一種分布式節(jié)能測控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

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?yàn)榈凸臒o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(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(hào)進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)發(fā)。本文設(shè)計(jì)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(shí)達(dá)到了使用無線通信時(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(diǎn)通信。測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(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。中繼節(jié)點(diǎn)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(shí)中繼節(jié)點(diǎn)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(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(jì)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(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(diǎn)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(shí)現(xiàn)，是系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

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

　?、倜顜．?dāng)中繼節(jié)點(diǎn)向測控基站下傳控制指令時(shí)發(fā)出。

　　②基站應(yīng)答幀。當(dāng)測控基站收到中繼節(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。

　?、壑欣^應(yīng)答幀。當(dāng)測控基站向中繼節(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(diǎn)發(fā)出測量幀，通知中繼節(jié)點(diǎn)向中心計(jì)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(shí)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(jí)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(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(dòng)內(nèi)部電路接收一個(gè)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(gè)測控基站都由系統(tǒng)分配一個(gè)唯一的2字節(jié)標(biāo)識(shí)地址，測控基站只響應(yīng)地址等于本地標(biāo)識(shí)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(diǎn)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(diǎn)的狀態(tài)。

　?、軨RC。對數(shù)據(jù)幀前10個(gè)字節(jié)計(jì)算出一個(gè)2字節(jié)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)接收端發(fā)現(xiàn)CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)將丟棄本幀數(shù)據(jù)。

　　3 測控基站設(shè)計(jì)

　　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(jì)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(jì)，這主要通過精心設(shè)計(jì)測控基站和中繼節(jié)點(diǎn)間的無線通信鏈路協(xié)議來實(shí)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(shí)鐘工作，通信頻段為433MHz，調(diào)制方式為GFSK，通信速率為250 kbps。