摘要：設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于無線收發(fā)器芯片CC1101的測控網(wǎng)絡(luò),，簡要介紹了網(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,；詳細(xì)分析了使用CC1101進(jìn)行無線通信時的節(jié)能設(shè)計和防沖突設(shè)計原理，計算并給出了CC1101的有關(guān)內(nèi)部寄存器的取值,，同時也說明了使用PIC單片機(jī)PIC18F66J60進(jìn)行局域網(wǎng)互連的軟硬件設(shè)計方法,；介紹了最終系統(tǒng)的實現(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頻段無線收發(fā)器,，基于IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)開發(fā),，主要應(yīng)用領(lǐng)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,、清晰信道評估,、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(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)備對無線信號進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)發(fā),。本文設(shè)計的一種分布式無線測控系統(tǒng)通過局域網(wǎng)對中繼設(shè)備進(jìn)行互連,，大大降低了系統(tǒng)的無線通信協(xié)議復(fù)雜性,，同時達(dá)到了使用無線通信時伴隨的低功耗設(shè)計要求,，具備很強(qiáng)的實際工程應(yīng)用價值。

1 總體設(shè)計方案
    測控網(wǎng)絡(luò)采用3級結(jié)構(gòu),，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,。

    最底層的測控基站負(fù)責(zé)進(jìn)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(fù)責(zé)接收中心計算機(jī)發(fā)出的控制指令,，向底層的測控基站轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)負(fù)責(zé)采集所有測控基站的測量數(shù)據(jù)，進(jìn)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(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接口連接到外部局域網(wǎng)，與中繼節(jié)點通信,。中心計算機(jī)采用市電交流供電,。

2 通信協(xié)議總體設(shè)計
    中繼節(jié)點與中心計算機(jī)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(guān)系到系統(tǒng)可靠性,、可用性指標(biāo)最終實現(xiàn)，是系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計的重點,。
    系統(tǒng)中依靠無線信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)歸結(jié)為4種,，簡述如下：
    ①命令幀。當(dāng)中繼節(jié)點向測控基站下傳控制指令時發(fā)出,。
    ②基站應(yīng)答幀,。當(dāng)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(yīng)答幀,，告知指令執(zhí)行情況,。
    ③中繼應(yīng)答幀。當(dāng)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(yīng)答幀,，告知已經(jīng)收到狀態(tài)信息。
    ④測量幀,。當(dāng)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(jī)聲明更新對應(yīng)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(shè)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：
    ①同步頭,。標(biāo)記一幀數(shù)據(jù)的開始,，CC1101必須在收到與內(nèi)部設(shè)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,。
    ②地址,。每個測控基站都由系統(tǒng)分配一個唯一的2字節(jié)標(biāo)識地址，測控基站只響應(yīng)地址等于本地標(biāo)識地址的命令幀或中繼應(yīng)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。
    ④數(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),。
    ⑤CRC,。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(dāng)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(shè)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(shè)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(jìn)行低功耗設(shè)計,，這主要通過精心設(shè)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,。
3．1 接收協(xié)議節(jié)能設(shè)計
    CC1101具備WOR功能，使用該功能可以讓CC1101在睡眠態(tài)和接收態(tài)間自動輪流切換,，如圖2所示,，其中Time0為WOR周期,，Time1為接收時間,。由于在睡眠態(tài)時，CC1101的接收功耗電流僅為9．8μA,，而接收態(tài)時功耗電流達(dá)16．5 mA,，從節(jié)能的角度考慮，在使用WOR功能時,，應(yīng)該使睡眠態(tài)的工作時間占空比盡可能的大,。

    但當(dāng)CC1101處于睡眠態(tài)時，無線接收電路不工作,，在此時間間隔內(nèi)無法收到從無線信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù),，影響通信的正確性,。因此為保證可靠地接收數(shù)據(jù)，必須保證在一個WOR周期內(nèi),，接收態(tài)期間CC1101能收到至少一幀完整的數(shù)據(jù),。
    測控基站從中繼節(jié)點接收的控制命令幀長度為12字節(jié)，當(dāng)CC1101通信速率為250 kbps時,，一個完整命令幀傳輸所需要的時間為：12×8／250=0．384(ms),。
    選定WOR模式的接收態(tài)占空比為0．781％時，假定在接收態(tài)需要保留5個完整命令幀的接收時間窗口以確保穩(wěn)定,、可靠的收到一個完整命令幀,，那么可以計算出WOR周期為：5×0．384／0．781％≈246(ms)。
    從CC1101的應(yīng)用手冊上可知,，WOR周期與CC1101內(nèi)部相關(guān)寄存器的值具有如下關(guān)系：
    
    式(1)中fosc為CC1101的工作時鐘頻率,，為26 MHz，EVENT0為事件0計數(shù)器值,，WOR_RES為計數(shù)器分辨率,，一般可設(shè)置為0。這樣可以計算得到當(dāng)WOR周期為246 ms時,，EVENT0值為0x2150,。
    當(dāng)WOR模式的接收占空比為0．781％時，可以根據(jù)接收態(tài)和睡眠態(tài)分別的功耗電流計算出CC1101總的功耗電流：9．8×10-3×99．219％+16．5×0．781％=0．13(mA),。
    若測控基站使用兩節(jié)容量為2000 mAh的普通5號干電池供電,，可以計算出在只供CC1101工作的情況下設(shè)備可連續(xù)工作時間為：2×2000／0．13≈30 770(小時)=3．5(年)。
3．2 接收協(xié)議處理流程
    CC1101接收數(shù)據(jù)時設(shè)定同步頭內(nèi)容為0xEB90,，這樣可以保證它只響應(yīng)同步頭為0xEB90的類型的數(shù)據(jù)幀,，其他類型的數(shù)據(jù)幀不會誤觸發(fā)CC1101，簡化測控基站軟件的協(xié)議處理流程,。
    當(dāng)需要接收命令幀時測控基站工作流程如圖3所示,。測控基站默認(rèn)處于等待接收狀態(tài)，此時CC1101工作于WOR模式,；當(dāng)收到一個完整命令幀后,，CC1101退出WOR工作模式，進(jìn)入發(fā)送工作模式,，同時測控基站控制軟件必須通過幀地址域判斷命令幀是否是發(fā)給本設(shè)備,，若命令幀是發(fā)給本設(shè)備，需要執(zhí)行該命令并返回應(yīng)答給中繼節(jié)點,，然后設(shè)置CC1101重新進(jìn)入WOR工作模式,，若命令幀不是發(fā)給本設(shè)備，則直接設(shè)置CC1101進(jìn)入WOR工作模式即可。

    需要注意的是由于無線信道易受干擾,，測控基站在收到中繼節(jié)點的命令幀后必須給中繼節(jié)點回送一個應(yīng)答幀,，確認(rèn)命令幀執(zhí)行情況。為了防止應(yīng)答幀引起其它測控基站的錯誤觸發(fā),，應(yīng)答幀同步頭與命令幀同步頭不同,，為0x146F。
3．3 發(fā)送協(xié)議處理流程
    當(dāng)測控基站需要反饋控制命令執(zhí)行情況或主動上傳測量數(shù)據(jù)時,，必須通過CC1101向外發(fā)送數(shù)據(jù),。為減少測控基站對無線信道的占用，只有在設(shè)備狀態(tài)產(chǎn)生變化時,，測控基站才主動向中繼節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)幀通知本設(shè)備產(chǎn)生了狀態(tài)變化,，需要中繼節(jié)點向中心計算機(jī)登記該次變化。
    為了防止多個測控基站同時共用無線信道時發(fā)生沖突,，必須對發(fā)送協(xié)議進(jìn)行防沖突設(shè)計,，這通過CC1101的載波偵聽功能實現(xiàn)。在每次需要發(fā)送數(shù)據(jù)前,，CC1101檢測無線信道中載波功率電平值,，并將電平值反映到RSSI寄存中，當(dāng)測控基站發(fā)現(xiàn)RSSI電平高于某一閾值時,，認(rèn)為無線信道已被占用,，將一直等待直到RSSI值低于閾值時才使用無線信道發(fā)送數(shù)據(jù)。

    使用載波偵聽功能,，測控基站向中繼節(jié)點上傳測量數(shù)據(jù)時處理流程如圖4所示,。由于需要上傳測量數(shù)據(jù)的時間占總工作時間的比例很小，CC1101不需工作在WOR模式以節(jié)約電能,。為防止測量幀觸發(fā)其他處于接收命令狀態(tài)的測控基站,，測量幀同步頭設(shè)置為0x1ACF。

4 中繼節(jié)點設(shè)計
    中繼節(jié)點使用Microchip公司PIC18FF66J60單片機(jī)進(jìn)行局域網(wǎng)協(xié)議的處理和上級中心計算機(jī)協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)控制,，同時使用CC1101與下級的測控基站通信,。
    PIC18F66J60芯片具有嵌入式以太網(wǎng)控制器模塊，是一個完整的以太網(wǎng)連接解決方案,，要完全實現(xiàn)介質(zhì)訪問控制和物理層收發(fā)器模塊功能,，只需使用2個脈沖變壓器和一些無源器件即可將單片機(jī)直接與以太網(wǎng)相連。該單片機(jī)內(nèi)部已經(jīng)嵌入了TCP／IP協(xié)議棧,，上電后協(xié)議棧自動運行,，單片機(jī)軟件只需調(diào)用相應(yīng)的TCP／IP處理函數(shù)即可。
    中繼節(jié)點的硬件電路如圖5所示,，在與局域網(wǎng)通信端，PIC18F66J60單片機(jī)的4個以太網(wǎng)專用引腳TPOUT+、TPOUT-,、TPIN+,、TPIN-與網(wǎng)絡(luò)變壓器直接相連；在與無線信道通信端,，單片機(jī)通過SPI引腳與CC1101直接相連,。

    中繼節(jié)點采用220 V市電經(jīng)．AC—DC轉(zhuǎn)換后供電，沒有節(jié)能處理的要求,，CC1101不需使用WOR工作模式,，處于常開狀態(tài)，最大限度的保證通信鏈路的可用性,。默認(rèn)狀態(tài)下中繼節(jié)點在與測控基站通信的過程中處于被動地位,，隨時準(zhǔn)備接收測控基站上傳的測量數(shù)據(jù)幀。
    中繼節(jié)點時工作流程如圖6所示,，它不斷監(jiān)視本區(qū)域內(nèi)的無線基站狀態(tài),，只有當(dāng)發(fā)現(xiàn)測控基站測量數(shù)據(jù)有改變時才向中心計算機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；同時響應(yīng)中心計算機(jī)發(fā)送的控制指令,，向本區(qū)域內(nèi)的無線基站轉(zhuǎn)發(fā),。

    中繼節(jié)點使用PIC18F66J60單片機(jī)TCP／IP協(xié)議棧與中心計算機(jī)通信的軟件處理步驟簡介如下。
    ①PIC18F66J60單片機(jī)根據(jù)中心計算機(jī)IP地址向局域網(wǎng)廣播發(fā)出地址解析(ARP)包,。中心計算機(jī)工作在TCPSERVER的模式下,，應(yīng)答中繼節(jié)點發(fā)送的ARP解析請求，向中繼節(jié)點回送MAC地址,。相關(guān)函數(shù)調(diào)用為：voidARPResolve(IP ADDR*IPAddr),，發(fā)出地址解析包，IPAddr為模塊的IP地址,。BOOL ARPIsResolved(IP_ADDR*IPAddr,，MAC ADDR*MACAddr)；IPAddr,，MACAddr為中心計算機(jī)的IP地址與MAC地址,。
    ②建立中繼節(jié)點與中心計算機(jī)的連接，查看連接是否建立與斷開連接,。相關(guān)函數(shù)調(diào)用為：TCP_SOCKETTCPConnect(NODE_INFO*remote,，TCP_PORT port)，建立連接,。BOOL TCPIsConnected(TCP_SOCKEThTCP),，查看是否建立連接。void TCPDisconnect(TCP_SOCKET hTCP),，斷開連接,。
    ③PIC18F66J60單片機(jī)檢查網(wǎng)口緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)收到，如果有數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)組合成命令幀,。函數(shù)調(diào)用為：BOOL TCPIsGetReady(TCP SOCKET socket),，檢測網(wǎng)口是否收到數(shù)據(jù)。BOOL TCPGet(TCP_SOCKET,、socket,，BYTE*byte)，從網(wǎng)口緩沖區(qū)中讀出一個字節(jié)數(shù)據(jù),。
    ④當(dāng)PIC18F66J60單片機(jī)需要向中心計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時,，檢查網(wǎng)口是否做好準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，如已準(zhǔn)備好,，直接向網(wǎng)口緩沖區(qū)中寫入數(shù)據(jù),。函數(shù)調(diào)用為：BOOL TCPIsPutReady(TCP SOCKET socket)，檢查網(wǎng)口是否準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù),。BOOL TCPPut(TCP_SOCKET hTCP,，BYTEbyte)，向緩沖區(qū)寫入一個字節(jié)的注塑機(jī)參數(shù),。voidTCPFIush(TCP SOCKET hTCP),，將網(wǎng)口緩沖區(qū)的全部數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

5 中心計算機(jī)設(shè)計
    中心計算機(jī)由應(yīng)用軟件,、數(shù)據(jù)庫組成,，負(fù)責(zé)管理整個測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的測控信息管理。該數(shù)據(jù)中心主要有以下功能：
    ①網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的修改,，可以在網(wǎng)絡(luò)中增加或刪除中繼節(jié)點或測控基站,；
    ②與中繼節(jié)點或測控基站進(jìn)行通信，查詢運行狀態(tài),，發(fā)出動作指令,，完成運行維護(hù)管理；
    ③與中繼節(jié)點或測控基站進(jìn)行通信,，讀取測控基站測量數(shù)據(jù),，進(jìn)行測量信息的管理；
    ④各種統(tǒng)計和查詢,；
    ⑤數(shù)據(jù)維護(hù),。

結(jié)語
    按上述設(shè)計方案研制成的分布式測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在智能樓宇項目中得到成功應(yīng)用,。測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)利用樓宇中廣泛存在的網(wǎng)絡(luò)接口,，在總控室設(shè)置一臺中心主控計算機(jī)，在每一層設(shè)置一個中繼節(jié)點,，它們之間通過網(wǎng)線互連,，不需重新布線,，大大節(jié)約了工程成本。另外,，在每一樓層各個房間安裝一個測控基站,，每層的測控基站只與同層的中繼節(jié)點聯(lián)系,，實現(xiàn)了對每個房間的智能化管理,。測控終端與中繼節(jié)點間通信速率為250 kbps，傳輸帶寬滿足大部分的日常測量,、控制信息的通信要求,；測控終端使用2節(jié)普通5號干電池供電，電量足夠一年使用,，維護(hù)成本極低,。
    對測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的技術(shù)方案稍加修改，如中繼節(jié)點與中心計算機(jī)間使用GPRS無線通信,，該測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)即可應(yīng)用于野外無人值守測控系統(tǒng),，或者是電力計費、管理系統(tǒng),。無線測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有構(gòu)建成本低,、易維護(hù)、通信性能高等優(yōu)點,，在分布式測控領(lǐng)域具備良好的應(yīng)用前景,。