引言

　　CC1101是TI公司生產(chǎn)的一種單片、低成本的UHF頻段無線收發(fā)器，基于IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榈凸臒o線測(cè)控。芯片具有無線電喚醒(WOR)、數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道*估、鏈接質(zhì)量指示等功能，內(nèi)部的參數(shù)寄存器和數(shù)據(jù)傳輸FIFO可通過SPI接口控制，所需的周邊器件很少，使用簡(jiǎn)單。受限于發(fā)射功率和天線結(jié)構(gòu)，CC1101的視距傳輸距離一般在400～800 m范圍內(nèi)，超出此距離范圍則必須由中繼設(shè)備對(duì)無線信號(hào)進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)發(fā)。本文設(shè)計(jì)的一種分布式無線測(cè)控系統(tǒng)通過局域網(wǎng)對(duì)中繼設(shè)備進(jìn)行互連，大大降低了系統(tǒng)的無線通信協(xié)議復(fù)雜性，同時(shí)達(dá)到了使用無線通信時(shí)伴隨的低功耗設(shè)計(jì)要求，具備很強(qiáng)的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

　　1 總體設(shè)計(jì)方案

　　測(cè)控網(wǎng)絡(luò)采用3級(jí)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

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　　最底層的測(cè)控基站負(fù)責(zé)進(jìn)行工作現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和控制指令的執(zhí)行，測(cè)控基站上安裝有無線收發(fā)器芯片CC1101和天線，通過空中無線信道與中繼節(jié)點(diǎn)通信。測(cè)控基站采用電池供電。

　　中間層的中繼節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收中心計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令，向底層的測(cè)控基站轉(zhuǎn)發(fā)，或者接收底層測(cè)控基站發(fā)出的測(cè)量數(shù)據(jù)，向中心計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。中繼節(jié)點(diǎn)上安裝有無線收發(fā)器芯片CC1101和天線，通過空中無線信道與底層的測(cè)控基站通信；同時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)也具備訪問局域網(wǎng)的功能，可以通過外部局域網(wǎng)與中心計(jì)算機(jī)通信。中繼節(jié)點(diǎn)采用市電經(jīng)AC—DC模塊變換出的直流電壓供電。

　　中心計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)采集所有測(cè)控基站的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，也可以向測(cè)控基站發(fā)出控制指令。中心計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接口連接到外部局域網(wǎng)，與中繼節(jié)點(diǎn)通信。中心計(jì)算機(jī)采用市電交流供電。

　　2 通信協(xié)議總體設(shè)計(jì)

　　中繼節(jié)點(diǎn)與中心計(jì)算機(jī)通過有線局域網(wǎng)通信，類似協(xié)議工程上有比較成熟的方案，本文不再詳述。

　　中繼節(jié)點(diǎn)與測(cè)控基站的無線鏈路層協(xié)議涉及到防沖突、節(jié)能等問題，直接關(guān)系到系統(tǒng)可靠性、可用性指標(biāo)最終實(shí)現(xiàn)，是系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

　　系統(tǒng)中依靠無線信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)歸結(jié)為4種，簡(jiǎn)述如下：

　　①命令幀。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)向測(cè)控基站下傳控制指令時(shí)發(fā)出。

　　②基站應(yīng)答幀。當(dāng)測(cè)控基站收到中繼節(jié)點(diǎn)下傳的控制指令后，需要向中繼節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)基站應(yīng)答幀，告知指令執(zhí)行情況。

　　③中繼應(yīng)答幀。當(dāng)測(cè)控基站向中繼節(jié)點(diǎn)上傳狀態(tài)信息后，中繼節(jié)點(diǎn)需要向測(cè)控基站返回一個(gè)中繼應(yīng)答幀，告知已經(jīng)收到狀態(tài)信息。

　　④測(cè)量幀。當(dāng)測(cè)控基站測(cè)量到的工作現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)生改變后，必須向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)出測(cè)量幀，通知中繼節(jié)點(diǎn)向中心計(jì)算機(jī)聲明更新對(duì)應(yīng)測(cè)控基站的記錄信息。

　　為了簡(jiǎn)化處理流程，系統(tǒng)中傳輸?shù)乃械臄?shù)據(jù)的幀格式統(tǒng)一采用如下所示的固定長(zhǎng)度12字節(jié)的格式。

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　　由于CC1101通信時(shí)以數(shù)據(jù)包為最小處理單位，可以也設(shè)置CC1101的包長(zhǎng)度為12字節(jié)，借助CC1101的處理能力屏蔽掉對(duì)鏈路層級(jí)別以下的通信協(xié)議處理過程。

　　數(shù)據(jù)幀內(nèi)部各數(shù)據(jù)域定義簡(jiǎn)述如下：

　　①同步頭。標(biāo)記一幀數(shù)據(jù)的開始，CC1101必須在收到與內(nèi)部設(shè)定的同步頭值相等的數(shù)據(jù)后才啟動(dòng)內(nèi)部電路接收一個(gè)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)幀類型不同，同步頭數(shù)值也不同。

　　②地址。每個(gè)測(cè)控基站都由系統(tǒng)分配一個(gè)唯一的2字節(jié)標(biāo)識(shí)地址，測(cè)控基站只響應(yīng)地址等于本地標(biāo)識(shí)地址的命令幀或中繼應(yīng)答幀。

　　③幀類型。用以區(qū)分本幀數(shù)據(jù)屬于4種類型中的哪一種。

　　④數(shù)據(jù)。本幀需要傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)，可以是中繼節(jié)點(diǎn)下傳給測(cè)控基站的指令，也可以是測(cè)控基站上傳給中繼節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。

　　⑤CRC。對(duì)數(shù)據(jù)幀前10個(gè)字節(jié)計(jì)算出一個(gè)2字節(jié)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)接收端發(fā)現(xiàn)CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)將丟棄本幀數(shù)據(jù)。

　　3 測(cè)控基站設(shè)計(jì)

　　測(cè)控基站采用電池供電，處于無人職守的環(huán)境下工作，在設(shè)計(jì)方案中必須最大限度的考慮節(jié)能要求，特別是對(duì)無線收發(fā)器芯片CC1101進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，這主要通過精心設(shè)計(jì)測(cè)控基站和中繼節(jié)點(diǎn)間的無線通信鏈路協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。

　　測(cè)控基站使用TI公司的CC1101射頻收發(fā)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(shù)據(jù)即可。模塊使用26 MHz時(shí)鐘工作，通信頻段為433MHz，調(diào)制方式為GFSK，通信速率為250 kbps。

　　3．1 接收協(xié)議節(jié)能設(shè)計(jì)

　　CC1101具備WOR功能，使用該功能可以讓CC1101在睡眠態(tài)和接收態(tài)間自動(dòng)輪流切換，如圖2所示，其中Time0為WOR周期，Time1為接收時(shí)間。由于在睡眠態(tài)時(shí)，CC1101的接收功耗電流僅為9．8μA，而接收態(tài)時(shí)功耗電流達(dá)16．5 mA，從節(jié)能的角度考慮，在使用WOR功能時(shí)，應(yīng)該使睡眠態(tài)的工作時(shí)間占空比盡可能的大。

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　　但當(dāng)CC1101處于睡眠態(tài)時(shí)，無線接收電路不工作，在此時(shí)間間隔內(nèi)無法收到從無線信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，影響通信的正確性。因此為保證可靠地接收數(shù)據(jù)，必須保證在一個(gè)WOR周期內(nèi)，接收態(tài)期間CC1101能收到至少一幀完整的數(shù)據(jù)。

　　測(cè)控基站從中繼節(jié)點(diǎn)接收的控制命令幀長(zhǎng)度為12字節(jié)，當(dāng)CC1101通信速率為250 kbps時(shí)，一個(gè)完整命令幀傳輸所需要的時(shí)間為：12×8／250=0．384(ms)。

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

　　從CC1101的應(yīng)用手冊(cè)上可知，WOR周期與CC1101內(nèi)部相關(guān)寄存器的值具有如下關(guān)系：

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　　式(1)中fosc為CC1101的工作時(shí)鐘頻率，為26 MHz，EVENT0為事件0計(jì)數(shù)器值，WOR_RES為計(jì)數(shù)器分辨率，一般可設(shè)置為0。這樣可以計(jì)算得到當(dāng)WOR周期為246 ms時(shí)，EVENT0值為0x2150。

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

　　若測(cè)控基站使用兩節(jié)容量為2000 mAh的普通5號(hào)干電池供電，可以計(jì)算出在只供CC1101工作的情況下設(shè)備可連續(xù)工作時(shí)間為：2×2000／0．13≈30 770(小時(shí))=3．5(年)。

　　3．2 接收協(xié)議處理流程

　　CC1101接收數(shù)據(jù)時(shí)設(shè)定同步頭內(nèi)容為0xEB90，這樣可以保證它只響應(yīng)同步頭為0xEB90的類型的數(shù)據(jù)幀，其他類型的數(shù)據(jù)幀不會(huì)誤觸發(fā)CC1101，簡(jiǎn)化測(cè)控基站軟件的協(xié)議處理流程。

　　當(dāng)需要接收命令幀時(shí)測(cè)控基站工作流程如圖3所示。測(cè)控基站默認(rèn)處于等待接收狀態(tài)，此時(shí)CC1101工作于WOR模式；當(dāng)收到一個(gè)完整命令幀后，CC1101退出WOR工作模式，進(jìn)入發(fā)送工作模式，同時(shí)測(cè)控基站控制軟件必須通過幀地址域判斷命令幀是否是發(fā)給本設(shè)備，若命令幀是發(fā)給本設(shè)備，需要執(zhí)行該命令并返回應(yīng)答給中繼節(jié)點(diǎn)，然后設(shè)置CC1101重新進(jìn)入WOR工作模式，若命令幀不是發(fā)給本設(shè)備，則直接設(shè)置CC1101進(jìn)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(cè)控基站在收到中繼節(jié)點(diǎn)的命令幀后必須給中繼節(jié)點(diǎn)回送一個(gè)應(yīng)答幀，確認(rèn)命令幀執(zhí)行情況。為了防止應(yīng)答幀引起其它測(cè)控基站的錯(cuò)誤觸發(fā)，應(yīng)答幀同步頭與命令幀同步頭不同，為0x146F。

　　3．3 發(fā)送協(xié)議處理流程

　　當(dāng)測(cè)控基站需要反饋控制命令執(zhí)行情況或主動(dòng)上傳測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，必須通過CC1101向外發(fā)送數(shù)據(jù)。為減少測(cè)控基站對(duì)無線信道的占用，只有在設(shè)備狀態(tài)產(chǎn)生變化時(shí)，測(cè)控基站才主動(dòng)向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)幀通知本設(shè)備產(chǎn)生了狀態(tài)變化，需要中繼節(jié)點(diǎn)向中心計(jì)算機(jī)登記該次變化。

　　為了防止多個(gè)測(cè)控基站同時(shí)共用無線信道時(shí)發(fā)生沖突，必須對(duì)發(fā)送協(xié)議進(jìn)行防沖突設(shè)計(jì)，這通過CC1101的載波偵聽功能實(shí)現(xiàn)。在每次需要發(fā)送數(shù)據(jù)前，CC1101檢測(cè)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(dāng)測(cè)控基站發(fā)現(xiàn)RSSI電平高于某一閾值時(shí)，認(rèn)為無線信道已被占用，將一直等待直到RSSI值低于閾值時(shí)才使用無線信道發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　使用載波偵聽功能，測(cè)控基站向中繼節(jié)點(diǎn)上傳測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)處理流程如圖4所示。由于需要上傳測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間占總工作時(shí)間的比例很小，CC1101不需工作在WOR模式以節(jié)約電能。為防止測(cè)量幀觸發(fā)其他處于接收命令狀態(tài)的測(cè)控基站，測(cè)量幀同步頭設(shè)置為0x1ACF。

圖4 發(fā)送協(xié)議處理流程

　　4 中繼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　中繼節(jié)點(diǎn)使用Microchip公司PIC18FF66J60單片機(jī)進(jìn)行局域網(wǎng)協(xié)議的處理和上級(jí)中心計(jì)算機(jī)協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)控制，同時(shí)使用CC1101與下級(jí)的測(cè)控基站通信。

　　PIC18F66J60芯片具有嵌入式以太網(wǎng)控制器模塊，是一個(gè)完整的以太網(wǎng)連接解決方案，要完全實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問控制和物理層收發(fā)器模塊功能，只需使用2個(gè)脈沖變壓器和一些無源器件即可將單片機(jī)直接與以太網(wǎng)相連。該單片機(jī)內(nèi)部已經(jīng)嵌入了TCP／IP協(xié)議棧，上電后協(xié)議棧自動(dòng)運(yùn)行，單片機(jī)軟件只需調(diào)用相應(yīng)的TCP／IP處理函數(shù)即可。

　　中繼節(jié)點(diǎn)的硬件電路如圖5所示，在與局域網(wǎng)通信端，PIC18F66J60單片機(jī)的4個(gè)以太網(wǎng)專用引腳TPOUT+、TPOUT-、TPIN+、TPIN-與網(wǎng)絡(luò)變壓器直接相連；在與無線信道通信端，單片機(jī)通過SPI引腳與CC1101直接相連。

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　　中繼節(jié)點(diǎn)采用220 V市電經(jīng)．AC—DC轉(zhuǎn)換后供電，沒有節(jié)能處理的要求，CC1101不需使用WOR工作模式，處于常開狀態(tài)，最大限度的保證通信鏈路的可用性。默認(rèn)狀態(tài)下中繼節(jié)點(diǎn)在與測(cè)控基站通信的過程中處于被動(dòng)地位，隨時(shí)準(zhǔn)備接收測(cè)控基站上傳的測(cè)量數(shù)據(jù)幀。

　　中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)工作流程如圖6所示，它不斷監(jiān)視本區(qū)域內(nèi)的無線基站狀態(tài)，只有當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)控基站測(cè)量數(shù)據(jù)有改變時(shí)才向中心計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；同時(shí)響應(yīng)中心計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制指令，向本區(qū)域內(nèi)的無線基站轉(zhuǎn)發(fā)。

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　　中繼節(jié)點(diǎn)使用PIC18F66J60單片機(jī)TCP／IP協(xié)議棧與中心計(jì)算機(jī)通信的軟件處理步驟簡(jiǎn)介如下。

　　①PIC18F66J60單片機(jī)根據(jù)中心計(jì)算機(jī)IP地址向局域網(wǎng)廣播發(fā)出地址解析(ARP)包。中心計(jì)算機(jī)工作在TCPSERVER的模式下，應(yīng)答中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的ARP解析請(qǐng)求，向中繼節(jié)點(diǎn)回送MAC地址。相關(guān)函數(shù)調(diào)用為：voidARPResolve(IP ADDR*IPAddr)，發(fā)出地址解析包，IPAddr為模塊的IP地址。BOOL ARPIsResolved(IP_ADDR*IPAddr，MAC ADDR*MACAddr)；IPAddr，MACAddr為中心計(jì)算機(jī)的IP地址與MAC地址。

　　②建立中繼節(jié)點(diǎn)與中心計(jì)算機(jī)的連接，查看連接是否建立與斷開連接。相關(guān)函數(shù)調(diào)用為：TCP_SOCKETTCPConnect(NODE_INFO*remote，TCP_port port)，建立連接。BOOL TCPIsConnected(TCP_sockethTCP)，查看是否建立連接。void TCPDisconnect(TCP_SOCKET hTCP)，斷開連接。

　　③PIC18F66J60單片機(jī)檢查網(wǎng)口緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)收到，如果有數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)組合成命令幀。函數(shù)調(diào)用為：BOOL TCPIsGetReady(TCP SOCKET socket)，檢測(cè)網(wǎng)口是否收到數(shù)據(jù)。BOOL TCPGet(TCP_SOCKET、socket，BYTE*byte)，從網(wǎng)口緩沖區(qū)中讀出一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

　　④當(dāng)PIC18F66J60單片機(jī)需要向中心計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，檢查網(wǎng)口是否做好準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，如已準(zhǔn)備好，直接向網(wǎng)口緩沖區(qū)中寫入數(shù)據(jù)。函數(shù)調(diào)用為：BOOL TCPIsPutReady(TCP SOCKET socket)，檢查網(wǎng)口是否準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)。BOOL TCPPut(TCP_SOCKET hTCP，BYTEbyte)，向緩沖區(qū)寫入一個(gè)字節(jié)的注塑機(jī)參數(shù)。voidTCPFIush(TCP SOCKET hTCP)，將網(wǎng)口緩沖區(qū)的全部數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

　　5 中心計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

　　中心計(jì)算機(jī)由應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫組成，負(fù)責(zé)管理整個(gè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的測(cè)控信息管理。該數(shù)據(jù)中心主要有以下功能：

　　①網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的修改，可以在網(wǎng)絡(luò)中增加或刪除中繼節(jié)點(diǎn)或測(cè)控基站；

　　②與中繼節(jié)點(diǎn)或測(cè)控基站進(jìn)行通信，查詢運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出動(dòng)作指令，完成運(yùn)行維護(hù)管理；

　　③與中繼節(jié)點(diǎn)或測(cè)控基站進(jìn)行通信，讀取測(cè)控基站測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行測(cè)量信息的管理；

　　④各種統(tǒng)計(jì)和查詢；

　　⑤數(shù)據(jù)維護(hù)。

　　結(jié)語

　　按上述設(shè)計(jì)方案研制成的分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在智能樓宇項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用。測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)利用樓宇中廣泛存在的網(wǎng)絡(luò)接口，在總控室設(shè)置一臺(tái)中心主控計(jì)算機(jī)，在每一層設(shè)置一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，它們之間通過網(wǎng)線互連，不需重新布線，大大節(jié)約了工程成本。另外，在每一樓層各個(gè)房間安裝一個(gè)測(cè)控基站，每層的測(cè)控基站只與同層的中繼節(jié)點(diǎn)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)每個(gè)房間的智能化管理。測(cè)控終端與中繼節(jié)點(diǎn)間通信速率為250 kbps，傳輸帶寬滿足大部分的日常測(cè)量、控制信息的通信要求；測(cè)控終端使用2節(jié)普通5號(hào)干電池供電，電量足夠一年使用，維護(hù)成本極低。

　　對(duì)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的技術(shù)方案稍加修改，如中繼節(jié)點(diǎn)與中心計(jì)算機(jī)間使用GPRS無線通信，該測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)即可應(yīng)用于野外無人值守測(cè)控系統(tǒng)，或者是電力計(jì)費(fèi)、管理系統(tǒng)。無線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有構(gòu)建成本低、易維護(hù)、通信性能高等優(yōu)點(diǎn)，在分布式測(cè)控領(lǐng)域具備良好的應(yīng)用前景。

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