基于CC1101的分布式節能測控網(wǎng)絡(luò )設計

摘要：設計并實(shí)現了一種基于無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片CC1101的測控網(wǎng)絡(luò )，簡(jiǎn)要介紹了網(wǎng)絡(luò )中鏈路層協(xié)議的工作機制及相應硬件電路設計；詳細分析了使用CC1101進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信時(shí)的節能設計和防沖突設計原理，計算并給出了CC1101的有關(guān)內部寄存器的取值，同時(shí)也說(shuō)明了使用PIC單片機PIC18F66J60進(jìn)行局域網(wǎng)互連的軟硬件設計方法；介紹了最終系統的實(shí)現情況及應用前景。
關(guān)鍵詞：CC1101；節能；網(wǎng)絡(luò )；PIC18F66J60

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、清晰信道評估、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：
①命令幀。當中繼節點(diǎn)向測控基站下傳控制指令時(shí)發(fā)出。
②基站應答幀。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。
③中繼應答幀。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。
④測量幀。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。