一種分布式節能測控網(wǎng)絡(luò )的設計

引言

　　CC1101是TI公司生產(chǎn)的一種單片、低成本的UHF頻段無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，基于IEEE 802．15．4標準開(kāi)發(fā)，主要應用領(lǐng)域為低功耗無(wú)線(xiàn)測控。芯片具有無(wú)線(xiàn)電喚醒(WOR)、數據包處理、數據緩沖、突發(fā)數據傳輸、清晰信道*估、鏈接質(zhì)量指示等功能，內部的參數寄存器和數據傳輸FIFO可通過(guò)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(xiàn)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(wú)線(xiàn)信號進(jìn)行放大、轉發(fā)。本文設計的一種分布式無(wú)線(xiàn)測控系統通過(guò)局域網(wǎng)對中繼設備進(jìn)行互連，大大降低了系統的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議復雜性，同時(shí)達到了使用無(wú)線(xiàn)通信時(shí)伴隨的低功耗設計要求，具備很強的實(shí)際工程應用價(jià)值。

　　1 總體設計方案

　　測控網(wǎng)絡(luò )采用3級結構，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構如圖1所示。

　　最底層的測控基站負責進(jìn)行工作現場(chǎng)的數據采集和控制指令的執行，測控基站上安裝有無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片CC1101和天線(xiàn)，通過(guò)空中無(wú)線(xiàn)信道與中繼節點(diǎn)通信。測控基站采用電池供電。

　　中間層的中繼節點(diǎn)負責接收中心計算機發(fā)出的控制指令，向底層的測控基站轉發(fā)，或者接收底層測控基站發(fā)出的測量數據，向中心計算機轉發(fā)。中繼節點(diǎn)上安裝有無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片CC1101和天線(xiàn)，通過(guò)空中無(wú)線(xiàn)信道與底層的測控基站通信；同時(shí)中繼節點(diǎn)也具備訪(fǎng)問(wèn)局域網(wǎng)的功能，可以通過(guò)外部局域網(wǎng)與中心計算機通信。中繼節點(diǎn)采用市電經(jīng)AC—DC模塊變換出的直流電壓供電。

　　中心計算機負責采集所有測控基站的測量數據，進(jìn)行數據管理，也可以向測控基站發(fā)出控制指令。中心計算機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口連接到外部局域網(wǎng)，與中繼節點(diǎn)通信。中心計算機采用市電交流供電。

　　2 通信協(xié)議總體設計

　　中繼節點(diǎn)與中心計算機通過(guò)有線(xiàn)局域網(wǎng)通信，類(lèi)似協(xié)議工程上有比較成熟的方案，本文不再詳述。

　　中繼節點(diǎn)與測控基站的無(wú)線(xiàn)鏈路層協(xié)議涉及到防沖突、節能等問(wèn)題，直接關(guān)系到系統可靠性、可用性指標最終實(shí)現，是系統通信協(xié)議設計的重點(diǎn)。

　　系統中依靠無(wú)線(xiàn)信道傳輸的數據歸結為4種，簡(jiǎn)述如下：

　?、倜顜?。當中繼節點(diǎn)向測控基站下傳控制指令時(shí)發(fā)出。

　?、诨緫饚?。當測控基站收到中繼節點(diǎn)下傳的控制指令后，需要向中繼節點(diǎn)返回一個(gè)基站應答幀，告知指令執行情況。

　?、壑欣^應答幀。當測控基站向中繼節點(diǎn)上傳狀態(tài)信息后，中繼節點(diǎn)需要向測控基站返回一個(gè)中繼應答幀，告知已經(jīng)收到狀態(tài)信息。

　?、軠y量幀。當測控基站測量到的工作現場(chǎng)數據發(fā)生改變后，必須向中繼節點(diǎn)發(fā)出測量幀，通知中繼節點(diǎn)向中心計算機聲明更新對應測控基站的記錄信息。

　　為了簡(jiǎn)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(cháng)度12字節的格式。

　　由于CC1101通信時(shí)以數據包為最小處理單位，可以也設置CC1101的包長(cháng)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(xié)議處理過(guò)程。

　　數據幀內部各數據域定義簡(jiǎn)述如下：

　?、偻筋^。標記一幀數據的開(kāi)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(dòng)內部電路接收一個(gè)數據包。數據幀類(lèi)型不同，同步頭數值也不同。

　?、诘刂?。每個(gè)測控基站都由系統分配一個(gè)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。

　?、蹘?lèi)型。用以區分本幀數據屬于4種類(lèi)型中的哪一種。

　?、軘祿?。本幀需要傳輸的有效數據，可以是中繼節點(diǎn)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(diǎn)的狀態(tài)。

　?、軨RC。對數據幀前10個(gè)字節計算出一個(gè)2字節的校驗數據，當接收端發(fā)現CRC校驗錯誤時(shí)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(wú)人職守的環(huán)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(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片CC1101進(jìn)行低功耗設計，這主要通過(guò)精心設計測控基站和中繼節點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)通信鏈路協(xié)議來(lái)實(shí)現。

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