì)算，最后通過(guò)UDP2346處理線程顯示出定位結(jié)果，整個(gè)過(guò)程中UDP3535處理線程一直處于打開狀態(tài)，進(jìn)行管理配置。如圖9所示。
5 結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于與DW1000的超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)，該系運(yùn)用TDOA定位算法，原理簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn)，硬件部分采用DW1000無(wú)線收發(fā)芯片，具有定位精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)。同時(shí)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位提供了一個(gè)參考樣本，具有一定的參考價(jià)值。
[摘 要]消火栓系統(tǒng)是最基本、最重要的滅火設(shè)施，對(duì)消火栓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理應(yīng)引起足夠的關(guān)注和重視。本文分析了消火栓系統(tǒng)的特點(diǎn)，探討了室內(nèi)消防豎管設(shè)置的最小間距，并研究了高位消防水箱設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題。
[關(guān)鍵詞]消火栓；消防豎管；高位消防水箱
1 消火栓系統(tǒng)的特點(diǎn)
消火栓系統(tǒng)是我國(guó)使用最早、應(yīng)用最為廣泛的消防系統(tǒng)。消火栓系統(tǒng)包括室內(nèi)外消火栓設(shè)備、消防管道、消防供水等設(shè)施，在滅火時(shí)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
（1）人工操作的消防系統(tǒng)，也意味著發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防人員的到位會(huì)有一定的滯后；
（2）系統(tǒng)本身滅火效果也會(huì)受到火場(chǎng)條件的影響，比如：較高的火場(chǎng)溫度，濃煙降低了火場(chǎng)能見度，建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)不完全符合消防要求等；
（3）火災(zāi)最終需要由消火栓系統(tǒng)來(lái)收尾。
作為室外、室內(nèi)都使用的消防系統(tǒng)，消火栓系統(tǒng)是最基本、最重要的滅火設(shè)施，對(duì)消火栓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理應(yīng)引起足夠的關(guān)注和重視。本文即對(duì)室內(nèi)消火栓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所遇見的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析。
2 消防豎管最小間距的確定
《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱“建規(guī)”）規(guī)定：室內(nèi)消火栓的布置應(yīng)保證每一個(gè)防火分區(qū)同層有兩支水槍的充實(shí)水柱同時(shí)到達(dá)任何部位[1]。
《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱“高規(guī)”）規(guī)定：消防豎管的布置，應(yīng)保證同層相鄰兩個(gè)消火栓的水槍的充實(shí)水柱同時(shí)達(dá)到被保護(hù)范圍內(nèi)的任何部位[2]。
《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定（以下簡(jiǎn)稱“水規(guī)”）：室內(nèi)消火栓的布置應(yīng)滿足同一平面有2支水槍的2股充實(shí)水柱同時(shí)達(dá)到任何部位的要求[3]。
依以上規(guī)范條文可知，消火栓布置時(shí)可根據(jù)水槍的充實(shí)水柱長(zhǎng)度、建筑層高和水帶長(zhǎng)度得到消火栓的保護(hù)半徑，使得建筑內(nèi)各處均處于兩個(gè)以上消火栓的保護(hù)范圍內(nèi)即可達(dá)到要求。由此結(jié)合建筑內(nèi)部形式可基本確定消防豎管的最大設(shè)計(jì)間距。
但上述三部規(guī)范并未詳細(xì)規(guī)定消防豎管的最小間距，當(dāng)兩個(gè)消火栓布置間距過(guò)近或緊連著布置一處時(shí)，一旦火勢(shì)威脅到某處消火栓，兩個(gè)消火栓極易同時(shí)受大火影響，無(wú)法起到互相保護(hù)的作用，這種情況應(yīng)該避免的。所以消防豎管布置應(yīng)保證最小間距，根據(jù)對(duì)安全出口應(yīng)分散布置并保證至少5米最小間距的要求，保證5米是一個(gè)比較合理的最小間距。
3 高位消防水箱設(shè)置的必要性
消防水箱是設(shè)置在高處直接向水滅火設(shè)施重力供應(yīng)初期火災(zāi)消防用水量的蓄水設(shè)施。對(duì)于高位消防水箱，部分人認(rèn)為消防水箱可少設(shè)或不設(shè)，因?yàn)榻ㄖ咛幵O(shè)置的水箱可能會(huì)影響建筑立面處理，增加結(jié)構(gòu)荷載和抗震防護(hù)要求，而且水箱作用有限，自身并不一定完全滿足最不利點(diǎn)水壓要求，且在消防主泵投入較早較及時(shí)的情況下，可以基本保證消防供水。
但筆者認(rèn)為，考慮到我國(guó)的電力供應(yīng)和消防設(shè)施管理情況，結(jié)合已發(fā)生的火災(zāi)案例，若不設(shè)高位消防水箱很有可能影響到火災(zāi)的初期滅火，而能否及時(shí)、快速的在火災(zāi)大范圍蔓延之前控制火勢(shì)是至為關(guān)鍵的。況且如下文所述，消防系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)可以降低水箱設(shè)置高度，或設(shè)置在下層，通過(guò)設(shè)置穩(wěn)壓泵來(lái)達(dá)到水箱的設(shè)計(jì)壓力要求。所以，在臨時(shí)高壓消火栓系統(tǒng)中設(shè)置高位消防水箱是非常有必要的。
4 高位消防水箱的設(shè)置高度
《水規(guī)》規(guī)定：高位消防水箱的設(shè)置位置應(yīng)高于其所服務(wù)的水滅火設(shè)施，且最低有效水位應(yīng)滿足水滅火設(shè)施最不利點(diǎn)處的靜水壓力，并應(yīng)按下列規(guī)定確定：1一類高層公共建筑，不應(yīng)低于0.10MPa，當(dāng)建筑高度超過(guò)100m時(shí)不應(yīng)低于0.15MPa；2高層住宅、二類高層公共建筑、多層公共建筑，不應(yīng)低于0.07 MPa；多層住宅不宜低于0.07 MPa；3工業(yè)建筑，不應(yīng)低于0.10 MPa，當(dāng)建筑體積小于20000m？時(shí)，不宜低于0.07 MPa；4自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)等自動(dòng)水滅火系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)噴頭滅火需求壓力確定，但最小不應(yīng)小于0.10 MPa[3]。
由上述條文可見，《水規(guī)》要求需滿足最不利消火栓處7m 、10m和 15m水柱的凈水壓力，但符合《水規(guī)》要求的消防水箱設(shè)計(jì)仍有可能出現(xiàn)以下兩個(gè)問(wèn)題：
（1）滿足《水規(guī)》要求消防水箱的設(shè)置高度，并不能完全保證最不利消火栓處的正常使用壓力。根據(jù)工程實(shí)踐計(jì)算，最不利消火栓口所需壓力與水帶長(zhǎng)度、水帶材質(zhì)、水槍噴口直徑、所需充實(shí)水柱長(zhǎng)度和水槍射流量有關(guān)。19mm水槍配65mm襯膠水帶，水帶長(zhǎng)度25m，則當(dāng)消火栓出流量取5L/s時(shí)，最不利栓口所需水壓為0.189MPa。由此可見，當(dāng)保證最不利消火栓處7m 、10m和15m水柱的凈水壓力，并不能保證最不利消火栓的滅火需要。
（2）消防水箱的設(shè)置高度不應(yīng)僅為滿足最不利消火栓處的壓力需求，在實(shí)際工程中，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱自噴系統(tǒng)）亦需設(shè)計(jì)高位消防水箱，而且自噴系統(tǒng)與消火栓系統(tǒng)常共用一座消防水箱。此時(shí)，消防水箱還應(yīng)滿足自噴系統(tǒng)最不利噴頭處的壓力需要。根據(jù)實(shí)際工程計(jì)算可知，此處一般需0.2MPa以上的靜水壓力。
綜上所述，從盡可能滿足最不利點(diǎn)處滅火要求來(lái)看，高位消防水箱的設(shè)置位置應(yīng)高于其所服務(wù)的水滅火設(shè)施，且最低有效水位應(yīng)滿足水滅火設(shè)施最不利點(diǎn)處的靜水壓力（自噴、消火栓均應(yīng)滿足最低壓力）。當(dāng)高位消防水箱不能滿足此靜壓要求時(shí)，可增設(shè)穩(wěn)壓泵和穩(wěn)壓水罐，成為設(shè)有穩(wěn)壓泵的臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)。
5 高位消防水箱有效容積
《水規(guī)》按照建筑物性質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)確定高位消防水箱的有效容積有明確規(guī)定：1一類高層公共建筑，不應(yīng)小于36m3，但當(dāng)建筑高度大于100m時(shí)，不應(yīng)小于50m3，當(dāng)建筑高度大于150m，不應(yīng)小于100 m3；2多層公共建筑、二類高層公共建筑和一類高層住宅，不應(yīng)小于18m3，當(dāng)一類高層住宅建筑高度超過(guò)100m時(shí)，不應(yīng)小于36 m3；3二類高層住宅，不應(yīng)小于12 m3；4建筑高度大于21m的多層住宅，不應(yīng)小于6 m3；5工業(yè)建筑室內(nèi)消防給水手機(jī)瀏覽當(dāng)小于等25L/s時(shí)，不應(yīng)小于12 m3，大于25L/s時(shí)，不應(yīng)小于18 m3；6總建筑面積大于10000O且小于30000O的商店建筑，不應(yīng)小于36m？；總建筑面積大于30000O的商店，不應(yīng)小于50m？，當(dāng)與本條第1款規(guī)定不一致時(shí)應(yīng)取其較大值[3]。上述規(guī)范條文要求基本清楚，但有以下兩個(gè)問(wèn)題：
（1）高位消防水箱的有效容積能否滿足初期火災(zāi)水滅火系統(tǒng)所需消防用水量的要求。高位消防水箱火災(zāi)初期滅火的重要供水來(lái)源，常見的初期水滅火設(shè)施包括室內(nèi)消火栓系統(tǒng)和自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，以建筑高度超過(guò)50m的一類高層公共建筑為例?！端?guī)》規(guī)定此類建筑室內(nèi)消火栓用水量為40L/s，火災(zāi)初期以10min計(jì)，則需水量：
40L/s×10min×60s=24m3
另外此類建筑又須設(shè)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，又需水量：
30L/s×10min×60s=18m3
10min初期滅火用水共需水量：
24+18=42m3
由此可見，規(guī)范所要求的水箱有效容積實(shí)際上是不夠10min滿負(fù)荷滅火需要的，但考慮到火災(zāi)初期消火栓和噴頭使用數(shù)量有限，消防主泵正常情況下可以及時(shí)啟動(dòng)，所以對(duì)水箱有效容積的要求有所減小。
（2）完全依照建筑物性質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)確定消防水箱容積也有一定的局限性。如建筑高度低于24m但面積較大的商場(chǎng)建筑，其火災(zāi)危險(xiǎn)性是非常高的，在設(shè)計(jì)消防水箱容積時(shí)就可能套用規(guī)范規(guī)定而采取偏小的消防水箱容積。
6 結(jié)束語(yǔ)
消火栓系統(tǒng)是最基本的滅火設(shè)施，在設(shè)計(jì)室內(nèi)消火栓系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意控制消防豎管最小間距以使臨近消火栓能互相保護(hù)；臨時(shí)高壓消火栓給水系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置高位消防水箱，其有效容積應(yīng)盡量超過(guò)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求，以滿足初期火災(zāi)消防用水量和水壓需求。
摘 要：本文基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)室內(nèi)溫度、濕度、煙霧、可燃?xì)怏w等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和采集，并對(duì)異常情況發(fā)出報(bào)警。給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，介紹了系統(tǒng)的傳感器選型及控制方案，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)測(cè)試分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可行性。
關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；環(huán)境監(jiān)測(cè)；傳感器
0 引言
ZigBee技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的自組網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)，節(jié)點(diǎn)之間可很方便的進(jìn)行組網(wǎng)通信，有效的解決了單點(diǎn)無(wú)線傳輸?shù)木嚯x問(wèn)題。諸多事故的發(fā)生都源于未知，室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)對(duì)于生產(chǎn)和生活都具有重大意義。本文為室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)提供了一套完整的解決方案，并給出了相應(yīng)的闡述。
1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案
室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)接收處理主機(jī)。節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)室內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)，包括溫濕度檢測(cè)模塊、煙霧檢測(cè)模塊、可燃?xì)怏w檢測(cè)模塊以及PM2.5檢測(cè)模塊；采用單片機(jī)負(fù)責(zé)檢測(cè)的控制，并將采回的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee模塊送出。ZigBee每個(gè)節(jié)點(diǎn)都自動(dòng)分配唯一的ID，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，一共可擴(kuò)展管理多達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理主機(jī)主要負(fù)責(zé)接收每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包含顯示模塊、人機(jī)交互設(shè)置模塊、報(bào)警輸出模塊和聯(lián)動(dòng)控制模塊。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，給出了單個(gè)節(jié)點(diǎn)的組成框圖和主機(jī)的組成框圖，節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)可根據(jù)用戶需求進(jìn)行擴(kuò)展。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn) 主要采用了DHT11溫濕度傳感器、煙霧傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、夏普PM2.5灰塵傳感器。
2.1 溫濕度傳感器
設(shè)計(jì)采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11進(jìn)行溫度和濕度的檢測(cè)。DHT11是一款復(fù)合型溫濕度傳感器，采用單總線方式直接送出溫度和濕度值，使用時(shí)只需要電源和任意一個(gè)I/O口配合上拉電阻便可對(duì)其操作和訪問(wèn)。DHT11供電范圍為3.3-5.5V，可以很方便的應(yīng)用于各種單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)。DHT溫度測(cè)量范圍為0-50度，濕度為20%-90%RH，完全滿足室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。
DHT11接口電路如圖2所示。
2.2 氣體傳感器
設(shè)計(jì)采用電阻型MQ-2氣體傳感器對(duì)空氣中的煙霧和可燃?xì)怏w進(jìn)行檢測(cè)。MQ-2氣體傳感器采用二氧化錫氣敏材料進(jìn)行氣體的檢測(cè)。二氧化錫在純凈的空氣中電導(dǎo)率很低，一旦空氣中有其他氣體的存在，其電導(dǎo)率隨空氣中氣體的濃度增加而增加，通過(guò)簡(jiǎn)單的電路便可將氣體濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。MQ-2傳感器不但對(duì)如液化氣、甲烷、氫氣等可燃?xì)怏w靈敏度很高，而且對(duì)煙霧也有著理想的響應(yīng)曲線。
MQ-2氣體傳感器測(cè)試電路如圖3所示。傳感器需要提供加熱電壓進(jìn)行預(yù)熱，加熱過(guò)程大概30秒，然后便可以正常輸出。加熱電壓和電源可采用統(tǒng)一電源供電，選擇合適的負(fù)載電阻即可。
2.3 PM2.5灰塵傳感器
PM2.5檢測(cè)采用了日本夏普公司的GP2Y1010AU0F灰塵傳感器，該傳感器電壓輸出與灰塵濃度具有良好的線性關(guān)系。傳感器采用光學(xué)方式進(jìn)行灰塵的檢測(cè)，通過(guò)控制內(nèi)部LED發(fā)光時(shí)間然后檢測(cè)對(duì)應(yīng)光學(xué)腔內(nèi)接受到的光強(qiáng)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部相應(yīng)的放大處理從而得到對(duì)應(yīng)的電壓。傳感器采用5V供電，輸出電壓范圍為0.75-3.5V，對(duì)應(yīng)的灰塵濃度為0-0.5mg/m3，輸出電壓和濃度成一次線性關(guān)系。GP2Y1010AU0F傳感器輸出為模擬電壓，所以需要配合AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，傳感器接口電路如圖4所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
基于ZigBee自組網(wǎng)的特性，無(wú)線部分程序設(shè)計(jì)變得相對(duì)容易，只需要記錄和校驗(yàn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的ID即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。節(jié)點(diǎn)的主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和等待主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求，當(dāng)收到請(qǐng)求時(shí)進(jìn)行ID驗(yàn)證，若為本機(jī)ID則發(fā)送數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)等待，節(jié)點(diǎn)程序流程如圖5所示。主機(jī)的程序設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求和接收處理，進(jìn)行顯示、報(bào)警、人機(jī)交互和聯(lián)動(dòng)控制，主機(jī)程序流程如圖6所示。
4 結(jié)論
本文給出了基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)方案，詳細(xì)的分析了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，對(duì)系統(tǒng)的傳感器電路設(shè)計(jì)做出了相應(yīng)的介紹，分析了系統(tǒng)的可行性。最終對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了整體數(shù)據(jù)采集和通信測(cè)試，良好的驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。
摘要：我國(guó)北方，冬季取暖一般采用暖氣技術(shù)集中供暖，用戶不能自主地調(diào)節(jié)溫度，室內(nèi)溫度過(guò)高，資源浪費(fèi)的現(xiàn)象嚴(yán)重。本設(shè)計(jì)應(yīng)用PID控制技術(shù)，以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的室內(nèi)溫度，來(lái)控制閥門的開度，調(diào)節(jié)暖氣管道內(nèi)熱水或熱氣的流量，從而達(dá)到了控制室內(nèi)溫度的目的，增強(qiáng)了居民室內(nèi)生活的舒適度，減少了能源的浪費(fèi)。
關(guān)鍵詞：PID控制；流量；PM2.5；編碼；解碼
引言
我國(guó)北方屬于典型的溫帶大陸性氣候，冬季寒冷干燥。目前為了改善室內(nèi)溫度環(huán)境，我國(guó)北方城市普遍采用集中供暖[1]。各市均建有大規(guī)模的地下暖氣管道網(wǎng)，由政府指定的供暖公司負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)。集中供暖有著較為明顯的好處：資源利用率高，平均成本較低，供暖效果好。但是，也存在不少缺點(diǎn)：一是無(wú)論白天還是黑夜，不管用戶是否需要，暖氣始終全天供熱；二是用戶沒有辦法自主調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的高低，造成室內(nèi)溫度過(guò)高，空氣流通不好。居民非常容易出現(xiàn)皮膚發(fā)緊，口唇干燥、咽部發(fā)癢、咳嗽、流鼻血等“暖氣病”。用戶為了降低溫度，只能打開窗戶散熱，使寶貴的能源白白浪費(fèi)了。近年來(lái)，我國(guó)北方地區(qū)冬季霧霾頻發(fā)，pm2.5頻頻爆表，燃燒煤炭作為集中供暖的主要手段，成為罪魁禍?zhǔn)?，成為眾矢之的。如何才能在不降低冬季室?nèi)生活的舒適度的前提下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的呢？
本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)控制閥門的開度，進(jìn)而調(diào)節(jié)暖氣管道內(nèi)水或氣的流量，實(shí)現(xiàn)了控制室內(nèi)溫度的目的，從而增強(qiáng)了居民室內(nèi)生活的舒適度，為節(jié)能降耗做出了巨大貢獻(xiàn)。
一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
本系統(tǒng)由兩個(gè)模塊組成，一個(gè)是溫度設(shè)置及測(cè)量模塊，一個(gè)是驅(qū)動(dòng)模塊，兩個(gè)模塊在物理上相互分立，使用時(shí)可以將溫度和測(cè)量模塊放到遠(yuǎn)離暖氣片的地方，保證溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。驅(qū)動(dòng)模塊直接到暖氣管道上控制暖氣的流量。兩個(gè)模塊之間通過(guò)紅外遙控發(fā)射/接收芯片PT2262/2272傳遞控制信息。溫度設(shè)置及測(cè)量模塊又分為鍵盤輸入、溫度測(cè)量、溫度顯示三個(gè)單元。人們可以通過(guò)鍵盤設(shè)定自己需要的溫度，溫度的測(cè)量采用數(shù)字溫度傳感器18B20，18B20將采集到的溫度信號(hào)以串行數(shù)據(jù)的形式傳遞給單片機(jī)AT89C51，經(jīng)過(guò)處理后，在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前測(cè)量的溫度。同時(shí)，AT89C51把實(shí)時(shí)測(cè)量的溫度和用戶預(yù)先設(shè)定的溫度比較和分析，得出調(diào)整指令。通過(guò)紅外遙控發(fā)射/接收芯片PT2262/2272將調(diào)整指令傳遞給驅(qū)動(dòng)模塊的單片機(jī)，由驅(qū)動(dòng)模塊單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)完成閥門開度的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)改變暖氣管道內(nèi)熱水流量的目的。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
二、溫度傳感器18B20
18B20是美國(guó)Dallas 半導(dǎo)體公司創(chuàng)造的數(shù)字化溫度傳感器。該溫度傳感器外形如一只三極管，溫度感應(yīng)元件及轉(zhuǎn)換電路集成在一個(gè)芯片上?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字表示的溫度，存儲(chǔ)在18B20內(nèi)的存儲(chǔ)器里，18B20和單片機(jī)之間僅需要一條數(shù)據(jù)線連接，單片機(jī)可以通過(guò)數(shù)據(jù)線向18B20寫入或讀取數(shù)據(jù)，而且可以通過(guò)數(shù)據(jù)線提供18B20正常工作所需要的電源。每個(gè)18B20都有不同的序列號(hào)，所以多個(gè)18B20可以使用同一根總線和單片機(jī)相連接，單片機(jī)通過(guò)序列號(hào)識(shí)別不同的18B20并發(fā)起讀寫動(dòng)作。這一特點(diǎn)使用戶組建溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)變得十分容易。通過(guò)程序設(shè)定，DS18B20 可以達(dá)到9～12 個(gè)二進(jìn)制位的分辨率。測(cè)量溫度的范圍為-55°C～+125°C，在-10～+85°C范圍內(nèi)，測(cè)量精度可以達(dá)到±0.5°C[2]。由于DS18B20 具有體積小、測(cè)溫精度高、適用電壓范圍寬、采用一線式總線、可組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)踐中的得到了廣泛的應(yīng)用。
三、紅外遙控發(fā)射/接收芯片PT2262/2272
PT2262/2272采用CMOS工藝制造，分別具有編碼和解碼的功能，其中PT2262是編碼電路，PT2272是解碼電路，PT2262/2272必須配對(duì)使用，可用于無(wú)線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。PT2262/2272分別擁有18個(gè)管腳，最多可以設(shè)置12位地址端管腳和6位數(shù)據(jù)管腳。地址管腳可以設(shè)置成“0”、“1”、“懸空”三種狀態(tài)，但是必須保證PT2262和PT2272的地址管腳設(shè)置相同，否則PT2272不能解碼。在實(shí)際應(yīng)用中，我們一般采用4位數(shù)據(jù)碼和8位地址碼的方式。
編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號(hào)稱為碼字，一個(gè)完整的碼字包含地址碼、數(shù)據(jù)碼和同步碼三部分。解碼芯片PT2272在接收到PT2262發(fā)來(lái)的信號(hào)后，首先分離出地址碼，并對(duì)地址碼進(jìn)行比較，只有當(dāng)接收到的碼字的地址碼和2272的地址碼相同時(shí)，2272的VT管腳才能輸出高電平，表示解碼成功。單片機(jī)在檢測(cè)到VT腳高電平的信號(hào)后，開始讀取PT2272接收到的數(shù)據(jù)。
四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也稱為脈沖電動(dòng)機(jī)，它可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移，每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，由于該電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式是步進(jìn)的，所以把它叫做步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和輸入電脈沖的個(gè)數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度由輸入電脈沖的頻率決定，頻率越高，速度越快。而且在不超出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力的情況下，以上關(guān)系不受負(fù)載大小、電壓高低等因素的影響；二是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不失步的情況下，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的步數(shù)是固定的，所以電動(dòng)機(jī)的步距誤差不會(huì)積累；三是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有良好的控制性能，在開環(huán)控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速具有很寬的調(diào)節(jié)范圍，而且能夠快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。正是由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以在數(shù)字控制系統(tǒng)中經(jīng)常被用作執(zhí)行元件。
五、軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為兩大部分，分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)硬件的兩個(gè)模塊。其中驅(qū)動(dòng)模塊的程序設(shè)計(jì)包括控制量的讀取和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。溫度測(cè)量模塊包括溫度采集子程序（讀取18B20測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)）、顯示子程序、鍵盤輸入子程序（用戶設(shè)置室內(nèi)溫度）、PID溫度控制子程序（計(jì)算控制量）。前面幾個(gè)程序都比較簡(jiǎn)單，這里不再贅述，下面我們?cè)敿?xì)介紹一下PID溫度控制子程序的設(shè)計(jì)原理。單片機(jī)首先讀取18B20測(cè)量的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，然后把測(cè)量溫度和設(shè)定溫度進(jìn)行比較得到溫度誤差，把溫度誤差作為PID控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，由PID算法計(jì)算得出控制量。PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)的控制規(guī)律可以用u（k）= u（k）+u（k-1）和u（k）=Kp[e（k）- e（k-1）]+Ki e（k） +Kd[e（k）- 2e（k-1）+ e（k-2）]兩個(gè)算式表示[3]。其中u（k）表示每個(gè)測(cè)量周期閥門的變化量，Kp表示PID控制系統(tǒng)的比例系數(shù)， Ki表示PID控制系統(tǒng)的積分系數(shù)、 Kd表示PID控制系統(tǒng)的微分系數(shù)，e（k）表示k時(shí)刻的溫度誤差。由于室內(nèi)溫度是一個(gè)相對(duì)緩慢的變化過(guò)程，所以我們?cè)谠摐囟瓤刂葡到y(tǒng)中采用了周期性的控制方式，即在一個(gè)溫度采樣周期內(nèi)保持控制量u（k）恒定不變[1]。
結(jié)語(yǔ)
為了驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)溫度控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，我們做了多次試驗(yàn)，下表為實(shí)驗(yàn)記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)，分析記錄數(shù)據(jù)可知，本設(shè)計(jì)控制溫度準(zhǔn)確性高，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
本系統(tǒng)采用PID控制理論，以AT89C51單片機(jī)為系統(tǒng)的控制單元，以紅外遙控發(fā)射/接收芯片PT2262/2272為數(shù)據(jù)傳輸?shù)募~帶，選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為系統(tǒng)最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)室內(nèi)溫度和設(shè)定溫度的誤差來(lái)改變閥門的開度，較好的實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、控制精度高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
摘 要：該文通過(guò)對(duì)比幾種常用室內(nèi)定位（In-location）方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于射頻和超聲波技術(shù)相結(jié)合的室內(nèi)二維定位系統(tǒng)。系統(tǒng)采用C51系列單片機(jī)為主控芯片，nRF24L01芯片作為射頻通訊芯片，結(jié)合超聲波發(fā)射與接收電路，融合射頻和超聲技術(shù)對(duì)二維平面上一點(diǎn)的位置信息進(jìn)行獲取，并通過(guò)LCD12864進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的顯示。文章詳細(xì)的分析了系統(tǒng)的工作原理并進(jìn)行了測(cè)量電路的設(shè)計(jì)，由實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行誤差分析可知，測(cè)量數(shù)據(jù)誤差在2%以內(nèi)。
關(guān)鍵詞：射頻 超聲波 參考節(jié)點(diǎn) 室內(nèi)定位
眾所周知，對(duì)于室外定位系統(tǒng)，全球定位系統(tǒng)（GPS）[1]已經(jīng)應(yīng)用的成熟可靠，目前常用的車用導(dǎo)航、物流定位等大多數(shù)都利用的是此原理。但是對(duì)于室內(nèi)定位，例如機(jī)場(chǎng)大廳、礦井內(nèi)部、大型展廳內(nèi)部、大型室內(nèi)停車場(chǎng)以及大型購(gòu)物商場(chǎng)，由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多變，建筑物的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部布局，以及人為因素等影響，所以實(shí)現(xiàn)精確定位的難度較大。目前諾基亞、谷歌、博通甚至一些知名大學(xué)比如美國(guó)杜克大學(xué)（Duke University）和芬蘭奧盧大學(xué)（University of Oulu）都有專門研究室內(nèi)定位的小組。美國(guó)研究機(jī)構(gòu)ABI稱：“室內(nèi)定位技術(shù)（In-location）是下一波熱門定位技術(shù)，該技術(shù)將在2015年-2017年間得到大量部署和實(shí)施，是今后移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)?！?目前室內(nèi)定位常用的方法有紅外線室內(nèi)定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)、射頻識(shí)別定位技術(shù)和超寬帶定位技術(shù)等。表1[2]分析了幾種常見無(wú)線定位系統(tǒng)的性能表，參照表1，該文設(shè)計(jì)了基于51單片機(jī)使用超聲波和無(wú)線射頻相結(jié)合進(jìn)行室內(nèi)定位的測(cè)量系統(tǒng)，可以有效結(jié)合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)思路清晰，成本較低。根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果分析，系統(tǒng)采樣穩(wěn)定，數(shù)據(jù)誤差較小，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及原理
由于射頻信號(hào)傳輸速率接近光速，遠(yuǎn)高于超聲波傳播速率，因此可以利用射頻信號(hào)先激活待測(cè)節(jié)點(diǎn)，之后使其接收超聲波信號(hào)，利用時(shí)間差的方法進(jìn)行測(cè)距。這種技術(shù)成本低，功耗小，精度高[3]。該文便是采用此種方法實(shí)現(xiàn)在二維平面內(nèi)對(duì)一待測(cè)節(jié)點(diǎn)位置信息的獲取。
1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
如圖1所示。在一個(gè)二維平面中，要確定某未知點(diǎn)的位置信息，其實(shí)質(zhì)便是求得其在平面坐標(biāo)中的坐標(biāo)值。由數(shù)學(xué)知識(shí)可以知道，確定平面上某一未知點(diǎn)（x，y）的坐標(biāo)值只需要知道該點(diǎn)到平面坐標(biāo)中已知的兩個(gè)參考點(diǎn)（x1，y1），（x2，y2）的距離d1及d2，再利用兩點(diǎn)間的距離公式（1）式，求解方程組即可求得未知點(diǎn)的坐標(biāo)信息。
（1）
系統(tǒng)的關(guān)鍵就是通過(guò)超聲波測(cè)出圖1中的距離d1及d2，現(xiàn)在假設(shè)系統(tǒng)某一節(jié)點(diǎn)A具備射頻發(fā)射模塊和超聲波發(fā)射電路，系統(tǒng)另一節(jié)點(diǎn)B具備射頻接收模塊及超聲波接收電路。A節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射超聲波與射頻信號(hào)，即發(fā)射電磁波。由于電磁波的速度接近光速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，射頻信號(hào)傳播到節(jié)點(diǎn)B的時(shí)間忽略不計(jì)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)B接收到射頻信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)接收到超聲波信號(hào)時(shí)停止計(jì)時(shí)。時(shí)間間隔t即是超聲波由A傳播到B所用時(shí)間。設(shè)聲速為V，則A，B間距離為：。
1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
該文系統(tǒng)采用C51系列單片機(jī)作為控制芯片，nRF24L01作為射頻通信芯片，利用LCD12864液晶屏進(jìn)行坐標(biāo)顯示。如圖2所示。系統(tǒng)主要包括三個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別為1號(hào)總控制主節(jié)點(diǎn)，2號(hào)參考節(jié)點(diǎn)，以及3號(hào)待測(cè)節(jié)點(diǎn)。硬件設(shè)計(jì)上，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都包括51單片機(jī)最小系統(tǒng)及上電指示電路，射頻收發(fā)模塊（nRF24L01）電路；另外總控制節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)具備超聲波接收電路，待測(cè)節(jié)點(diǎn)處安裝超聲波發(fā)射電路。
系統(tǒng)整體通信流程簡(jiǎn)述如下：1號(hào)總控制主節(jié)發(fā)出射頻觸發(fā)信號(hào)，3號(hào)待測(cè)節(jié)點(diǎn)接收到射頻信號(hào)之后報(bào)警指示燈亮。同時(shí)發(fā)射出射頻同步信號(hào)及發(fā)射超聲波。射頻同步信號(hào)很快到達(dá)1號(hào)總控制節(jié)點(diǎn)及2號(hào)參考節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，待3號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的超聲波分別到達(dá)1號(hào)節(jié)點(diǎn)和2號(hào)節(jié)點(diǎn)后，接收到超聲波信號(hào)，停止計(jì)時(shí)。分別獲得超聲波由3號(hào)節(jié)點(diǎn)到1號(hào)節(jié)點(diǎn)及2號(hào)節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)間。1號(hào)節(jié)點(diǎn)總控制節(jié)點(diǎn)計(jì)算出節(jié)點(diǎn)1，3距離。2號(hào)節(jié)點(diǎn)參考節(jié)點(diǎn)計(jì)算出節(jié)點(diǎn)2，3距離，再利用射頻模塊將數(shù)據(jù)無(wú)線傳送給1號(hào)總控制節(jié)點(diǎn)。總控制節(jié)點(diǎn)再依據(jù)兩個(gè)距離數(shù)據(jù)，已知的節(jié)點(diǎn)1，2的坐標(biāo)計(jì)算出3號(hào)待測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。至此，完成系統(tǒng)一個(gè)單程通信，如此反復(fù)通信10次，求得位置坐標(biāo)平均值通過(guò)1號(hào)節(jié)點(diǎn)處的液晶顯示模塊LCD12864顯示待測(cè)節(jié)點(diǎn)位置信息。所有的通信流程由1號(hào)總控制節(jié)點(diǎn)控制。
2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)上，文中系統(tǒng)主要涉及單片機(jī)小系統(tǒng)，射頻收發(fā)電路，超聲波發(fā)射與接收電路，LCD顯示電路，射頻收發(fā)模塊供電電路。這里主要介紹系統(tǒng)的射頻收發(fā)電路，超聲波發(fā)射與接收電路。
系統(tǒng)無(wú)線通信模塊的發(fā)射與接收主要采用nRF24L01芯片作為主控核心。nRF 24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置[4]。由于采用SOC方法設(shè)計(jì)因此只需要少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路，再配合簡(jiǎn)單的通信協(xié)議，就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸[5]。將nRF24L01相應(yīng)的控制引腳連接到單片機(jī)的P1口上，利用串行通信方式與單片機(jī)進(jìn)行通訊，可以設(shè)置為增強(qiáng)型模式（ShockBurst）下的接收或是發(fā)射狀態(tài)，啟動(dòng)自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)功能。采用nRF24L01增強(qiáng)型模式時(shí)內(nèi)部芯片堆棧區(qū)先入先出，數(shù)據(jù)可從低速微控制器送入，高速發(fā)射出去，地址和校驗(yàn)碼由硬件自動(dòng)添加和去除[6]，可以提高系統(tǒng)整體的性能和效率[7]。
系統(tǒng)超聲波發(fā)射電路框圖如圖3所示。系統(tǒng)利用定時(shí)器由單片機(jī)的I/O端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)，信號(hào)送給推挽式功放電路進(jìn)行功率放大，用以驅(qū)動(dòng)型號(hào)為TCT40-16T的超聲波換能器，發(fā)射出超聲波信號(hào)。
系統(tǒng)超聲波接收電路框圖如圖4所示。接收電路的核心是紅外線檢波接收專用芯片CX20106。由于紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz比較接近，可通過(guò)外接電阻微調(diào)芯片內(nèi)部濾波器的中心頻率。當(dāng)超聲波探頭未接收到40 kHz信號(hào)時(shí)，芯片信號(hào)輸出引腳為高電平；當(dāng)接收到與CX20106中心頻率（40 kHz）相符的超聲波信號(hào)時(shí)，信號(hào)輸出引腳輸出下降沿脈沖，將此信號(hào)連接到單片機(jī)外部中斷引腳上，可觸發(fā)中斷，從而停止超聲波傳播計(jì)時(shí)。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖可以參考圖2。系統(tǒng)軟件按功能劃分可以分為L(zhǎng)CD顯示，超聲波發(fā)射，射頻通訊，坐標(biāo)計(jì)算幾大部分。其中，LCD顯示部分主要是通過(guò)時(shí)序?qū)σ壕吝M(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作，超聲波發(fā)射部分采用定時(shí)器中斷產(chǎn)生40 K方波信號(hào)，坐標(biāo)位置計(jì)算算法依據(jù)的公式（1）進(jìn)行計(jì)算。下文主要針對(duì)射頻通訊部分所進(jìn)行的軟件配置進(jìn)行簡(jiǎn)述說(shuō)明。
在圖2的“3射頻同步信號(hào)&超聲波信號(hào)”過(guò)程中，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)射頻收發(fā)配置如圖5所示。由于nRF24L01在每個(gè)通訊頻道上具有6個(gè)不同的數(shù)據(jù)通道，因此在設(shè)計(jì)上，3號(hào)節(jié)點(diǎn)與1號(hào)節(jié)點(diǎn)通過(guò)數(shù)據(jù)通道0傳輸信號(hào)，與2號(hào)節(jié)點(diǎn)通過(guò)數(shù)據(jù)通道1傳輸信號(hào)。3號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)出具有發(fā)送地址編碼的射頻信號(hào)被1，2號(hào)節(jié)點(diǎn)接收后，1，2號(hào)節(jié)點(diǎn)分別啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)并通過(guò)各自的數(shù)據(jù)通道返回應(yīng)答信號(hào)給3號(hào)節(jié)點(diǎn)，表示通訊成功3號(hào)節(jié)點(diǎn)可以發(fā)出超聲波信號(hào)。值得注意的是，3號(hào)節(jié)點(diǎn)若是啟動(dòng)自動(dòng)重發(fā)功能，則每次重發(fā)等待時(shí)間為250 us，這將導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)量誤差過(guò)大，因此該系統(tǒng)禁止自動(dòng)重發(fā)，而是由軟件編程重發(fā)3次，判斷是否次數(shù)溢出或是接收到應(yīng)答信號(hào)，這樣可以將每次重發(fā)產(chǎn)生的誤差控制在15 us左右。同時(shí)，圖2在“1發(fā)出射頻觸發(fā)信號(hào)”及“4傳輸距離數(shù)據(jù)”兩個(gè)過(guò)程中，射頻通信均采用數(shù)據(jù)通道0進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并且開啟相應(yīng)的自動(dòng)重發(fā)功能2次，經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)射頻通訊流程性能穩(wěn)定。
3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析
系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)環(huán)境為室內(nèi)地面，其中主控制節(jié)點(diǎn)（1號(hào)節(jié)點(diǎn)）坐標(biāo)安裝在原點(diǎn)（0，0）上，參考節(jié)點(diǎn)（2號(hào)節(jié)點(diǎn)）坐標(biāo)安裝在y軸點(diǎn)（0，100）上，單位為cm。測(cè)量工具為卷尺，精度精確達(dá)0.1 cm。對(duì)于測(cè)試平面上10個(gè)不同位置點(diǎn)分別測(cè)量10次，得到100個(gè)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。
通過(guò)分析圖中數(shù)據(jù)，可以得出以下實(shí)驗(yàn)結(jié)論。
（1）定位范圍。
經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，該系統(tǒng)基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于在地面上200 cm×200 cm的二維直角坐標(biāo)系中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位。
（2）系統(tǒng)的平均定位誤差。
X軸的平均定位誤差為3.01（cm）
Y軸的平均定位誤差為3.14（cm）
（3）系統(tǒng)的平均定位精度。
X軸平均定位精度：（200.0-3.01）/200.0×100%=98.50%
Y軸平均定位精度：（200.0-3.14）/200.0×100%=98.43%
（4）誤差分析。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)并分析，系統(tǒng)測(cè)量誤差主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：
①超聲波信號(hào)的衰減問(wèn)題。從表1及表2可以看到，雖然系統(tǒng)測(cè)量平均誤差不算太高，但是針對(duì)不同的測(cè)量區(qū)域其測(cè)量誤差明顯不同，隨著各節(jié)點(diǎn)之間距離的不同，超聲波信號(hào)的衰減程度會(huì)不同導(dǎo)致接收到超聲波信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)不同，引入測(cè)量誤差。
②超聲波發(fā)射角問(wèn)題。從表中數(shù)據(jù)可以看出，在區(qū)域邊緣地帶數(shù)據(jù)的測(cè)量誤差偏高，由于超聲波存在發(fā)射角度局限問(wèn)題，導(dǎo)致超聲波信號(hào)接收時(shí)間點(diǎn)不同引入測(cè)量誤差。
③系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，在3號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)射同步射頻信號(hào)和超聲波過(guò)程中，禁止自動(dòng)重發(fā)次數(shù)而采用軟件編程發(fā)送次數(shù)溢出的方法在每次重發(fā)數(shù)據(jù)過(guò)程中需要等待15 us，總共軟件設(shè)計(jì)為重發(fā)3次溢出，所以此處可能會(huì)引入50us左右的測(cè)量誤差。
④數(shù)據(jù)算法計(jì)算。系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算的精度也會(huì)引入測(cè)量誤差。綜合考慮系統(tǒng)測(cè)量要求，51系列單片機(jī)的運(yùn)算能力及速度，以及軟件整體的效率和整潔度。該次系統(tǒng)軟件計(jì)算精度都采用16位無(wú)符號(hào)位整數(shù)數(shù)據(jù)類型，而未引入浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型計(jì)算，所以對(duì)最終顯示結(jié)果會(huì)造成測(cè)量誤差。
⑤溫度引起誤差。聲速隨溫度變化關(guān)系可以表示為：V=（331.45+0.61t/℃）m?s-1。但是該系統(tǒng)中沒有考慮溫度補(bǔ)償，而是以聲速標(biāo)準(zhǔn)值340 m/s進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，因此會(huì)引入一定測(cè)量誤差。
4 結(jié)語(yǔ)
該文設(shè)計(jì)了基于射頻和超聲波技術(shù)的室內(nèi)二維定位系統(tǒng)，并通過(guò)設(shè)計(jì)得系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)的測(cè)量，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出系統(tǒng)的誤差較小。對(duì)于存在的誤差提出了可能產(chǎn)生的原因以及后續(xù)的解決方法，期望通過(guò)后續(xù)的改進(jìn)可以使實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)一步減少，測(cè)量范圍也相應(yīng)的增大。
【摘 要】無(wú)線市話室內(nèi)信號(hào)是室內(nèi)常用的信號(hào)系統(tǒng)，能夠?qū)τ谑謾C(jī)通信進(jìn)行有效的補(bǔ)充。本文對(duì)于室內(nèi)信號(hào)分布系統(tǒng)的原理以及設(shè)計(jì)方式進(jìn)行探討，對(duì)于設(shè)計(jì)中的信號(hào)源選定、分布系統(tǒng)選擇以及布置等多種方法進(jìn)行選擇，從而設(shè)計(jì)適合室內(nèi)的信號(hào)分布系統(tǒng)。
【關(guān)鍵詞】室內(nèi)信號(hào)分布；建筑內(nèi)部；設(shè)計(jì)
0 前言
近年來(lái)，隨著個(gè)人便攜電話系統(tǒng)的迅速發(fā)展，人們對(duì)于通信服務(wù)的要求越來(lái)越高。當(dāng)前的建筑大多為鋼筋混凝土骨架結(jié)構(gòu)，對(duì)于無(wú)線電信號(hào)的屏蔽衰減特別厲害，比如在地下商場(chǎng)、地下停車場(chǎng)等患者的通信信號(hào)微弱，通信質(zhì)量嚴(yán)重下降。為了保障無(wú)線電通信信號(hào)，解決室內(nèi)信號(hào)固定的問(wèn)題，采用無(wú)線市話室內(nèi)信號(hào)分布系統(tǒng)是保證通信質(zhì)量的有效方式。采用無(wú)線市話室內(nèi)信號(hào)分布系統(tǒng)是通過(guò)有線的方式，將無(wú)線信號(hào)引入室內(nèi)，從而為室內(nèi)的用戶提供穩(wěn)定、可靠的室內(nèi)信號(hào)。參考我國(guó)“信息產(chǎn)業(yè)部電（2000）604號(hào)”的文件，無(wú)線市話室內(nèi)信號(hào)是固定電話網(wǎng)的補(bǔ)充與延伸，而且使用的頻帶為1900MHz～1910MHz，載頻間隔為300KHz，主要采用TDMA的多址方式、TDD雙工方式。
1 無(wú)線市話室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的建設(shè)意義
1.1 無(wú)線市話室內(nèi)系統(tǒng)覆蓋現(xiàn)狀
隨著無(wú)線市話的信號(hào)發(fā)展，室內(nèi)覆蓋的問(wèn)題也日益突出：（1）因?yàn)榻ㄖ锏钠帘我约拔兆饔茫瑢?dǎo)致無(wú)線電波的傳輸衰耗，從而造成無(wú)線信號(hào)的弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū)甚至盲區(qū)，而且受到基站天線的限制，會(huì)造成無(wú)法正常覆蓋；（2）建筑物高層空間容易受到無(wú)線頻率干擾，從而影響語(yǔ)音質(zhì)量；（3）因?yàn)橐恍┕矆?chǎng)所，比如會(huì)議中心以及大型購(gòu)物商場(chǎng)，無(wú)線市話的使用密度過(guò)高，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)容量不能夠滿足用戶需求。
1.2 室內(nèi)分布系統(tǒng)特點(diǎn)
采用無(wú)線市話室內(nèi)信號(hào)分布系統(tǒng)，能夠有效的覆蓋建筑物的盲區(qū)，適用于建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜和人流密集、話務(wù)量高的建筑物內(nèi)部的信號(hào)覆蓋，室內(nèi)分布系統(tǒng)特點(diǎn)表現(xiàn)如下：（1）建筑物的信號(hào)分布相對(duì)均勻，而且采用分布系統(tǒng)，能夠抑制信號(hào)弱區(qū)內(nèi)的乒乓效應(yīng)，能夠適應(yīng)于系統(tǒng)擴(kuò)容與多網(wǎng)合一；（2）室內(nèi)分布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工相對(duì)復(fù)雜?？傮w而言，采用室內(nèi)分布系統(tǒng)，能夠適用于大面積和內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物室內(nèi)信號(hào)覆蓋，是當(dāng)前覆蓋優(yōu)化最主要的手段。
1.3 建設(shè)室內(nèi)分布系統(tǒng)的必要性
與傳統(tǒng)的SDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線市話具有基站成本低和手機(jī)性價(jià)比高的方式，對(duì)于室內(nèi)區(qū)域，解決信號(hào)覆蓋問(wèn)題相對(duì)復(fù)雜。而且當(dāng)前無(wú)線市話室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的質(zhì)量與容量受到影響，所以為了解決當(dāng)前的信號(hào)覆蓋的問(wèn)題，應(yīng)該將3G網(wǎng)絡(luò)與PHS網(wǎng)絡(luò)融合，從而降低室外網(wǎng)絡(luò)的整體干擾，保證室內(nèi)通信質(zhì)量。
2 室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本流程
無(wú)線市話室內(nèi)信號(hào)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于合理選擇分布系統(tǒng)與天線安裝為主，一般而言，室內(nèi)分布系統(tǒng)的基本流程為：現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)原信號(hào)覆蓋情況、確定設(shè)計(jì)要求、選取合適信號(hào)源、選擇室內(nèi)分布系統(tǒng)、設(shè)計(jì)分布系統(tǒng)方案、硬件安裝與開通測(cè)試，具體的設(shè)計(jì)工作如下。
2.1 勘測(cè)工作
勘測(cè)工作是為設(shè)計(jì)工作提供參考資料，為了保證設(shè)計(jì)的合理性，首先需要詳細(xì)的建筑結(jié)構(gòu)圖并且進(jìn)行實(shí)際勘測(cè)，根據(jù)建筑物的實(shí)際情況做好標(biāo)注，對(duì)于可能會(huì)引發(fā)信號(hào)影響的因素進(jìn)行分析，從而得到該建筑的傳播損耗模型。在建筑物的勘測(cè)工作中，需要對(duì)建筑物的電梯、隔墻材料等信息進(jìn)行收集，根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行無(wú)線環(huán)境路測(cè)，從而為設(shè)計(jì)提供參考。
2.2 設(shè)計(jì)工作
設(shè)計(jì)是無(wú)線市話室內(nèi)信號(hào)分析系統(tǒng)的關(guān)鍵工作，對(duì)于室內(nèi)信號(hào)起到?jīng)Q定性的作用。為了完成設(shè)計(jì)工作，需要對(duì)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題進(jìn)行綜合考慮。
2.2.1 信號(hào)源選取
無(wú)線市話室內(nèi)分布系統(tǒng)可以采用PHS系統(tǒng)或3G系統(tǒng)，PHS系統(tǒng)可以再用500mW的lC7T基站，而對(duì)于3G系統(tǒng)，可以采用基站信源和直放站信源兩種類型，為了保障室內(nèi)系統(tǒng)的通信質(zhì)量，需要合理選擇信號(hào)源，在選擇的過(guò)程中，需要從建筑物的容量與覆蓋兩方面進(jìn)行考慮，為了滿足室內(nèi)的通信質(zhì)量，需要合理選擇適當(dāng)?shù)男盘?hào)源，適當(dāng)提前考慮信號(hào)源機(jī)房的預(yù)留。
2.2.2 室內(nèi)分布系統(tǒng)的選擇
為了保障室內(nèi)信號(hào)的有效性，需要根據(jù)覆蓋面積以及不同環(huán)境選擇覆蓋系統(tǒng)：（1）對(duì)于覆蓋面積小而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的建筑，優(yōu)先選擇無(wú)源分布系統(tǒng)；對(duì)于覆蓋面積大而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑，可以采用分區(qū)覆蓋的方式；（2）裙樓一般位于建筑物的低樓層，需要考慮容量的問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)樓的空間間隔較為規(guī)則，主要注意縱深處的信號(hào)控制，地下層通常為信號(hào)盲區(qū)，需要解決覆蓋問(wèn)題，電梯需要滿足語(yǔ)音業(yè)務(wù)的覆蓋需求，應(yīng)注意保持信號(hào)連續(xù)性，因此通暢采用在電梯井內(nèi)安裝高增益定向天線或敷設(shè)泄漏電纜的方式進(jìn)行覆蓋。
3 方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)
3.1 上下行平衡問(wèn)題
無(wú)線市話室內(nèi)信號(hào)分布系統(tǒng)中，需要對(duì)干線的增益效益進(jìn)行合理設(shè)置，避免輸入信號(hào)幅度過(guò)大或是過(guò)小形成的設(shè)置不合理。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，同時(shí)需要對(duì)鏈路預(yù)算進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)天線口的功率計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)的衰減，保證合理傳輸。
3.2 干放使用原則
對(duì)于無(wú)線市話室內(nèi)信號(hào)分布系統(tǒng)而言，同一組的基站不能接入太多干放，建議不超過(guò)5套，而且所有的干放盡量不要串聯(lián)。設(shè)計(jì)中低噪聲放大器一般處于接收機(jī)的前段，性能對(duì)于整機(jī)性能與接收靈敏度具有重要的影響。合理控制信號(hào)源干放，能夠?qū)⑸闲行旁氡瓤刂圃谳^為理想的水平。
3.3 天線布放原則
室內(nèi)分布系統(tǒng)應(yīng)該遵循“小功率、多天線”的原則，降低小天線輸出能夠減少外協(xié)信號(hào)強(qiáng)度，因此采用多天線小功率方案覆蓋效果更好。在天線布放過(guò)程中，需要合理確定天線出入口功率，根據(jù)模擬測(cè)試效果選擇天線布放位置，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
4 結(jié)語(yǔ)
無(wú)線市話室內(nèi)信號(hào)分布系統(tǒng)對(duì)于建筑屋內(nèi)的信號(hào)傳輸具有重要的意義，隨著建筑樓層的增多，當(dāng)前的信號(hào)傳輸不能夠滿足室內(nèi)信號(hào)的需求，合理設(shè)計(jì)室內(nèi)信號(hào)分布系統(tǒng)，能夠保證室內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度，使室內(nèi)信號(hào)滿足建筑內(nèi)部通信需求。
Zigbee無(wú)線模塊作為節(jié)點(diǎn)，具有協(xié)議簡(jiǎn)單、成本低、功耗小、組網(wǎng)容易等優(yōu)點(diǎn)， 利用Zigbee組建的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)下端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和無(wú)線控制。本文針對(duì)室內(nèi)溫度監(jiān)控設(shè)計(jì)出了一個(gè)切實(shí)可行的室內(nèi)溫度監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)可控性好，可靠性高，同時(shí)適合在智能家居方向擴(kuò)展與應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】Zigbee 無(wú)線控制 室內(nèi)溫度監(jiān)控 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)
傳統(tǒng)室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)大多數(shù)都是用有線連接方式。當(dāng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)數(shù)大時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致布線繁瑣、安裝困難、維護(hù)不便等諸多問(wèn)題。利用Zigbee技術(shù)來(lái)構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)，就可以解決上述的各種問(wèn)題。本文介紹了一種無(wú)線室內(nèi)溫度監(jiān)控系統(tǒng)，文中詳細(xì)介紹了Zigbee技術(shù)的工作原理以及實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
IEEE802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和媒介層，Zigbee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上建立了網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。Zigbee網(wǎng)絡(luò)由三種設(shè)備類型組成，分別是協(xié)調(diào)器、路由器以及終端節(jié)點(diǎn)，這三種設(shè)備類型的組網(wǎng)拓?fù)溆挚煞中切瓮負(fù)?、樹形拓?fù)浜途W(wǎng)形拓?fù)洹榱颂岣咄ㄓ嵭?，Zigbee組網(wǎng)不論采用哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)都將按照Z(yǔ)igbee協(xié)議算法選擇最好的路由路徑作為數(shù)據(jù)傳輸通道，此系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)形拓?fù)湓O(shè)計(jì)。
1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)采集溫度傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并接收協(xié)調(diào)器的控制命令從而作相應(yīng)處理；路由器節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，確保協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換正確，加大了Zigbee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收終端節(jié)點(diǎn)采集到的傳感器溫度數(shù)據(jù)，把該數(shù)據(jù)由串口發(fā)給上位機(jī)，同時(shí)接收上位機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的指令信息，并發(fā)給對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)；上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)信息的管理，包括系統(tǒng)調(diào)控配置、實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示、節(jié)點(diǎn)控制、數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)查詢等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。
2 Zigbee溫度監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
該監(jiān)控系統(tǒng)主要由路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成。終端節(jié)點(diǎn)模塊包括數(shù)據(jù)采集和外設(shè)控制兩部分，終端節(jié)點(diǎn)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。溫度采集采用傳感器DS18B20，溫度采集范圍-55℃―+125，-10℃―+85℃測(cè)量精度為±0.5℃。傳感器將測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)傳送給Zigbee模塊CC2530，CC2530對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，發(fā)出控制信息控制下端設(shè)備（空調(diào)）調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。
3 Zigbee溫度監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3.1 Z-Stack協(xié)議棧的軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的Zigbee無(wú)線模塊采用操作系統(tǒng)的思想來(lái)構(gòu)建軟件系統(tǒng)協(xié)議棧，通過(guò)自適應(yīng)輪詢算法處理，系統(tǒng)初始化后，即進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)立即被喚醒，并作出相應(yīng)響應(yīng)，事件完成后，系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)入休眠模式，如果幾個(gè)事情同時(shí)發(fā)生，系統(tǒng)將按照中斷事件優(yōu)先級(jí)按序處理，Z-Stack工作流程為：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)、操作系統(tǒng)OSAl初始化、硬件驅(qū)動(dòng)初始化、自適應(yīng)輪詢。
3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)
協(xié)調(diào)器在系統(tǒng)中主要是完成建立和管理Zigbee網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)，它能夠自動(dòng)允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，收集終端節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)接收上位機(jī)的控制命令，然后將命令發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)以控制其采取相應(yīng)的處理措施。協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)并處理節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的程序流程如圖3-1所示。
3.3 Zigbee節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
路由器節(jié)點(diǎn)的作用是選擇路由、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。Zigbee設(shè)備有64位的MAC地址和16位的網(wǎng)絡(luò)地址。網(wǎng)絡(luò)地址是設(shè)備入網(wǎng)后，由協(xié)調(diào)器或者路由器分配，在網(wǎng)絡(luò)中是獨(dú)一無(wú)二的。為了保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)所分配的網(wǎng)絡(luò)地址的唯一性，Zigbee的分配網(wǎng)絡(luò)地址的方案采用分布式尋址。Zigbee節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)流程圖如圖3-2。
3.4 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
終端節(jié)點(diǎn)是用來(lái)采集室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)的，它一方面與協(xié)調(diào)器建立一定關(guān)系將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，另一方面接收協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的控制命令，控制下端設(shè)備空調(diào)器做出相應(yīng)的操作。
在終端節(jié)點(diǎn)以終端的身份啟動(dòng)并加入網(wǎng)絡(luò)后，即開始與協(xié)調(diào)器建立關(guān)系。一旦關(guān)系建立就
可以在不需要知道明確的目的地址的情況下發(fā)送數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳遞流程如圖3-3。
4 上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)上位機(jī)利用JAVA、Apache、Mysql和PHP實(shí)現(xiàn)，它的主要功能是可以通過(guò)串口或者有線網(wǎng)絡(luò)接口接收Z(yǔ)igbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送的被監(jiān)控室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)處理后，結(jié)果可在上位機(jī)窗口實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的無(wú)線監(jiān)控和自動(dòng)或手動(dòng)的溫度調(diào)節(jié)控制；借助后臺(tái)MYSQL，將室內(nèi)溫度信息儲(chǔ)存，可以方便的在上位機(jī)界面上對(duì)歷史信息記錄查詢和對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息管理。上位機(jī)登陸界面和上位機(jī)監(jiān)控界面如圖6、圖7所示
5 結(jié)語(yǔ)
本文給出了一種室內(nèi)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案，解決了有線網(wǎng)絡(luò)存在的布線、維護(hù)和擴(kuò)展性等問(wèn)題。系統(tǒng)以CC2530為核心，搭建了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，經(jīng)試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可以很好的完成溫度數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理和記錄等任務(wù)，能夠通過(guò)控制外設(shè)完成對(duì)室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)工作，對(duì)智能家居的發(fā)展也有一定的指導(dǎo)意義。
【摘 要】通過(guò)對(duì)CDMA的信號(hào)發(fā)送和接收境況進(jìn)行全面的分析和討論，就室內(nèi)布線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了詳細(xì)的分析，介紹了室內(nèi)天線和信號(hào)源的選取方式，并對(duì)CDMA室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的問(wèn)題進(jìn)行了全面的分析。
【關(guān)鍵詞】CDMA；室內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；噪音
在移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的過(guò)程中，CDMA的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)由于基站的分布，而產(chǎn)生主導(dǎo)頻污染的現(xiàn)象，導(dǎo)致信號(hào)受到干擾，在一般的大型商場(chǎng)和商業(yè)樓宇之間的基站不能布置的太密，在大規(guī)模的CDMA網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)完成之后，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行測(cè)試，以及對(duì)用戶的使用報(bào)告進(jìn)行檢測(cè)分析，可以明顯的看出，在室內(nèi)還存在信號(hào)分布不足，信號(hào)不穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)通話質(zhì)量存在問(wèn)題，連通率比較底下，影響CDMA的通信質(zhì)量。
1 室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路
CDMA信號(hào)在室內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括CDMA信號(hào)源與室內(nèi)CDMA信號(hào)的具體分布方式等相關(guān)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。
1.1 CDMA信號(hào)源的選取
CDMA信號(hào)源的接入是室內(nèi)布線系統(tǒng)必須考慮的問(wèn)題，這個(gè)信號(hào)源的接入必須通過(guò)一個(gè)特定的接口才能與室內(nèi)分布系統(tǒng)接入，這樣室內(nèi)的布線系統(tǒng)才能收到信號(hào)源的信號(hào)，信號(hào)源的接入手段一般有蜂窩接入或者光纖耦合或者空間耦合等接入手段。
（1）基站直接與信號(hào)源相連接的手段，接入到室內(nèi)布線系統(tǒng)。
（2）通過(guò)基站與信號(hào)收發(fā)的端口進(jìn)行耦合的方式，通過(guò)耦合器能夠很好的對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制，排除其他信號(hào)的干擾和污染主導(dǎo)頻信號(hào)，它主要適合于主基站離室內(nèi)分布式布線比較近的接入方式。
（3）光纖直放站耦合的接入方式。在原理與基站直接耦合的方式相似，主要是采用光纖將基站的信號(hào)接入，并將信號(hào)接入到室內(nèi)分布式系統(tǒng)。它適合室內(nèi)布線系統(tǒng)與基站距離比較遠(yuǎn)的分布式系統(tǒng)，但是在施工時(shí)難度比較大。
1.2 室內(nèi)分布系統(tǒng)中天線的選取
室內(nèi)天線的選擇是保證信號(hào)能夠正常接收的重要保證，一般采用全向吸頂天線，它安裝方便，能夠有效的覆蓋整體樓宇，而鞭狀天線和定向天線的覆蓋范圍比較大，能夠有效的覆蓋電梯和人群比較密集的地下室、車庫(kù)等相關(guān)的場(chǎng)所。室內(nèi)天線的選擇需要根據(jù)具體的布線情況而定，也要根據(jù)室內(nèi)的信號(hào)結(jié)合方式而定，要符合環(huán)境保護(hù)和美觀的需要。在實(shí)際室內(nèi)布線工程設(shè)計(jì)中，要結(jié)合CDMA信號(hào)變化情況，根據(jù)室內(nèi)分布系統(tǒng)規(guī)模的不同和具體的情況，從天線設(shè)計(jì)的效益、成本、投資等方面對(duì)天線進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)，要保證信號(hào)能夠覆蓋整個(gè)建筑物。
針對(duì)10000平方米大中型室內(nèi)CDMA信號(hào)覆蓋系統(tǒng)，要求的話務(wù)量和CDMA信號(hào)覆蓋的強(qiáng)度比較大，需要根據(jù)具體的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，信號(hào)的接入可以采用光纖與基站直接接入的方式進(jìn)行連接，在一般無(wú)源器件發(fā)送的信號(hào)不能滿足覆蓋要求時(shí)，可以采用干線放大器等設(shè)備對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。當(dāng)室內(nèi)面積小于5000平方米時(shí)，可以采用微小型室內(nèi)信號(hào)覆蓋系統(tǒng)，采用全向型的天線，來(lái)實(shí)現(xiàn)CDMA信號(hào)的全面覆蓋，也可以采用小功率的無(wú)線天線直放站作為室內(nèi)分布系統(tǒng)的信號(hào)源。在對(duì)室內(nèi)分布系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的大小和建筑物的特征，選擇適當(dāng)?shù)?、信?hào)增益能夠滿足要求的定向、或者全向的天線施工方式。
2 室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)中CDMA信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分析
2.1 覆蓋邊緣場(chǎng)強(qiáng)分析
邊緣場(chǎng)強(qiáng)的取值對(duì)CDMA信號(hào)的分析具有直接影響的作用，整個(gè)CDMA信號(hào)覆蓋的場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算，需要依據(jù)邊緣場(chǎng)強(qiáng)的確定，如果將CDMA信號(hào)的邊緣場(chǎng)強(qiáng)取值過(guò)高，就要求室內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)相應(yīng)的提高，室內(nèi)信號(hào)覆蓋的強(qiáng)度也會(huì)提高，增加室內(nèi)信號(hào)覆蓋的成本，如果降低邊緣場(chǎng)強(qiáng)，就會(huì)減少室內(nèi)信號(hào)覆蓋的程度，降低覆蓋的成本，但是這也會(huì)影響室內(nèi)CDMA信號(hào)的通話質(zhì)量。在一幫的情況下，基站和手機(jī)的接收效率也會(huì)與邊緣場(chǎng)強(qiáng)的取值有很大的關(guān)系，根據(jù)CDMA信號(hào)覆蓋的要求，對(duì)于樓宇進(jìn)行CDMA室內(nèi)布線設(shè)計(jì)時(shí)，一般將邊緣場(chǎng)強(qiáng)取值為-80dB，對(duì)于樓梯和一般的地下室等相關(guān)的場(chǎng)所的邊緣取值為-85dB，以滿足信號(hào)覆蓋的要求。
3 CDMA室內(nèi)直放站作為信號(hào)源時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題
3.1 室內(nèi)CDMA無(wú)線直放站安裝環(huán)境要求
針對(duì)CDMA信號(hào)無(wú)線直放站的要求，設(shè)計(jì)時(shí)，信號(hào)的主天線安放位置應(yīng)根據(jù)實(shí)際的情況確定，但是至少要能夠接收到強(qiáng)導(dǎo)頻信號(hào)的軟切換分支少于3個(gè)信號(hào)源，這樣才能夠避免室內(nèi)分布系統(tǒng)的主導(dǎo)頻信號(hào)受到污染，在施主天線的安裝位置，要求主基站的導(dǎo)頻的頻率信號(hào)不能受到污染，確保室內(nèi)信號(hào)的強(qiáng)調(diào)能夠滿足要求，保證通話質(zhì)量。這樣，基站接收的基站的信號(hào)強(qiáng)度要滿足-70dB，為保證信號(hào)的通話質(zhì)量，在主天線安裝位置周圍，要保證信號(hào)的外界的強(qiáng)干擾源的信息噪聲小于-113dB。
3.2 室內(nèi)信號(hào)無(wú)線直放站施主天線與轉(zhuǎn)發(fā)天線隔離度的分析計(jì)算
根據(jù)CDMA信號(hào)的覆蓋要求，和實(shí)際的天線經(jīng)驗(yàn)，為有效避免和建設(shè)無(wú)線直放站之間信號(hào)的干擾和自激現(xiàn)象，要求無(wú)線直放站的施主天線與轉(zhuǎn)發(fā)天線二者之間的信號(hào)隔離度應(yīng)大于8dB，滿足信號(hào)不能互相干擾的要求。具體的計(jì)算要求：，式中，為CDMA信號(hào)主天線的前后比，為CDMA信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)天線的前后比，Li為CDMA信號(hào)的自由空間損耗，位置為CDMA信號(hào)的建筑物或者障礙隔離損耗，在實(shí)際的工作設(shè)計(jì)中，需要考慮障礙物、施主單位和轉(zhuǎn)發(fā)天線的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.3 直放站對(duì)CDMA信號(hào)的施主基站噪聲分析
4 結(jié)語(yǔ)
CDMA信號(hào)的室內(nèi)分布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要對(duì)具體的情況進(jìn)行綜合的分析，需要根據(jù)移動(dòng)通信的建設(shè)方案和優(yōu)化程略進(jìn)行具體的分析，要以最低成本投入，達(dá)到最大的收益，促進(jìn)CDMA市場(chǎng)的發(fā)展。
【摘要】本文介紹了移動(dòng)通信中的室內(nèi)分布系統(tǒng)的概念及應(yīng)用，同時(shí)介紹了室內(nèi)分布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)時(shí)要關(guān)注的要點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】室內(nèi)分布系統(tǒng)；工程設(shè)計(jì)
一、概述
近年來(lái)，隨著移動(dòng)通信的快速發(fā)展，移動(dòng)電話已逐漸成為人民群眾日常生活中廣泛使用的一種現(xiàn)代化通信工具，同時(shí)廣大移動(dòng)用戶對(duì)移動(dòng)通信服務(wù)質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，他們已不再單單滿足于良好的室外移動(dòng)通信服務(wù)，而且也要求在室內(nèi)（特別是星級(jí)酒店、大型商場(chǎng)、高級(jí)寫字樓等）能享受優(yōu)質(zhì)的移動(dòng)通信服務(wù)。而現(xiàn)代建筑由于多以鋼筋混凝土為骨架，再加上全封閉式的外裝修，對(duì)無(wú)線電信號(hào)的屏蔽衰減特別厲害，使通話質(zhì)量嚴(yán)重下降。在此情況下，室內(nèi)分布系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。室內(nèi)分布系統(tǒng)是針對(duì)室內(nèi)用戶群、用于改善建筑物內(nèi)移動(dòng)通信環(huán)境的一種成功的方案；是利用室內(nèi)天線分布系統(tǒng)將移動(dòng)基站的信號(hào)均勻分布在室內(nèi)每個(gè)角落，從而保證室內(nèi)區(qū)域擁有理想的信號(hào)覆蓋。
二、室內(nèi)分布系統(tǒng)的組成、應(yīng)用及類型
室內(nèi)分布系統(tǒng)通過(guò)功分器、耦合器等無(wú)源功率分配器件和干線放大器等有源器件及饋線、室內(nèi)天線等設(shè)備將無(wú)線信號(hào)均勻分配到室內(nèi)各個(gè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)對(duì)室內(nèi)的延伸覆蓋。
1.室內(nèi)分布系統(tǒng)由兩部分組成：
（1）信號(hào)源（微蜂窩、宏蜂窩、直放站、BBU+RRU等）；
（2）分布系統(tǒng)（同軸電纜、光纜、泄漏電纜、光端機(jī)、干線放大器、功分器、耦合器、天線等）。
2.需要建設(shè)室內(nèi)分布系統(tǒng)的區(qū)域有：
室內(nèi)盲區(qū)：新建大型建筑、停車場(chǎng)、辦公樓、賓館。
話務(wù)量高的大型室內(nèi)場(chǎng)所：車站、機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)、體育館、購(gòu)物中心，增加微蜂窩建立分層結(jié)構(gòu)。
發(fā)生頻繁切換的室內(nèi)場(chǎng)所：高層建筑的頂部，收到多個(gè)基站的功率近似的信號(hào)。
3.室內(nèi)分布系統(tǒng)有以下幾種類型：
（1）同軸電纜分布方式無(wú)源分布系統(tǒng)
信號(hào)源通過(guò)組合使用的耦合器、功分器等無(wú)源器件進(jìn)行分路，經(jīng)饋線將信號(hào)均勻分布到室內(nèi)各個(gè)角落。通過(guò)仔細(xì)的鏈路計(jì)算，達(dá)到信號(hào)的均勻分布。天線使用適合室內(nèi)使用的吸頂式或壁掛式天線。覆蓋面積小，適用于中小型樓宇室內(nèi)覆蓋場(chǎng)所。
（2）同軸電纜分布方式有源分布系統(tǒng)
在建筑物覆蓋面積較大時(shí)，前述的無(wú)源天饋線很難滿足需要；可增加中繼設(shè)備，如放大器，以補(bǔ)償信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損耗。
（3）光纖分布系統(tǒng)
當(dāng)覆蓋的區(qū)域比較分散、相距較遠(yuǎn)或地形比較復(fù)雜時(shí)，可以采用光纖分布系統(tǒng)，通過(guò)拉遠(yuǎn)的方式對(duì)各個(gè)分離的室內(nèi)區(qū)域進(jìn)行覆蓋。光纖站近端在信號(hào)源所在之處，通過(guò)近端實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并經(jīng)光分路器分配進(jìn)入光纖傳輸至各遠(yuǎn)端；光纖遠(yuǎn)端為光電轉(zhuǎn)換取出射頻信號(hào)，并經(jīng)過(guò)功率放到輸入室分天饋系統(tǒng)。
（4）泄漏電纜分布系統(tǒng)
信號(hào)源通過(guò)耦合器、功分器等無(wú)源器件進(jìn)行分路后，送入泄漏電纜中，并通過(guò)電纜外導(dǎo)體的一系列開口，在外導(dǎo)體上產(chǎn)生表面電流，從而在電纜開口處橫截面上形成電磁場(chǎng)，這些開口就相當(dāng)于一系列的天線起到信號(hào)的發(fā)射和接收作用。在信號(hào)傳輸過(guò)程中，將信號(hào)均勻的分布在所經(jīng)過(guò)的區(qū)域，這種方式稱為泄漏電纜分布系統(tǒng)。
三、室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)
進(jìn)行室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)把握的總體原則是：
“小功率、多天線”的覆蓋原則
“先局部、后整體”、“先平層、后主干”的設(shè)計(jì)順序
主干線上主要用耦合器，平層主要用功分器
主干線盡量采用7/8饋線，平層小于30米采用1/2饋線
進(jìn)行室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，有以下幾點(diǎn)需要注意：
1.室內(nèi)分布系統(tǒng)天線布放方式
（1）走廊交叉位置布放天線
在走廊交叉位置布放天線，可以使該天線能夠照顧多個(gè)方向的覆蓋，在滿足覆蓋要求的情況下做到天線數(shù)量最少。
（2）切換區(qū)域布放天線
在電梯廳附近布放天線，在覆蓋房間的同時(shí)，兼顧電梯廳的覆蓋。
停車場(chǎng)出入口布放天線，布放位置一般選擇在拐角處。
（3）房間內(nèi)布放天線
為了減少穿透墻體帶來(lái)的損耗，對(duì)于大型會(huì)議室、辦公區(qū)域等，如果物業(yè)允許的話，可以將天線布放到房間內(nèi)。
（4）定向天線防止信號(hào)泄漏
對(duì)于一些容易發(fā)生信號(hào)泄漏的區(qū)域，如走廊盡頭靠窗位置，可以布放定向天線進(jìn)行覆蓋，定向天線的主瓣方向朝里，利用定向天線后瓣的抑制特性，防止信號(hào)泄漏到室外造成干擾。
（5）干擾區(qū)域布放天線
如果在室內(nèi)存在室外干擾信號(hào)的區(qū)域，而且客戶要求在室內(nèi)區(qū)域必須占用室內(nèi)信號(hào)，那么從室內(nèi)覆蓋優(yōu)化的角度（相對(duì)室外基站優(yōu)化調(diào)整），則需要根據(jù)干擾信號(hào)強(qiáng)度和區(qū)域來(lái)決定室內(nèi)天線的布放位置。確保天線布放后，在室內(nèi)干擾區(qū)域，室內(nèi)信號(hào)的導(dǎo)頻功率比室外干擾信號(hào)導(dǎo)頻功率高5dB以上。
2.電梯覆蓋需單獨(dú)考慮
天線主瓣方向朝向電梯井道一般可覆蓋4層；天線主瓣方向朝向電梯廳一般可覆蓋3層。
3.室內(nèi)分布系統(tǒng)的功率分配原則
（1）“先平層設(shè)計(jì)”，主要用功分器（保證天線口功率平衡）；根據(jù)天線數(shù)量確定采用何種功分器，平層饋線小于30米一般用1/2饋線。
（2）“后主干設(shè)計(jì)”，主要用耦合器（可以節(jié)省功率）；根據(jù)主干信號(hào)功率和平層需要功率確定耦合器的耦合度；饋線一般用7/8饋線。
（3）如果主干線全采用耦合器，可能引起天線口功率不平衡，因此，主干線可采用耦合器+功分器分配功率方式。
4.系統(tǒng)切換設(shè)計(jì)
（1）一般建筑物大堂出入口切換區(qū)域建議在室外距離門口5～7米范圍內(nèi)。切換區(qū)域不宜離馬路太近或進(jìn)入室內(nèi)過(guò)深。
大堂切換設(shè)計(jì)策略：
“小功率、多天線”方式；
定向天線從門口往里覆蓋；
天線口功率可調(diào)。
（2）電梯切換設(shè)計(jì)策略：
通常建議電梯內(nèi)為同一小區(qū)；
當(dāng)樓層太高，不能同一小區(qū)時(shí)，需要引入相鄰小區(qū)信號(hào)；
非全樓覆蓋時(shí)，電梯井道天線主瓣方向朝向電梯廳；
電梯內(nèi)外不同小區(qū)時(shí)，切換區(qū)域選擇在電梯廳。
（3）車庫(kù)出入口切換設(shè)計(jì)：在車庫(kù)出入口位置安裝天線保證切換。
5.干擾和泄露
為建立較完美的無(wú)線覆蓋網(wǎng)絡(luò)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧邊緣場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算，保證不會(huì)產(chǎn)生明顯的信號(hào)泄漏。
小功率、多天線”覆蓋技術(shù)解決室外干擾和控制室內(nèi)信號(hào)外泄；
在易外泄區(qū)域安裝定向天線控制室內(nèi)信號(hào)外泄；
室外網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。
四、結(jié)束語(yǔ)
室內(nèi)分布系統(tǒng)的建設(shè)，可以較為全面地改善建筑物內(nèi)的通話質(zhì)量，提高移動(dòng)電話接通率，開辟出高質(zhì)量的室內(nèi)移動(dòng)通信區(qū)域。同時(shí)，使用微蜂窩系統(tǒng)可以分擔(dān)室外宏蜂窩話務(wù)，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，從整體上提高移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)水平。室內(nèi)分布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，需要考慮諸多方面的問(wèn)題。本文只是從天線布放、電梯覆蓋、功率分配、系統(tǒng)切換、干擾和泄露幾個(gè)方面進(jìn)行探討，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)還有許多問(wèn)題需要考慮。
摘 要：本系統(tǒng)以MSP430F5529單片機(jī)為核心，采用MQ138甲醛檢測(cè)傳感器、MS2200-P1一氧化碳檢測(cè)傳感器等多種傳感器檢測(cè)室內(nèi)空氣中甲醛、一氧化碳等有害氣體并檢測(cè)甲醛濃度；利用AM2301溫濕度傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)段式液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示甲醛濃度讀數(shù)，溫度、濕度讀數(shù)。整個(gè)系統(tǒng)體積小，重量輕，采用電池供電，攜帶方便。系統(tǒng)功耗低，價(jià)格低，適合家庭使用的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，能快捷服務(wù)健康生活。
關(guān)鍵詞：MSP430F5529；有害氣體檢測(cè)；溫濕度檢測(cè)；超低功耗
居室、辦公室、賓館、飯店、商場(chǎng)等場(chǎng)所使用的裝潢材料中含有大量的有害化學(xué)成分如：甲醛等有害氣體常引發(fā)眼睛和喉嚨疼痛、皮炎等一系列健康問(wèn)題，習(xí)慣稱之為“裝潢病”，在導(dǎo)致“裝潢病”的諸多物質(zhì)中甲醛可算是罪魁禍?zhǔn)住Ｇ壹兹┦且环N潛在的致癌物質(zhì)，對(duì)人體健康有較大的危害。專業(yè)機(jī)構(gòu)測(cè)量甲醛等有害氣體價(jià)格昂貴，而且在時(shí)間方面受到限制?，F(xiàn)代家庭使用的天然氣、液化氣可能發(fā)生泄漏引起爆炸。因此，設(shè)計(jì)一種低功耗、便攜式室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
該檢測(cè)系統(tǒng)由MSP430F5529單片機(jī)為核心，由傳感器、A/D轉(zhuǎn)化模塊和液晶顯示模塊組合而成。通過(guò)MQ138甲醛檢測(cè)傳感器檢測(cè)室內(nèi)空氣中甲醛濃度，通過(guò)ms2200CO檢測(cè)傳感器檢測(cè)一氧化碳?xì)怏w，通過(guò)空氣質(zhì)量傳感器 MQ135傳感器檢測(cè)室內(nèi)空氣中其他有害氣體和可燃?xì)怏w，AM2301溫濕度傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用MSP430單片機(jī)自帶的AD轉(zhuǎn)換器對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用段式液晶顯示屏顯示檢測(cè)結(jié)果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 主控芯片MSP430F5529功能介紹。MSP430F5529是一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集的混合信號(hào)處理器。尋址方式豐富，運(yùn)行速度快，高達(dá)25MHz。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時(shí)，中斷喚醒只需5μs；并且體積小，電壓低，功耗低，適用于需要電池供電的便攜式儀器中。此外，內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率達(dá)到了12位，提高了轉(zhuǎn)換精度，使測(cè)量更加準(zhǔn)確，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步降低了功耗。
2.2 MQ138甲醛檢測(cè)傳感器。MQ138傳感器的敏感材料是活性很高的金屬氧化物半導(dǎo)體，當(dāng)在空氣中加熱到一定溫度時(shí)，發(fā)生氧化反應(yīng)，氧原子吸附電子變成氧負(fù)離子，濃度升高。遇到還原氣體時(shí)氧負(fù)離子因發(fā)生還原反應(yīng)導(dǎo)致其表面濃度降低。MQ138傳感器模擬信號(hào)和電平信號(hào)同時(shí)輸出，模擬量輸出隨濃度增加而增加，濃度越高電壓越高。用于家庭、環(huán)境的揮發(fā)物探測(cè)裝置，適宜于醛、醇、酮、芳族化合物的探測(cè)，氣敏感元件測(cè)試濃度范圍：苯 1 to 100ppm、甲苯10 to 100ppm、甲醛 1 to 10ppm。MQ138甲醛檢測(cè)傳感器測(cè)量原理圖如圖2所示。
2.3 MQ135空氣質(zhì)量檢測(cè)傳感器。MQ135空氣質(zhì)量檢測(cè)傳感器用于家庭、環(huán)境的有害氣體探測(cè)裝置，適宜于氨氣、芳族化合物、硫化物、苯系蒸汽、煙霧等氣體有害氣體的探測(cè)；氣體敏感元件測(cè)試濃度范圍：10 to1000ppm；對(duì)硫化物、苯系蒸汽、煙霧等有害氣體具有很高的靈敏度；具有長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。MQ135空氣質(zhì)量檢測(cè)傳感器測(cè)量原理圖如圖3所示。
2.4 ms2200CO檢測(cè)傳感器。ms2200CO檢測(cè)傳感器用于檢測(cè)一氧化碳?xì)怏w，工作在-10至60攝氏度，檢測(cè)濃度范圍：0-1000ppm（CO氣體）；對(duì)一氧化碳、煙、HC揮發(fā)氣體有高靈敏度，可用于該類氣體定性檢測(cè)；具有使用壽命長(zhǎng)和穩(wěn)定性可靠等特點(diǎn)。ms2200CO檢測(cè)傳感器測(cè)量原理圖如圖4所示。
2.5 AM2301溫濕度傳感器。AM2301傳感器又叫DHT21傳感器，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的復(fù)合式溫濕度傳感器。該傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC感溫元件，并與高性能單片機(jī)相連。
2.6 報(bào)警系統(tǒng)。為了使本系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的監(jiān)測(cè)更為直觀，采用了由顯示屏和一個(gè)蜂鳴器構(gòu)成的聲光報(bào)警電路。其中對(duì)應(yīng)每一種有毒氣體都有一紅一綠兩個(gè)發(fā)光二極管與其對(duì)應(yīng)，正常情況下對(duì)應(yīng)綠色的發(fā)光二極管亮，蜂鳴器不響；當(dāng)氣體的濃度超標(biāo)時(shí)，對(duì)應(yīng)紅色的發(fā)光二極管亮，并啟動(dòng)蜂鳴器。
2.7 AD轉(zhuǎn)換電路。氣體傳感器出來(lái)的信號(hào)是模擬信號(hào)，而微處理器MSP430F5529只能處理數(shù)字信號(hào)，故需要對(duì)模擬信號(hào)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為處理器能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，由于經(jīng)過(guò)放大電路出來(lái)的模擬電壓變化范圍在0～3V，故采用MSP430F5529單片機(jī)自帶AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
MSP430F5529對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是0-3V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。ADC0809的時(shí)序接口為51系列單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)總線接口，操作方便，如同對(duì)存儲(chǔ)器或I/O操作一樣，A/D轉(zhuǎn)換精度為8比特，滿足本課題要求。輸入的模擬電壓為0～3V，一次A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μS。
2.8 超低功耗。MSP430F5529繼承了MSP430單片機(jī)超低功耗的特點(diǎn)，可以軟件配置6種超低功耗模式，其處理功耗（1.8～3.6V，0.1?A/Power-down，0.8?A/Standby，250?A/MIPS）和口線輸入漏電流（最大50mA）在業(yè)界都是最低的。可以滿足本系統(tǒng)對(duì)超低功耗的要求，實(shí)現(xiàn)電池供電。
2.9 液晶顯示模塊。本系統(tǒng)所要顯示的數(shù)據(jù)一共有5個(gè)，分別是兩種有毒氣體的濃度和室內(nèi)的溫度、濕度，顯示模塊采用單片機(jī)自帶的段式顯示屏。這種LCD是102x64矩陣LCD，帶背光，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，適用于耗電量小為便攜式應(yīng)用的場(chǎng)合。
3 軟件電路分析
系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。
4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案
4.1 溫濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。選擇AM2301模塊進(jìn)行溫濕度傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將測(cè)得數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)溫濕度表進(jìn)行比較，修正室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度。
4.2 有毒氣體檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。有害氣體檢測(cè)模塊與MSP430單片機(jī)連接，利用單片機(jī)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器將氣體檢測(cè)傳感器模塊輸出的氣體濃度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并在顯示屏上顯示出來(lái)，將顯示出來(lái)的值與標(biāo)準(zhǔn)有害氣體濃度相比較，修正室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度。
5 結(jié)束語(yǔ)
檢測(cè)室內(nèi)甲醛氣體濃度和可燃?xì)怏w（甲烷、丙烷等）；還可檢測(cè)室內(nèi)溫度、濕度；可實(shí)時(shí)顯示甲醛濃度讀數(shù)、溫度、濕度讀數(shù)。體積小，重量輕，攜帶方便；采用電池供電，系統(tǒng)功耗低，價(jià)格低；適合家庭使用的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。
摘要：如何利用現(xiàn)有資源減少投資，實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)合一的室內(nèi)覆蓋規(guī)劃設(shè)計(jì)，是3G和后3G建設(shè)的熱點(diǎn)問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：室內(nèi)覆蓋系統(tǒng) 多網(wǎng)合一 覆蓋規(guī)劃
0、引言
不同運(yùn)營(yíng)商的室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)之間不僅頻率不同，制式也不同，無(wú)法充分利用，既浪費(fèi)投資又影響建筑物內(nèi)的美觀，同時(shí)也給網(wǎng)絡(luò)維護(hù)帶來(lái)隱患。本文就多網(wǎng)合一的3G室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的系統(tǒng)間干擾、容量、功率匹配等方面進(jìn)行探討，本文的設(shè)計(jì)方法可以保證多系統(tǒng)的正常工作，互不干擾，可有效應(yīng)用于實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中。
1、多網(wǎng)合一系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題
在多網(wǎng)合一室內(nèi)覆蓋設(shè)計(jì)時(shí)，由于不同系統(tǒng)的設(shè)備輸出功率不同，不同頻段信號(hào)在饋線中的傳輸損耗不同，不同頻段無(wú)線信號(hào)在空間中的傳播損耗也不同；各系統(tǒng)設(shè)備及性能指標(biāo)不同，導(dǎo)致各系統(tǒng)的接入節(jié)點(diǎn)位置不一致。在建設(shè)多制式通信系統(tǒng)合一時(shí)，運(yùn)營(yíng)商需要考慮多方面問(wèn)題。
1.1系統(tǒng)合路：系統(tǒng)合路是在原有系統(tǒng)增加新的信號(hào)源，如原有室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)是無(wú)源方式，且器件工作頻段涵蓋了800MHz～2500MHz，則無(wú)需再改動(dòng)。增加新系統(tǒng)時(shí)需在信號(hào)源部分使用雙頻或多頻合路器對(duì)信號(hào)合路/分路后（對(duì)上行是合路，對(duì)下行是分路）送到室內(nèi)分布系統(tǒng)。
1.2覆蓋與容量：共用室內(nèi)分布系統(tǒng)需滿足各種系統(tǒng)的覆蓋和容量要求。3G室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議優(yōu)先采用“多天線、小功率”的方式，減少室內(nèi)天線的輸出電平，以控制信號(hào)泄漏電平。
對(duì)于大型建筑物，信號(hào)在傳輸和分配過(guò)程中，信號(hào)強(qiáng)度低到一定程度就需增加干線放大器對(duì)其放大，此時(shí)需用合路器把信號(hào)合路/分路，通過(guò)各系統(tǒng)的干線放大器放大后，再通過(guò)雙頻或多頻合路器進(jìn)行合路。
1.3功率匹配：多系統(tǒng)共用分布系統(tǒng)的一個(gè)突出問(wèn)題是功率匹配。均需要在設(shè)計(jì)中進(jìn)行綜合考慮。
1.4系統(tǒng)間干擾：多網(wǎng)合一的室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，需要分析各系統(tǒng)間的干擾并提出抑制方法，保證各系統(tǒng)的正常工作。
在工程上運(yùn)營(yíng)商可以采用合路器隔離度、增加濾波器、空間隔離等幾種方法滿足雜散隔離度需求。
2 、系統(tǒng)的多網(wǎng)合一改造實(shí)例
某辦公樓的原有GSM室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)需要進(jìn)行優(yōu)化改造，使系統(tǒng)能兼容WLAN和TD-SCDMA系統(tǒng)。該建筑物有13層，地下有1層，有兩部電梯。樓內(nèi)多為辦公區(qū)、會(huì)議室等。大樓中間為走廊，兩側(cè)為辦公區(qū)，結(jié)構(gòu)具有代表性。
2.1 GSM、TD-SCDMA、WLAN系統(tǒng)的合路：信號(hào)源方面，TD-SCDMA目前多采用BBU+RRU的方式，能夠?qū)⑦h(yuǎn)點(diǎn)射頻模塊就近于天線安裝，降低了信號(hào)在饋線上的損耗。這種方式施工方便，對(duì)原有系統(tǒng)變動(dòng)小，工程成本較低，無(wú)需依賴干放，是一種經(jīng)濟(jì)的室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)組網(wǎng)方式。
TD-SCDMA設(shè)備RRU的輸出功率（27dBm左右）比GSM設(shè)備（40dBm左右）低，而在饋線中的損耗卻比GSM大，設(shè)計(jì)中不考慮在機(jī)房?jī)?nèi)進(jìn)行合路，在無(wú)源器件中間級(jí)擇機(jī)合路，采取功率倒推的方式，根據(jù)模擬測(cè)試結(jié)果，計(jì)算出天線口需要的功率，返回推算出TD-SCDMA設(shè)備接入的合適具體位置。根據(jù)大量測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，TD-SDMA系統(tǒng)天線口功率一般建議控制在7～10dBm左右，那么，從天線口至合路器位之間的饋線和器件及合路器損耗，應(yīng)該控制在17dB左右。
WLAN系統(tǒng)的工作頻段比TD-SCDMA系統(tǒng)的工作頻段更高，如采用與TD-SCDMA系統(tǒng)相同位置合路的情況下，由于室內(nèi)型AP設(shè)備輸出功率有限（一般在100mW以內(nèi)），為擴(kuò)大單個(gè)AP的覆蓋區(qū)域增大，工程上需要采用WLAN功率放大器，將AP信號(hào)放大，通過(guò)AP+干放的方式來(lái)解決覆蓋問(wèn)題。通過(guò)鏈路計(jì)算，WLAN干放的輸出功率大致需要在30dBm左右。
2.2 功率匹配：根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，TD-SCDMA和WLAN系統(tǒng)天線口功率建議控制在10dB左右，這就需要通過(guò)對(duì)RRU和AP干放的輸出功率的適當(dāng)調(diào)整，使天線口的功率符合設(shè)計(jì)要求，在開通測(cè)試后優(yōu)化調(diào)整，盡量保證信號(hào)的邊緣覆蓋場(chǎng)強(qiáng)的同時(shí)控制信號(hào)的外泄情況。
2.3 信號(hào)覆蓋：對(duì)大樓原有系統(tǒng)進(jìn)行摸查核實(shí)，對(duì)所有器件及天線等進(jìn)行認(rèn)真核查，檢查是否與原有存檔的文件相符合。對(duì)于部分格局發(fā)生變化的區(qū)域，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)覆蓋情況，進(jìn)行天線的增補(bǔ)。原有電梯內(nèi)的覆蓋，是采用八木天線安裝在電梯井頂部和底部方式，天線間距很遠(yuǎn)，另外電梯覆蓋原有采用八木天線，由于八木天線的頻帶無(wú)法覆蓋到2GHz頻段，因此考慮本次TD-SCDMA系統(tǒng)的電梯覆蓋，采取重新布放饋線和寬頻定向天線的方式。
信號(hào)覆蓋方面：TD-SCDMA系統(tǒng)，需對(duì)大樓實(shí)現(xiàn)全覆蓋；WLAN系統(tǒng)，主要覆蓋辦公區(qū)和會(huì)議室等重點(diǎn)區(qū)域，而電梯及地下室等區(qū)域，無(wú)需考慮WLAN的信號(hào)覆蓋。
2.4 系統(tǒng)容量WLAN系統(tǒng)：工程設(shè)計(jì)上一般每AP接入用戶數(shù)在20～30個(gè)左右應(yīng)該比較合適。由于本大樓平層面積不大，對(duì)覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶數(shù)進(jìn)行估算，同時(shí)為凈化信道環(huán)境，減低信道干擾，并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于在辦公區(qū)域，每?jī)蓪訕遣捎靡粋€(gè)AP來(lái)進(jìn)行覆蓋，基本能滿足用戶需求。對(duì)于特殊熱點(diǎn)區(qū)域，如大型會(huì)議室等場(chǎng)所，可采用多個(gè)AP合路的方式來(lái)解決。如果要進(jìn)一步擴(kuò)大用戶容量，可采用支持802.11g標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，該標(biāo)準(zhǔn)下單個(gè)AP最佳最大并發(fā)用戶接入數(shù)是75。
TD-SCDMA系統(tǒng)：采用BBU+RRU的方式，分布式基站使容量和覆蓋能彼此獨(dú)立來(lái)規(guī)劃，使室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的規(guī)劃變得簡(jiǎn)單，并且?guī)?lái)很大的靈活性。由于目前項(xiàng)目處于試點(diǎn)階段，初期用戶數(shù)目少，網(wǎng)絡(luò)提供的業(yè)務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)容量要求不明顯，主要完成室內(nèi)的信號(hào)覆蓋，本方案暫時(shí)對(duì)每小區(qū)配置3個(gè)載波。
2.5 系統(tǒng)共存時(shí)的干擾：在多網(wǎng)合一的室內(nèi)分布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)系統(tǒng)間干擾的分析和抑制顯得至關(guān)重要。根據(jù)前面的理論分析和計(jì)算，只要合路器的隔離度滿足大于90dB，就可以采用合路器隔離的方式來(lái)抑制3個(gè)系統(tǒng)間的干擾。
3、結(jié)束語(yǔ)
多系統(tǒng)室內(nèi)覆蓋應(yīng)重點(diǎn)考慮不同系統(tǒng)間的雜散和互調(diào)的影響，當(dāng)系統(tǒng)較少時(shí)，可只考慮雜散指標(biāo)的要求?？紤]到工程成本、建筑物美觀及特殊場(chǎng)景需求，多系統(tǒng)共用室內(nèi)分布系統(tǒng)是未來(lái)的發(fā)展方向。
【摘 要】為了精確、穩(wěn)定地獲得糧倉(cāng)內(nèi)大范圍的溫度分布，設(shè)計(jì)了光纖布拉格光柵測(cè)溫系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行大范圍溫度檢測(cè)，利用光纖布拉格光柵所測(cè)溫度與中心波長(zhǎng)之間存在線性的關(guān)系，根據(jù)光譜線性頻移函數(shù)獲得倉(cāng)內(nèi)各位置的精確溫度。其中每個(gè)光柵的工作波長(zhǎng)相互分開，經(jīng)3dB的耦合器反射后，再用波長(zhǎng)探測(cè)解調(diào)系統(tǒng)對(duì)多個(gè)光柵的線性頻移進(jìn)行測(cè)量，即可檢測(cè)出倉(cāng)內(nèi)各處的溫度。實(shí)驗(yàn)采用FBG封裝的光纖、LPT-101型光源、放大處理電路等設(shè)備獲得采集得到的溫度信息。通過(guò)Origin軟件畫出了被測(cè)溫度與波長(zhǎng)頻移的關(guān)系圖，同時(shí)與傳統(tǒng)的測(cè)量方法K型熱電偶的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，光纖布拉格光柵測(cè)得溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度更接近，且抗干擾能力更強(qiáng)，滿足糧倉(cāng)內(nèi)大范圍溫度監(jiān)測(cè)的要求。
【關(guān)鍵詞】光纖布拉格光柵；溫度檢測(cè)；光譜線性頻移；糧倉(cāng)
0 引言
溫度檢測(cè)在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，生產(chǎn)廠房的溫度檢測(cè)、住宅區(qū)的室溫控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫室大棚的恒溫監(jiān)控等。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于溫度檢測(cè)的主要方法有：熱電偶型測(cè)溫系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，探測(cè)區(qū)域大的特性，而其屬于接觸式測(cè)量，易污染、精度較低。數(shù)字集成溫度探測(cè)芯片，該溫度探測(cè)器功耗低、體積小，常應(yīng)用于單點(diǎn)探測(cè)，在多點(diǎn)位大范圍測(cè)試中誤差較大。除此之外，光纖測(cè)溫器也是一個(gè)常見類型，其靈敏度高、適合遠(yuǎn)距離檢測(cè)，但多路檢測(cè)測(cè)量難度大、工藝復(fù)雜、價(jià)格高；半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是將光纖僅用于傳輸，測(cè)量采用其它光學(xué)或機(jī)械的元件完成，監(jiān)測(cè)被測(cè)溫度的變化；智能（數(shù)字）溫度傳感器溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其內(nèi)部包含處理芯片，適用于測(cè)溫位置在線處理的場(chǎng)合。我國(guó)傳統(tǒng)的內(nèi)部溫度測(cè)量方法是直接將溫度計(jì)插入糧食中檢測(cè)，工作量大、效率低、精度差；除此之外，國(guó)內(nèi)還有采用基于PN結(jié)或熱敏電阻的溫度檢測(cè)系統(tǒng)[11]，但其傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)上存在干擾、濾波不穩(wěn)定，線路復(fù)雜等問(wèn)題。而測(cè)溫電纜技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中不但工藝復(fù)雜，且部分結(jié)構(gòu)需要專用設(shè)備，十分不便。
相比之下，采用波長(zhǎng)調(diào)制的光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）傳感器[12-14]避免了溫度測(cè)試信號(hào)受光源變動(dòng)、光纖損耗等的影響；采用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串入多個(gè)布拉格光柵實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度；采用光譜線性頻移的監(jiān)測(cè)手段，測(cè)量精度高、范圍廣、分布密度大。本文在采用分布式光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用光纖布拉格光柵所測(cè)溫度與中心波長(zhǎng)之間的線性函數(shù)關(guān)系，提出了一種通過(guò)光譜線性頻移反演分布式糧溫的新方法，提高了檢測(cè)精度、溫控范圍和溫度數(shù)據(jù)密度。
1 溫度探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用了一種新的分布式光纖布拉格光柵測(cè)溫方法，即通過(guò)光纖布拉格光柵溫度探測(cè)器對(duì)糧倉(cāng)各處的局部溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于光譜線性頻移程度與被測(cè)溫度存在函數(shù)關(guān)系，即中心波長(zhǎng)與被測(cè)溫度之間呈線性關(guān)系。分布式光纖探測(cè)系統(tǒng)是可從整體上大范圍地對(duì)被測(cè)物理量的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)的探測(cè)網(wǎng)絡(luò)。本文采用的是分布式光纖布拉格光柵探測(cè)結(jié)構(gòu)，根據(jù)系統(tǒng)性能，建立了糧倉(cāng)的數(shù)學(xué)模型。處理器控制寬帶光源發(fā)射探測(cè)光，通過(guò)耦合器進(jìn)入多組光纖通道，每組光纖通道中設(shè)置光纖光柵探測(cè)器，在糧倉(cāng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)式分布，從而獲得糧倉(cāng)內(nèi)各處的糧溫?cái)?shù)據(jù)?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)解調(diào)儀解調(diào)，將帶有溫度信息的數(shù)據(jù)傳給處理器，經(jīng)過(guò)處理器將糧倉(cāng)各位置糧溫?cái)?shù)據(jù)顯示在控制臺(tái)上。
2 光纖光柵基本原理
在光纖光柵之前，將在平面光波導(dǎo)中沿入射光傳播方向制作的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)，即布拉格光柵。光纖中的光柵反射實(shí)際上是一種層狀介質(zhì)的反射，由光纖中沿軸向分布的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成光纖布拉格光柵。
常用的電類溫度傳感器有熱敏電阻溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器，其極易受外界的電磁干擾，會(huì)由于測(cè)量距離、輻射系數(shù)等因素導(dǎo)致測(cè)量精度降低。而光纖光柵溫度傳感器不僅具有普通光纖溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)，還有光譜特性好、損耗率低及穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，且波長(zhǎng)編碼信息不受光源功率波動(dòng)或耦合損耗等的影響。同時(shí)，在一根光纖中可設(shè)置多個(gè)光柵，使光柵陣列信息量大，結(jié)合波分復(fù)用等技術(shù)非常適合大范圍的分布式網(wǎng)絡(luò)化的糧溫監(jiān)測(cè)。
光纖布拉格光柵探測(cè)器中的寬譜光源可采用面發(fā)光二極管SLED或放大自發(fā)輻射光源ASE等，光傳輸及轉(zhuǎn)換部分由光耦合器或光環(huán)形器構(gòu)成。當(dāng)光源系統(tǒng)發(fā)出一定帶寬的光入射到光纖光柵后，由于光纖光柵對(duì)中心波長(zhǎng)具有選擇作用，只有符合波長(zhǎng)關(guān)系的光被才會(huì)被反射，并再次通過(guò)光傳輸結(jié)構(gòu)送入解調(diào)裝置解調(diào)，最后解調(diào)光會(huì)體現(xiàn)出光纖光柵反射波長(zhǎng)的變化特性。當(dāng)利用光纖布拉格光柵原理檢測(cè)糧倉(cāng)內(nèi)局部糧溫時(shí)，由于糧溫變化引發(fā)的光柵自身的折射率或柵距的改變會(huì)使反射波長(zhǎng)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，最終對(duì)由解調(diào)器檢測(cè)得到的波長(zhǎng)變化推導(dǎo)計(jì)算即可求得相應(yīng)位置實(shí)時(shí)的糧溫?cái)?shù)據(jù)。探測(cè)器獲得的尖峰波長(zhǎng)隨著糧溫的變化持續(xù)變化，探測(cè)器帶寬是指光纖布拉格光柵反射峰對(duì)應(yīng)的帶寬，其檢測(cè)精度越高，則帶寬就越小，由于工藝水平的限制，一般在0.2-0.3nm之間。
3 解調(diào)儀
光纖布拉格光柵采用波長(zhǎng)調(diào)制，對(duì)布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)的檢測(cè)獲取糧溫變化信息的重要步驟。目前國(guó)內(nèi)外實(shí)用化的解調(diào)技術(shù)主要有：采用可調(diào)諧F-P濾波器和寬帶光源掃描傳感光纖光柵的反射譜；采用大功率可調(diào)諧窄帶激光源對(duì)傳感光纖光柵進(jìn)行波長(zhǎng)掃描；采用建立在色散元件和陣列相結(jié)合基礎(chǔ)上的光譜成像技術(shù)進(jìn)行波長(zhǎng)分析。ASE光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)過(guò)F-P（Fabry-Perot）濾波器，因?yàn)椴煌膾呙桦妷核鶎?duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)各有不同。在掃描電壓的控制下，窄帶光穿過(guò)F-P濾波器，其中透射光經(jīng)耦合器的分光后，產(chǎn)生多個(gè)可與測(cè)量通道相接的光路，3個(gè)測(cè)量通道的反射光回波信號(hào)被光電探測(cè)器采集從而獲得反射譜。這些反射譜都是電壓信號(hào)，被放大濾波后傳輸給信號(hào)采集模塊，最終導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，從而解調(diào)出糧溫信息。
4 結(jié)論
本文針對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)大范圍的糧溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)困難大，設(shè)計(jì)了基于光纖布拉格光柵測(cè)溫原理的分布式糧溫網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)光纖布拉格光柵所測(cè)溫度與中心波長(zhǎng)之間存在線性的關(guān)系，利用光譜線性頻移函數(shù)獲得倉(cāng)內(nèi)各位置的精確溫度。實(shí)驗(yàn)采用LPT-101型光源、FBG封裝的光纖及處理電路等獲得模擬糧倉(cāng)中的分布溫度數(shù)據(jù)。通過(guò)計(jì)算光譜線性頻移量及溫度標(biāo)定的方法獲得對(duì)應(yīng)處溫度信息，再由Origin軟件畫出了被測(cè)溫度與波長(zhǎng)變化的關(guān)系圖，與傳統(tǒng)的K型熱電偶單點(diǎn)測(cè)溫方法進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，光纖布拉格光柵測(cè)溫法的精度滿足設(shè)計(jì)要求，且具備抗干擾能力強(qiáng)，可獲得大范圍多點(diǎn)的實(shí)時(shí)糧溫?cái)?shù)據(jù)。
【摘要】高樓林立是大都市的特色，而混凝土和金屬材料的大量使用卻使建筑物對(duì)無(wú)線信號(hào)產(chǎn)生屏蔽。因此室分系統(tǒng)在TD室內(nèi)業(yè)務(wù)覆蓋和性能指標(biāo)中起著舉足輕重的作用。本文主要針對(duì)高層建筑條件下TD信號(hào)的特點(diǎn)提出適合的室內(nèi)分布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合測(cè)試結(jié)果提出優(yōu)化方案。
【關(guān)鍵詞】TD-SCDMA室內(nèi)分布系統(tǒng)高層建筑優(yōu)化方案
一、引言
移動(dòng)通信業(yè)務(wù)中，只占覆蓋總面積的20%左右的室內(nèi)，但卻產(chǎn)生了70%的業(yè)務(wù)量。而建筑材料會(huì)對(duì)包括TD信號(hào)在內(nèi)的無(wú)線信號(hào)造成屏蔽。高層建筑物的較低層，TD基站的信號(hào)較弱；而較高層，信號(hào)雖較強(qiáng)但雜亂，會(huì)出現(xiàn)干擾嚴(yán)重甚至沒有信號(hào)的現(xiàn)象。
為解決上述問(wèn)題，TD網(wǎng)絡(luò)有必要引入室內(nèi)分布系統(tǒng)以清除盲區(qū)，吸收室內(nèi)話務(wù)量，改善室內(nèi)通話質(zhì)量。另外，TD室內(nèi)覆蓋方案還要考慮融合并充分利用樓宇內(nèi)已有的2G或其它制式的3G室分系統(tǒng)。
二、室內(nèi)覆蓋技術(shù)特性
2.1空間損耗分析
TD的頻段為高頻段，衰落比GSM900大，本文選取2010 MHz-2025 MHz頻段來(lái)計(jì)算TD與當(dāng)前2G系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境的傳播損耗差值。由于室內(nèi)電磁波的輻射模式相對(duì)簡(jiǎn)單，采用自由空間模型。計(jì)算結(jié)果表明在自由空間里，TD的傳播路徑損耗約比GSM900高6.6 dB，比GSM1800高0.8 dB。
2.2天饋系統(tǒng)的損耗
在天饋系統(tǒng)中，如果原系統(tǒng)使用的饋線為7/8與1/2的組合，TD系統(tǒng)的綜合損耗約高于GSM900系統(tǒng)2～5 dB，高于GSM1800系統(tǒng)約1 dB；如果原系統(tǒng)中含有8 D、10 D等饋線，則分別高出為5～8 dB和2 dB。
2.3遮擋物典型損耗值
TD信號(hào)傳播能力差，深層覆蓋不理想，TD網(wǎng)絡(luò)將出現(xiàn)更多盲區(qū)和弱信號(hào)區(qū)。遮擋物損耗值如表1所示，從表1中可見，鋼筋混凝土的遮擋損耗值最大。
三、室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)
（1）無(wú)線覆蓋區(qū)內(nèi)可接通率達(dá)區(qū)內(nèi)約90%，且MS在99%的時(shí)間里可以接入網(wǎng)絡(luò)。（2）話音、CS64k、PS數(shù)據(jù)的塊差錯(cuò)率分別在1%左右、0.1～1%及5～10%。（3）無(wú)線信道呼損不超過(guò)2%。
3.2邊緣場(chǎng)強(qiáng)要求[1]
（1）主公共控制物理信道載干比PCCPCH C/I≥-3 dB。（2）外泄電平在室外10米處的接收信號(hào)碼功率PCCPCH RSCP≤-95 dBm。（3）無(wú)線覆蓋邊緣場(chǎng)強(qiáng)PCCPCH RSCP≥-85 dBm。
3.3功率配置方案
（1）信源采用PCCPCH信道功率進(jìn)行功率預(yù)算，按32 dBm（12 W、6載波）進(jìn)行功率預(yù)算。（2）PCCPCH信道功率在樓層天線口為5～10 dBm，在電梯天線口為10～15dBm。（3）單站RRU數(shù)量小于等于6個(gè)的，不采用光纜級(jí)聯(lián)方式。（4）覆蓋半徑取6～10米。
3.4小區(qū)配置方案
（1）切換區(qū)域適中。如過(guò)大容易引起小區(qū)間的干擾，而過(guò)小不容易保證切換時(shí)間的要求。（2）室分系統(tǒng)小區(qū)切換到室外的宏基站規(guī)劃在進(jìn)入建筑物處；別的區(qū)域，則需要控制信號(hào)室內(nèi)外相互泄漏。（3）樓層是室分小區(qū)邊界，因而樓梯處即為切換帶。（4）電梯內(nèi)信號(hào)覆蓋可與較低樓層共在一個(gè)小區(qū)或單獨(dú)劃分，與電梯外信號(hào)的切換盡量設(shè)置在電梯的門廳處。
3.5信源規(guī)劃及設(shè)計(jì)
TD室內(nèi)覆蓋可選擇的信源有BBU+RRU、光纖直放站、無(wú)線直放站三種類型。考慮到目前TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)覆蓋數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求區(qū)域的建設(shè)策略，采用BBU+RRU作為信號(hào)源。另外，對(duì)于2G室內(nèi)分布改造站點(diǎn)，BBU的安裝位置應(yīng)盡量接近原有2G信源設(shè)備（微蜂窩或光纖直放站），以利于方便引接原有的傳輸設(shè)備或傳輸光纜[3]。
3.6功率核算
（1）信源輸出功率：PCCPCH信道功率（雙碼道）為32 dBm[3]。（2）邊緣場(chǎng)強(qiáng)：普通建筑物PCCPCH RSCP≥-80 dBm C/I≥0 dB；地下室、電梯等封閉場(chǎng)景PCCPCH RSCP≥-85 dBm C/I≥-3 dB。（3）天線口功率≤10 dBm。（4）TD基站和終端間的最小耦合損耗應(yīng)大于57.5 dB。
3.7切換區(qū)規(guī)劃
（1）進(jìn)出建筑物的切換：切換帶在建筑物門口外5米以內(nèi)非馬路的平坦地面。（2）建筑物窗口處的切換：室分系統(tǒng)的天線可放置在近窗邊位置，使室內(nèi)小區(qū)盡量覆蓋全部室內(nèi)用戶；或者通過(guò)改變小區(qū)選擇/重選的參數(shù)，使用戶優(yōu)先選接室內(nèi)小區(qū)；而建筑物高層的室內(nèi)和室外小區(qū)則用單向鄰區(qū)策略，也可以不配置鄰區(qū)關(guān)系。（3）電梯間的切換：上下電梯的切換設(shè)在電梯口；用戶在乘坐一臺(tái)電梯的過(guò)程中無(wú)需切換。
3.8泄控制
要精確控制電信號(hào)的泄漏，可采取輻射功率小的多根天線。主要通過(guò)利用減小天線輻射功率、利用建筑物的屏蔽作用、合理選擇天線布放位置來(lái)完成。使PCCPCH RSCP達(dá)到室外10米處滿足≤95 dBm或室內(nèi)小區(qū)外泄比室外主小區(qū)低10 dB[4]。
四、室內(nèi)分布系統(tǒng)優(yōu)化分析
室內(nèi)分布系統(tǒng)有施工難度大，走線復(fù)雜，容易造成覆蓋盲區(qū)等特點(diǎn)。因此很容易出現(xiàn)問(wèn)題，從而嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。如果不預(yù)先防范，將對(duì)后期優(yōu)化工作帶來(lái)很大的障礙。
4.1室分系統(tǒng)問(wèn)題定位
經(jīng)過(guò)測(cè)試取樣，室分系統(tǒng)出現(xiàn)最多的問(wèn)題是信號(hào)在部分樓層與電梯間內(nèi)無(wú)法覆蓋。另外部分天線失效、電平泄露、乒乓效應(yīng)等問(wèn)題也偶有出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步勘測(cè)和分析，造成以上問(wèn)題的主要是RRU和饋線的原因。主要表現(xiàn)有： RRU配置不當(dāng)；饋線、光纜或器件故障；RNC功率低。
4.2常見問(wèn)題優(yōu)化分析
（1）RRU故障類問(wèn)題。RRU故障是導(dǎo)致室內(nèi)無(wú)信號(hào)覆蓋問(wèn)題最主要的原因，造成RRU故障的主要原因則是RRU的配置不當(dāng)，在確定正確配置RRU后問(wèn)題如果仍存在，則可能是硬件問(wèn)題或饋線故障。（2）饋線故障類問(wèn)題。導(dǎo)致部分樓層無(wú)覆蓋或者弱覆蓋的第二個(gè)主要原因是饋線故障。在排除饋線故障時(shí)可以首先從饋線線頭松動(dòng)和規(guī)格不匹配這兩個(gè)方面入手。（3）室內(nèi)的小區(qū)切換問(wèn)題。高層建筑的信號(hào)由于建筑物內(nèi)的空間基本都是相對(duì)隔離的，信號(hào)分布狀況相對(duì)復(fù)雜。在進(jìn)行室內(nèi)覆蓋設(shè)計(jì)時(shí)，要選擇人員活動(dòng)較少的空閑的角落作為切換帶。
五、總結(jié)
室分系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)TD網(wǎng)絡(luò)建設(shè)具有意義重大。本文針對(duì)高層建筑內(nèi)無(wú)線信號(hào)特點(diǎn)和業(yè)務(wù)需求，提出高層建筑室分系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段應(yīng)統(tǒng)籌考慮覆蓋，切換等關(guān)鍵問(wèn)題。然后根據(jù)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)室內(nèi)覆蓋出現(xiàn)問(wèn)題的主要原因是信源、饋線故障以及小區(qū)切換規(guī)劃設(shè)計(jì)。因此在施工階段，要特別注意上述內(nèi)容。另外網(wǎng)優(yōu)人員也應(yīng)及早介入室內(nèi)分布系統(tǒng)的優(yōu)化測(cè)試中，及時(shí)解決覆蓋中遇到的問(wèn)題。
