|
引言 CC1101是TI公司生產的一種單片、低成本的UHF頻段無線收發器，基于IEEE 802.15.4標準開發，主要應用領域為低功耗無線測控。芯片具有無線電喚醒(WOR)、數據包處理、數據緩沖、突發數據傳輸、清晰信道*估、鏈接質量指示等功能，內部的參數寄存器和數據傳輸FIFO可通過SPI接口控制，所需的周邊器件很少，使用簡單。受限于發射功率和天線結構，CC1101的視距傳輸距離一般在400～800 m范圍內，超出此距離范圍則必須由中繼設備對無線信號進行放大、轉發。本文設計的一種分布式無線測控系統通過局域網對中繼設備進行互連，大大降低了系統的無線通信協議復雜性，同時達到了使用無線通信時伴隨的低功耗設計要求，具備很強的實際工程應用價值。 1 總體設計方案 測控網絡采用3級結構，網絡拓撲結構如圖1所示。 
最底層的測控基站負責進行工作現場的數據采集和控制指令的執行，測控基站上安裝有無線收發器芯片CC1101和天線，通過空中無線信道與中繼節點通信。測控基站采用電池供電。 中間層的中繼節點負責接收中心計算機發出的控制指令，向底層的測控基站轉發，或者接收底層測控基站發出的測量數據，向中心計算機轉發。中繼節點上安裝有無線收發器芯片CC1101和天線，通過空中無線信道與底層的測控基站通信;同時中繼節點也具備訪問局域網的功能，可以通過外部局域網與中心計算機通信。中繼節點采用市電經AC—DC模塊變換出的直流電壓供電。 中心計算機負責采集所有測控基站的測量數據，進行數據管理，也可以向測控基站發出控制指令。中心計算機通過網絡接口連接到外部局域網，與中繼節點通信。中心計算機采用市電交流供電。 2 通信協議總體設計 中繼節點與中心計算機通過有線局域網通信，類似協議工程上有比較成熟的方案，本文不再詳述。 中繼節點與測控基站的無線鏈路層協議涉及到防沖突、節能等問題，直接關系到系統可靠性、可用性指標最終實現，是系統通信協議設計的重點。 系統中依靠無線信道傳輸的數據歸結為4種，簡述如下： ①命令幀。當中繼節點向測控基站下傳控制指令時發出。 ②基站應答幀。當測控基站收到中繼節點下傳的控制指令后，需要向中繼節點返回一個基站應答幀，告知指令執行情況。 ③中繼應答幀。當測控基站向中繼節點上傳狀態信息后，中繼節點需要向測控基站返回一個中繼應答幀，告知已經收到狀態信息。 ④測量幀。當測控基站測量到的工作現場數據發生改變后，必須向中繼節點發出測量幀，通知中繼節點向中心計算機聲明更新對應測控基站的記錄信息。 為了簡化處理流程，系統中傳輸的所有的數據的幀格式統一采用如下所示的固定長度12字節的格式。
由于CC1101通信時以數據包為最小處理單位，可以也設置CC1101的包長度為12字節，借助CC1101的處理能力屏蔽掉對鏈路層級別以下的通信協議處理過程。 數據幀內部各數據域定義簡述如下： ①同步頭。標記一幀數據的開始，CC1101必須在收到與內部設定的同步頭值相等的數據后才啟動內部電路接收一個數據包。數據幀類型不同，同步頭數值也不同。 ②地址。每個測控基站都由系統分配一個唯一的2字節標識地址，測控基站只響應地址等于本地標識地址的命令幀或中繼應答幀。 ③幀類型。用以區分本幀數據屬于4種類型中的哪一種。 ④數據。本幀需要傳輸的有效數據，可以是中繼節點下傳給測控基站的指令，也可以是測控基站上傳給中繼節點的狀態。 ⑤CRC。對數據幀前10個字節計算出一個2字節的校驗數據，當接收端發現CRC校驗錯誤時將丟棄本幀數據。 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。 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：
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 4 中繼節點設計 中繼節點使用Microchip公司PIC18FF66J60單片機進行局域網協議的處理和上級中心計算機協議的轉發控制，同時使用CC1101與下級的測控基站通信。 PIC18F66J60芯片具有嵌入式以太網控制器模塊，是一個完整的以太網連接解決方案，要完全實現介質訪問控制和物理層收發器模塊功能，只需使用2個脈沖變壓器和一些無源器件即可將單片機直接與以太網相連。該單片機內部已經嵌入了TCP/IP協議棧，上電后協議棧自動運行，單片機軟件只需調用相應的TCP/IP處理函數即可。
中繼節點的硬件電路如圖5所示，在與局域網通信端，PIC18F66J60單片機的4個以太網專用引腳TPOUT+、TPOUT-、TPIN+、TPIN-與網絡變壓器直接相連;在與無線信道通信端，單片機通過SPI引腳與CC1101直接相連。 中繼節點采用220 V市電經.AC—DC轉換后供電，沒有節能處理的要求，CC1101不需使用WOR工作模式，處于常開狀態，最大限度的保證通信鏈路的可用性。默認狀態下中繼節點在與測控基站通信的過程中處于被動地位，隨時準備接收測控基站上傳的測量數據幀。
中繼節點時工作流程如圖6所示，它不斷監視本區域內的無線基站狀態，只有當發現測控基站測量數據有改變時才向中心計算機轉發數據;同時響應中心計算機發送的控制指令，向本區域內的無線基站轉發。 中繼節點使用PIC18F66J60單片機TCP/IP協議棧與中心計算機通信的軟件處理步驟簡介如下。 ①PIC18F66J60單片機根據中心計算機IP地址向局域網廣播發出地址解析(ARP)包。中心計算機工作在TCPSERVER的模式下，應答中繼節點發送的ARP解析請求，向中繼節點回送MAC地址。相關函數調用為：voidARPResolve(IP ADDR*IPAddr)，發出地址解析包，IPAddr為模塊的IP地址。BOOL ARPIsResolved(IP_ADDR*IPAddr，MAC ADDR*MACAddr);IPAddr，MACAddr為中心計算機的IP地址與MAC地址。 ②建立中繼節點與中心計算機的連接，查看連接是否建立與斷開連接。相關函數調用為：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單片機檢查網口緩沖區中是否有數據收到，如果有數據，將數據組合成命令幀。函數調用為：BOOL TCPIsGetReady(TCP SOCKET socket)，檢測網口是否收到數據。BOOL TCPGet(TCP_SOCKET、socket，BYTE*byte)，從網口緩沖區中讀出一個字節數據。 ④當PIC18F66J60單片機需要向中心計算機發送數據時，檢查網口是否做好準備發送數據，如已準備好，直接向網口緩沖區中寫入數據。函數調用為：BOOL TCPIsPutReady(TCP SOCKET socket)，檢查網口是否準備好發送數據。BOOL TCPPut(TCP_SOCKET hTCP，BYTEbyte)，向緩沖區寫入一個字節的注塑機參數。voidTCPFIush(TCP SOCKET hTCP)，將網口緩沖區的全部數據發送出去。 5 中心計算機設計 中心計算機由應用軟件、數據庫組成，負責管理整個測控網絡系統的測控信息管理。該數據中心主要有以下功能： ①網絡拓撲結構的修改，可以在網絡中增加或刪除中繼節點或測控基站; ②與中繼節點或測控基站進行通信，查詢運行狀態，發出動作指令，完成運行維護管理; ③與中繼節點或測控基站進行通信，讀取測控基站測量數據，進行測量信息的管理; ④各種統計和查詢; ⑤數據維護。 結語 按上述設計方案研制成的分布式測控網絡系統，在智能樓宇項目中得到成功應用。測控網絡系統利用樓宇中廣泛存在的網絡接口，在總控室設置一臺中心主控計算機，在每一層設置一個中繼節點，它們之間通過網線互連，不需重新布線，大大節約了工程成本。另外，在每一樓層各個房間安裝一個測控基站，每層的測控基站只與同層的中繼節點聯系，實現了對每個房間的智能化管理。測控終端與中繼節點間通信速率為250 kbps，傳輸帶寬滿足大部分的日常測量、控制信息的通信要求;測控終端使用2節普通5號干電池供電，電量足夠一年使用，維護成本極低。 對測控網絡系統的技術方案稍加修改，如中繼節點與中心計算機間使用GPRS無線通信，該測控網絡系統即可應用于野外無人值守測控系統，或者是電力計費、管理系統。無線測控網絡系統具有構建成本低、易維護、通信性能高等優點，在分布式測控領域具備良好的應用前景。 |
