利用TR7000构建一个低功耗无线传感器

无线门窗传感器是Wi-Fi往往并非必需的应用场景典型代表。

当环境发生变化时，该传感器仅需发送少量数据，无需网页浏览器、IP地址或高速网络连接。一个小型亚GHz收发器和低功耗微控制器就能提供更为简单的解决方案。

本项目中，我采用了村智TR7000——一种专为短距离无线数据通信设计的433.92 MHz混合收发器。

TR7000将主要的射频功能集成于小巧的混合封装内，支持OOK和ASK调制，工作电压低，并具备约200 nA的睡眠电流模式。

本项目的目标并非构建复杂的无线协议，而是打造一个体积小、易于理解的射频传感器，供其他硬件开发者轻松复现。

传感器的工作原理

传感器节点包含三个主要功能模块：

干簧管 → 微控制器 → TR7000发射器

当门关闭时，磁铁会保持reed开关处于一个状态。打开门后，GPIO输入状态会发生变化。

随后，MCU生成一个包含以下内容的小型数据包：

•节点ID

•通过状态

•数据包计数器

•简单校验和

数据包通过TR7000使用OOK调制传输。

另一台TR7000保持在接收模式，其RXDATA输出连接到接收端MCU，当接收到有效消息时，MCU会解码数据包并驱动LED指示灯。

基本架构如下：

为何选择433 MHz OOK?

TR7000支持OOK和ASK两种调制方式。对于本传感器而言，OOK更易于理解，且足以满足少量数据的传输需求。

在OOK中，射频输出在逻辑“1”时开启，在逻辑“0”时关闭。TR7000的数据手册规定OOK数据速率最高可达30 kb/s，而内部的数据/时钟恢复功能可配置为支持4.8 kb/s和19.2 kb/s等不同数据速率。

此处我采用相对较低的帧格式，因为对门禁传感器而言，可靠性比最大吞吐量更为重要。

TR7000硬件

TR7000是一款20针混合收发器。

重要引脚连接包括：

•第7针 — RXDATA

•第8针 — TXMOD

•第9针 — LPFADJ

•第11针 — RREF

•第13针 — THLD1

•第14针 — RXDCLK

•第17针 — CFGDAT

•第18针 — CFGCLK

•第19针 — CFG

•第20针 — RFIO

射频输入/输出通过推荐的匹配网络连接到天线。村田规定，RFIO引脚需要提供一条直流路径接地以实现静电放电保护，并为50Ω天线提供了匹配建议。

对于第一个原型设计，我建议参考村田的参考电路中的元件数值，而不是尝试通过实验优化射频匹配网络。

测试

我会分几个阶段来测试这个项目。

1. 先测试MCU

断开射频部分，验证拨动reed开关时GPIO状态是否能正确变化。

2. 验证TX波形

使用示波器或逻辑分析仪，检查TR7000 TXMOD输入端的OOK数据波形。

3. 测试接收器

将第二个TR7000连接到接收器MCU，并确认在接收到有效射频信号时，RXDATA会发生变化。

4. 从较短距离开始测试

在测试较长距离之前，将两块板子保持大约1至2米的距离。

5. 测试天线

一旦数字协议正常工作后，可尝试调整天线方向和外壳位置。

TR7000 的指定工作频率约为 433.92 MHz，根据数据速率的不同，接收器的灵敏度也会有所变化。例如，其数据表在 4.8 kb/s AM 测试条件下规定了约 -111 dBm 的灵敏度。实际系统覆盖范围取决于天线设计、外壳材料、干扰情况、PCB 布局以及本地射频环境。

可能的改进方向

本项目还有多个可行的扩展方向。

电池优化

TR7000 的待机电流约为 200 nA，因此可以围绕事件驱动的操作方式设计传感器，而非持续发送数据。

生产版本可在常闭开关产生中断前，让微控制器和无线电均保持休眠状态。

提高数据包可靠性

示例中使用了简单的异或校验和(XOR)。更可靠的实现可采用：

•CRC-8 或 CRC-16

•曼彻斯特编码

•数据包序列号

•多段传输

•接收端确认

•超时与重试逻辑

•多个传感器

节点ID字段允许多个门和窗传感器与同一个接收器通信。

例如：

接收器随后可将事件转发至本地计算机或家庭自动化控制器。

外壳

一个小型3D打印的外壳可容纳PCB板、电池和复式开关线路。天线不应直接接触大型金属物体或电池。

本项目展示的内容

该项目的价值不仅限于简单的门传感器，它还展示了如何将一个相对较小的射频收发器集成到完整的嵌入式系统中。

TR7000负责射频功能，而MCU则负责应用协议。这种分离使得在不改变基本射频架构的前提下，可以尝试不同的数据包格式、传感器类型、电源管理策略以及嵌入式控制器。

同样的方法也可应用于：

•无线报警传感器

•设备状态监控

•远程开关

•简易工业状态节点

•无线按钮

•温度或湿度传感器

•电池供电事件探测器

•简单机器状态监控

TR7000专为短距离无线数据应用而设计，而非长距离的LPWAN应用。这使得它对希望了解射频与数据接口边界、同时不将无线通信完全隐藏在高层无线栈背后开发人员来说尤为有趣。

设计说明

TR7000 应被视为一个射频组件，而非可直接替换的 Arduino 无线屏蔽板。其电源范围为 2.2–3.7 V，数据手册规定最大推荐电源纹波峰值至峰值为 10 mV。因此，射频旁路和 PCB 布局需要特别关注。

在首次 PCB 修订时，我将严格遵循村田的参考应用电路，尤其注意以下部分：

•RFIO

•TXMOD

•LPFADJ

•RREF

•THLD1

•PKDET

•BBOUT/CMPIN

•电源旁路

制造商文档还指出 TR7000 的封装尺寸为 10.7 × 6.8 mm，提供了 PCB 接焊点布局图。

本项目设计得足够简单，便于复现，同时仍能充分展示构建真正亚 GHz 无线传感器所涉及的重要工程问题。

本文编译自hackster.io