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

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(duì)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：
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(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。
②地址。每個(gè)測(cè)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(cè)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(cè)控基站的指令，也可以是測(cè)控基站上傳給中繼節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。
⑤CRC。對(duì)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(cè)控基站設(shè)計(jì)
測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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。
3．1 接收協(xié)議節(jié)能設(shè)計(jì)
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(dòng)輪流切換，如圖2所示，其中Time0為WOR周期，Time1為接收時(shí)間。由于在睡眠態(tài)時(shí)，CC1101的接收功耗電流僅為9．8μA，而接收態(tài)時(shí)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(shí)，應(yīng)該使睡眠態(tài)的工作時(shí)間占空比盡可能的大。

但當(dāng)CC1101處于睡眠態(tài)時(shí)，無線接收電路不工作，在此時(shí)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(gè)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(cè)控基站從中繼節(jié)點(diǎn)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(shí)，一個(gè)完整命令幀傳輸所需要的時(shí)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(shí)，假定在接收態(tài)需要保留5個(gè)完整命令幀的接收時(shí)間窗口以確保穩(wěn)定、可靠的收到一個(gè)完整命令幀，那么可以計(jì)算出WOR周期為：5×0．384／0．781％≈246(ms)。
從CC1101的應(yīng)用手冊(cè)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(shí)鐘頻率，為26 MHz，EVENT0為事件0計(jì)數(shù)器值，WOR_RES為計(jì)數(shù)器分辨率，一般可設(shè)置為0。這樣可以計(jì)算得到當(dāng)WOR周期為246 ms時(shí)，EVENT0值為0x2150。
當(dāng)WOR模式的接收占空比為0．781％時(shí)，可以根據(jù)接收態(tài)和睡眠態(tài)分別的功耗電流計(jì)算出CC1101總的功耗電流：9．8×10-3×99．219％+16．5×0．781％=0．13(mA)。
若測(cè)控基站使用兩節(jié)容量為2000 mAh的普通5號(hào)干電池供電，可以計(jì)算出在只供CC1101工作的情況下設(shè)備可連續(xù)工作時(shí)間為：2×2000／0．13≈30 770(小時(shí))=3．5(年)。
3．2 接收協(xié)議處理流程
CC1101接收數(shù)據(jù)時(shí)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(huì)誤觸發(fā)CC1101，簡化測(cè)控基站軟件的協(xié)議處理流程。
當(dāng)需要接收命令幀時(shí)測(cè)控基站工作流程如圖3所示。測(cè)控基站默認(rèn)處于等待接收狀態(tài)，此時(shí)CC1101工作于WOR模式；當(dāng)收到一個(gè)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(shí)測(cè)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(diǎn)，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(cè)控基站在收到中繼節(jié)點(diǎn)的命令幀后必須給中繼節(jié)點(diǎn)回送一個(gè)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(cè)控基站的錯(cuò)誤觸發(fā)，應(yīng)答幀同步頭與命令幀同步頭不同，為0x146F。