基于CC1101的分布式節(jié)能測(cè)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于無(wú)線收發(fā)器芯片CC1101的測(cè)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(jī)制及相應(yīng)硬件電路設(shè)計(jì)；詳細(xì)分析了使用CC1101進(jìn)行無(wú)線通信時(shí)的節(jié)能設(shè)計(jì)和防沖突設(shè)計(jì)原理，計(jì)算并給出了CC1101的有關(guān)內(nèi)部寄存器的取值，同時(shí)也說(shuō)明了使用PIC單片機(jī)PIC18F66J60進(jìn)行局域網(wǎng)互連的軟硬件設(shè)計(jì)方法；介紹了最終系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)情況及應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：CC1101；節(jié)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)線收發(fā)器，基于IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榈凸臒o(wú)線測(cè)控。芯片具有無(wú)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、清晰信道評(píng)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(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)射功率和天線結(jié)構(gòu)，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(shè)備對(duì)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)發(fā)。本文設(shè)計(jì)的一種分布式無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)局域網(wǎng)對(duì)中繼設(shè)備進(jìn)行互連，大大降低了系統(tǒng)的無(wú)線通信協(xié)議復(fù)雜性，同時(shí)達(dá)到了使用無(wú)線通信時(shí)伴隨的低功耗設(shè)計(jì)要求，具備很強(qiáng)的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

1 總體設(shè)計(jì)方案
測(cè)控網(wǎng)絡(luò)采用3級(jí)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

最底層的測(cè)控基站負(fù)責(zé)進(jìn)行工作現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和控制指令的執(zhí)行，測(cè)控基站上安裝有無(wú)線收發(fā)器芯片CC1101和天線，通過(guò)空中無(wú)線信道與中繼節(jié)點(diǎn)通信。測(cè)控基站采用電池供電。
中間層的中繼節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收中心計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令，向底層的測(cè)控基站轉(zhuǎn)發(fā)，或者接收底層測(cè)控基站發(fā)出的測(cè)量數(shù)據(jù)，向中心計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。中繼節(jié)點(diǎn)上安裝有無(wú)線收發(fā)器芯片CC1101和天線，通過(guò)空中無(wú)線信道與底層的測(cè)控基站通信；同時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)也具備訪問(wèn)局域網(wǎng)的功能，可以通過(guò)外部局域網(wǎng)與中心計(jì)算機(jī)通信。中繼節(jié)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(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)采集所有測(cè)控基站的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，也可以向測(cè)控基站發(fā)出控制指令。中心計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口連接到外部局域網(wǎng)，與中繼節(jié)點(diǎn)通信。中心計(jì)算機(jī)采用市電交流供電。

2 通信協(xié)議總體設(shè)計(jì)
中繼節(jié)點(diǎn)與中心計(jì)算機(jī)通過(guò)有線局域網(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(jié)點(diǎn)與測(cè)控基站的無(wú)線鏈路層協(xié)議涉及到防沖突、節(jié)能等問(wèn)題，直接關(guān)系到系統(tǒng)可靠性、可用性指標(biāo)最終實(shí)現(xiàn)，是系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
系統(tǒng)中依靠無(wú)線信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)歸結(jié)為4種，簡(jiǎn)述如下：
①命令幀。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)向測(cè)控基站下傳控制指令時(shí)發(fā)出。
②基站應(yīng)答幀。當(dāng)測(cè)控基站收到中繼節(jié)點(diǎn)下傳的控制指令后，需要向中繼節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)基站應(yīng)答幀，告知指令執(zhí)行情況。
③中繼應(yīng)答幀。當(dāng)測(cè)控基站向中繼節(jié)點(diǎn)上傳狀態(tài)信息后，中繼節(jié)點(diǎn)需要向測(cè)控基站返回一個(gè)中繼應(yīng)答幀，告知已經(jīng)收到狀態(tài)信息。
④測(cè)量幀。當(dāng)測(cè)控基站測(cè)量到的工作現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)生改變后，必須向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)出測(cè)量幀，通知中繼節(jié)點(diǎn)向中心計(jì)算機(jī)聲明更新對(duì)應(yīng)測(cè)控基站的記錄信息。
為了簡(jiǎn)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(zhǎng)度12字節(jié)的格式。