基于CC1101的分布式節能測控網絡設計

摘要：設計并實現了一種基于無線收發器芯片CC1101的測控網絡，簡要介紹了網絡中鏈路層協議的工作機制及相應硬件電路設計；詳細分析了使用CC1101進行無線通信時的節能設計和防沖突設計原理，計算并給出了CC1101的有關內部寄存器的取值，同時也說明了使用PIC單片機PIC18F66J60進行局域網互連的軟硬件設計方法；介紹了最終系統的實現情況及應用前景。
關鍵詞：CC1101；節能；網絡；PIC18F66J60

引言
CC1101是TI公司生產的一種單片、低成本的UHF頻段無線收發器，基于IEEE 802．15．4標準開發，主要應用領域為低功耗無線測控。芯片具有無線電喚醒(WOR)、數據包處理、數據緩沖、突發數據傳輸、清晰信道評估、鏈接質量指示等功能，內部的參數寄存器和數據傳輸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，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。本文設計的一種分布式無線測控系統通過局域網對中繼設備進行互連，大大降低了系統的無線通信協議復雜性，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
測控網絡采用3級結構，網絡拓撲結構如圖1所示。

最底層的測控基站負責進行工作現場的數據采集和控制指令的執行，測控基站上安裝有無線收發器芯片CC1101和天線，通過空中無線信道與中繼節點通信。測控基站采用電池供電。
中間層的中繼節點負責接收中心計算機發出的控制指令，向底層的測控基站轉發，或者接收底層測控基站發出的測量數據，向中心計算機轉發。中繼節點上安裝有無線收發器芯片CC1101和天線，通過空中無線信道與底層的測控基站通信；同時中繼節點也具備訪問局域網的功能，可以通過外部局域網與中心計算機通信。中繼節點采用市電經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，進行數據管理，也可以向測控基站發出控制指令。中心計算機通過網絡接口連接到外部局域網，與中繼節點通信。中心計算機采用市電交流供電。

2 通信協議總體設計
中繼節點與中心計算機通過有線局域網通信，類似協議工程上有比較成熟的方案，本文不再詳述。
中繼節點與測控基站的無線鏈路層協議涉及到防沖突、節能等問題，直接關系到系統可靠性、可用性指標最終實現，是系統通信協議設計的重點。
系統中依靠無線信道傳輸的數據歸結為4種，簡述如下：
①命令幀。當中繼節點向測控基站下傳控制指令時發出。
②基站應答幀。當測控基站收到中繼節點下傳的控制指令后，需要向中繼節點返回一個基站應答幀，告知指令執行情況。
③中繼應答幀。當測控基站向中繼節點上傳狀態信息后，中繼節點需要向測控基站返回一個中繼應答幀，告知已經收到狀態信息。
④測量幀。當測控基站測量到的工作現場數據發生改變后，必須向中繼節點發出測量幀，通知中繼節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度12字節的格式。