一種分布式節(jié)能測控網(wǎng)絡的設計

引言

　　CC1101是TI公司生產(chǎn)的一種單片、低成本的UHF頻段無線收發(fā)器，基于IEEE 802．15．4標準開發(fā)，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(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，使用簡單。受限于發(fā)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(nèi)，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(fā)。本文設計的一種分布式無線測控系統(tǒng)通過局域網(wǎng)對中繼設備進行互連，大大降低了系統(tǒng)的無線通信協(xié)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(wǎng)絡采用3級結構，網(wǎng)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(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和控制指令的執(zhí)行，測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)點通信。測控基站采用電池供電。

　　中間層的中繼節(jié)點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(shù)據(jù)，向中心計算機轉發(fā)。中繼節(jié)點上安裝有無線收發(fā)器芯片CC1101和天線，通過空中無線信道與底層的測控基站通信；同時中繼節(jié)點也具備訪問局域網(wǎng)的功能，可以通過外部局域網(wǎng)與中心計算機通信。中繼節(jié)點采用市電經(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(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)管理，也可以向測控基站發(fā)出控制指令。中心計算機通過網(wǎng)絡接口連接到外部局域網(wǎng)，與中繼節(jié)點通信。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(jié)點與中心計算機通過有線局域網(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)點與測控基站的無線鏈路層協(xié)議涉及到防沖突、節(jié)能等問題，直接關系到系統(tǒng)可靠性、可用性指標最終實現(xiàn)，是系統(tǒng)通信協(xié)議設計的重點。

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

　?、倜顜?。當中繼節(jié)點向測控基站下傳控制指令時發(fā)出。

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

　　③中繼應答幀。當測控基站向中繼節(jié)點上傳狀態(tài)信息后，中繼節(jié)點需要向測控基站返回一個中繼應答幀，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(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)生改變后，必須向中繼節(jié)點發(fā)出測量幀，通知中繼節(jié)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(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度12字節(jié)的格式。

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

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

　?、偻筋^。標記一幀數(shù)據(jù)的開始，CC1101必須在收到與內(nèi)部設定的同步頭值相等的數(shù)據(jù)后才啟動內(nèi)部電路接收一個數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)幀類型不同，同步頭數(shù)值也不同。

　?、诘刂?。每個測控基站都由系統(tǒng)分配一個唯一的2字節(jié)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(qū)分本幀數(shù)據(jù)屬于4種類型中的哪一種。

　?、軘?shù)據(jù)。本幀需要傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)，可以是中繼節(jié)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(jié)點的狀態(tài)。

　?、軨RC。對數(shù)據(jù)幀前10個字節(jié)計算出一個2字節(jié)的校驗數(shù)據(jù)，當接收端發(fā)現(xiàn)CRC校驗錯誤時將丟棄本幀數(shù)據(jù)。

　　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(huán)境下工作，在設計方案中必須最大限度的考慮節(jié)能要求，特別是對無線收發(fā)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(jié)點間的無線通信鏈路協(xié)議來實現(xiàn)。

　　測控基站使用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時鐘工作，通信頻段為433MHz，調(diào)制方式為GFSK，通信速率為250 kbps。