3 測控基站設計

　　測控基站采用電池供電，處于無人職守的環境下工作，在設計方案中必須最大限度的考慮節能要求，特別是對無線收發器芯片CC1101進行低功耗設計，這主要通過精心設計測控基站和中繼節點間的無線通信鏈路協議來實現。

　　測控基站使用TI公司的CC1101射頻收發器模塊作為無線通信接口，該模塊已集成了CC1101、外圍射頻電路和天線等硬件，只需直接通過SPI向其送入指令和數據即可。模塊使用26 MHz時鐘工作，通信頻段為433MHz，調制方式為GFSK，通信速率為250 kbps。

　　3．1 接收協議節能設計

　　CC1101具備WOR功能，使用該功能可以讓CC1101在睡眠態和接收態間自動輪流切換，如圖2所示，其中Time0為WOR周期，Time1為接收時間。由于在睡眠態時，CC1101的接收功耗電流僅為9．8μA，而接收態時功耗電流達16．5 mA，從節能的角度考慮，在使用WOR功能時，應該使睡眠態的工作時間占空比盡可能的大。

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　　但當CC1101處于睡眠態時，無線接收電路不工作，在此時間間隔內無法收到從無線信道傳輸的數據，影響通信的正確性。因此為保證可靠地接收數據，必須保證在一個WOR周期內，接收態期間CC1101能收到至少一幀完整的數據。

　　測控基站從中繼節點接收的控制命令幀長度為12字節，當CC1101通信速率為250 kbps時，一個完整命令幀傳輸所需要的時間為：12×8／250=0．384(ms)。

　　選定WOR模式的接收態占空比為0．781％時，假定在接收態需要保留5個完整命令幀的接收時間窗口以確保穩定、可靠的收到一個完整命令幀，那么可以計算出WOR周期為：5×0．384／0．781％≈246(ms)。

　　從CC1101的應用手冊上可知，WOR周期與CC1101內部相關寄存器的值具有如下關系：

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　　式(1)中fosc為CC1101的工作時鐘頻率，為26 MHz，EVENT0為事件0計數器值，WOR_RES為計數器分辨率，一般可設置為0。這樣可以計算得到當WOR周期為246 ms時，EVENT0值為0x2150。

　　當WOR模式的接收占空比為0．781％時，可以根據接收態和睡眠態分別的功耗電流計算出CC1101總的功耗電流：9．8×10-3×99．219％+16．5×0．781％=0．13(mA)。

　　若測控基站使用兩節容量為2000 mAh的普通5號干電池供電，可以計算出在只供CC1101工作的情況下設備可連續工作時間為：2×2000／0．13≈30 770(小時)=3．5(年)。

　　3．2 接收協議處理流程

　　CC1101接收數據時設定同步頭內容為0xEB90，這樣可以保證它只響應同步頭為0xEB90的類型的數據幀，其他類型的數據幀不會誤觸發CC1101，簡化測控基站軟件的協議處理流程。

　　當需要接收命令幀時測控基站工作流程如圖3所示。測控基站默認處于等待接收狀態，此時CC1101工作于WOR模式；當收到一個完整命令幀后，CC1101退出WOR工作模式，進入發送工作模式，同時測控基站控制軟件必須通過幀地址域判斷命令幀是否是發給本設備，若命令幀是發給本設備，需要執行該命令并返回應答給中繼節點，然后設置CC1101重新進入WOR工作模式，若命令幀不是發給本設備，則直接設置CC1101進入WOR工作模式即可。

圖3 工作流程

　　需要注意的是由于無線信道易受干擾，測控基站在收到中繼節點的命令幀后必須給中繼節點回送一個應答幀，確認命令幀執行情況。為了防止應答幀引起其它測控基站的錯誤觸發，應答幀同步頭與命令幀同步頭不同，為0x146F。

　　3．3 發送協議處理流程

　　當測控基站需要反饋控制命令執行情況或主動上傳測量數據時，必須通過CC1101向外發送數據。為減少測控基站對無線信道的占用，只有在設備狀態產生變化時，測控基站才主動向中繼節點發出數據幀通知本設備產生了狀態變化，需要中繼節點向中心計算機登記該次變化。

　　為了防止多個測控基站同時共用無線信道時發生沖突，必須對發送協議進行防沖突設計，這通過CC1101的載波偵聽功能實現。在每次需要發送數據前，CC1101檢測無線信道中載波功率電平值，并將電平值反映到RSSI寄存中，當測控基站發現RSSI電平高于某一閾值時，認為無線信道已被占用，將一直等待直到RSSI值低于閾值時才使用無線信道發送數據。

　　使用載波偵聽功能，測控基站向中繼節點上傳測量數據時處理流程如圖4所示。由于需要上傳測量數據的時間占總工作時間的比例很小，CC1101不需工作在WOR模式以節約電能。為防止測量幀觸發其他處于接收命令狀態的測控基站，測量幀同步頭設置為0x1ACF。

圖4 發送協議處理流程