測控基站設(shè)計 - 基于CC1101的分布式節(jié)能測控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

　　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。

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　　但當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：

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　　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WOR周期為246 ms時，EVENT0值為0x2150。

　　當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。測控基站默認處于等待接收狀態(tài)，此時CC1101工作于WOR模式；當收到一個完整命令幀后，CC1101退出WOR工作模式，進入發(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進入WOR工作模式即可。

圖3 工作流程

　　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，當測控基站發(fā)現(xiàn)RSSI電平高于某一閾值時，認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。

圖4 發(fā)送協(xié)議處理流程