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

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)議的工作機制及相應(yīng)硬件電路設(shè)計；詳細分析了使用CC1101進行無線通信時的節(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PIC18F66J60進行局域網(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標準開發(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，同時達到了使用無線通信時伴隨的低功耗設(shè)計要求，具備很強的實際工程應(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)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

最底層的測控基站負責(zé)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(zé)接收中心計算機發(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(zé)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(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。