一种分布式节能测控网络的设计

引言　　CC1101是TI公司生产的一种单片、低成本的UHF频段无线收发器，基于IEEE 802.15.4标准开发，主要应用领域为低功耗无线测控。芯片具有无线电唤醒(WOR)、数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道*估、链接质量指示等功能，内部的参数寄存器和数据传输FIFO可通过SPI接口控制，所需的周边器件很少，使用简单。受限于发射功率和天线结构，CC1101的视距传输距离一般在400～800 m范围内，超出此距离范围则必须由中继设备对无线信号进行放大、转发。本文设计的一种分布式无线测控系统通过局域网对中继设备进行互连，大大降低了系统的无线通信协议复杂性，同时达到了使用无线通信时伴随的低功耗设计要求，具备很强的实际工程应用价值。
　　1 总体设计方案
　　测控网络采用3级结构，网络拓扑结构如图1所示。

　　最底层的测控基站负责进行工作现场的数据采集和控制指令的执行，测控基站上安装有无线收发器芯片CC1101和天线，通过空中无线信道与中继节点通信。测控基站采用电池供电。
　　中间层的中继节点负责接收中心计算机发出的控制指令，向底层的测控基站转发，或者接收底层测控基站发出的测量数据，向中心计算机转发。中继节点上安装有无线收发器芯片CC1101和天线，通过空中无线信道与底层的测控基站通信;同时中继节点也具备访问局域网的功能，可以通过外部局域网与中心计算机通信。中继节点采用市电经AC—DC模块变换出的直流电压供电。
　　中心计算机负责采集所有测控基站的测量数据，进行数据管理，也可以向测控基站发出控制指令。中心计算机通过网络接口连接到外部局域网，与中继节点通信。中心计算机采用市电交流供电。
　　2 通信协议总体设计
　　中继节点与中心计算机通过有线局域网通信，类似协议工程上有比较成熟的方案，本文不再详述。
　　中继节点与测控基站的无线链路层协议涉及到防冲突、节能等问题，直接关系到系统可靠性、可用性指标最终实现，是系统通信协议设计的重点。
　　系统中依靠无线信道传输的数据归结为4种，简述如下：
　　①命令帧。当中继节点向测控基站下传控制指令时发出。
　　②基站应答帧。当测控基站收到中继节点下传的控制指令后，需要向中继节点返回一个基站应答帧，告知指令执行情况。
　　③中继应答帧。当测控基站向中继节点上传状态信息后，中继节点需要向测控基站返回一个中继应答帧，告知已经收到状态信息。
　　④测量帧。当测控基站测量到的工作现场数据发生改变后，必须向中继节点发出测量帧，通知中继节点向中心计算机声明更新对应测控基站的记录信息。
　　为了简化处理流程，系统中传输的所有的数据的帧格式统一采用如下所示的固定长度12字节的格式。

　　由于CC1101通信时以数据包为最小处理单位，可以也设置CC1101的包长度为12字节，借助CC1101的处理能力屏蔽掉对链路层级别以下的通信协议处理过程。
　　数据帧内部各数据域定义简述如下：
　　①同步头。标记一帧数据的开始，CC1101必须在收到与内部设定的同步头值相等的数据后才启动内部电路接收一个数据包。数据帧类型不同，同步头数值也不同。
　　②地址。每个测控基站都由系统分配一个唯一的2字节标识地址，测控基站只响应地址等于本地标识地址的命令帧或中继应答帧。
　　③帧类型。用以区分本帧数据属于4种类型中的哪一种。
　　④数据。本帧需要传输的有效数据，可以是中继节点下传给测控基站的指令，也可以是测控基站上传给中继节点的状态。
　　⑤CRC。对数据帧前10个字节计算出一个2字节的校验数据，当接收端发现CRC校验错误时将丢弃本帧数据。
　　3 测控基站设计
　　测控基站采用电池供电，处于无人职守的环境下工作，在设计方案中必须最大限度的考虑节能要求，特别是对无线收发器芯片CC1101进行低功耗设计，这主要通过精心设计测控基站和中继节点间的无线通信链路协议来实现。
　　测控基站使用TI公司的CC1101射频收发器模块作为无线通信接口，该模块已集成了CC1101、外围射频电路和天线等硬件，只需直接通过SPI向其送入指令和数据即可。模块使用26 MHz时钟工作，通信频段为433MHz，调制方式为GFSK，通信速率为250 kbps。
　　3.1 接收协议节能设计

　　CC1101具备WOR功能，使用该功能可以让CC1101在睡眠态和接收态间自动轮流切换，如图2所示，其中Time0为WOR周期，Time1为接收时间。由于在睡眠态时，CC1101的接收功耗电流仅为9.8μA，而接收态时功耗电流达16.5 mA，从节能的角度考虑，在使用WOR功能时，应该使睡眠态的工作时间占空比尽可能的大。
　　但当CC1101处于睡眠态时，无线接收电路不工作，在此时间间隔内无法收到从无线信道传输的数据，影响通信的正确性。因此为保证可靠地接收数据，必须保证在一个WOR周期内，接收态期间CC1101能收到至少一帧完整的数据。
　　测控基站从中继节点接收的控制命令帧长度为12字节，当CC1101通信速率为250 kbps时，一个完整命令帧传输所需要的时间为：12×8/250=0.384(ms)。
　　选定WOR模式的接收态占空比为0.781%时，假定在接收态需要保留5个完整命令帧的接收时间窗口以确保稳定、可靠的收到一个完整命令帧，那么可以计算出WOR周期为：5×0.384/0.781%≈246(ms)。
　　从CC1101的应用手册上可知，WOR周期与CC1101内部相关寄存器的值具有如下关系：