基于CC1110的無(wú)線樓宇溫度采集系統(tǒng)

陶維維，劉映杰，習(xí)振華，王 強(qiáng)

（蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

目前，應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信技術(shù)主要有 ZigBee[1]、藍(lán)牙[2]等，這些技術(shù)在可靠通信距離、數(shù)據(jù)傳輸速率、信道數(shù)量、信道帶寬以及功耗等方面制約其應(yīng)用。樓宇無(wú)線通信主要受復(fù)雜環(huán)境、信號(hào)穿透能力以及可靠通信距離三方面的制約。然而，ZigBee和藍(lán)牙工作頻段在 2.4 GHz～2.5 GHz之間，信號(hào)穿透能力差，可靠通信距離短，無(wú)法滿足樓宇無(wú)線通信的要求。

TI公司的CC1110無(wú)線單片機(jī)[3，8]工作頻率為低于1 GHz的 ISM/SRD 三個(gè)頻段：300MHz～348MHz、391MHz～464 MHz和 782 MHz～928 MHz，信號(hào)穿透性強(qiáng)、通信可靠，是樓宇無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的最佳選擇。無(wú)線樓宇溫度采集系統(tǒng)采用無(wú)線多跳技術(shù)[4]的思想在室內(nèi)和走廊間構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以降低系統(tǒng)功耗和硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度，完成溫度數(shù)據(jù)的收集。同時(shí)，為了提高系統(tǒng)通信可靠性，避免無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的干擾，采用固定頻道分配技術(shù)[5-6]。最后，將溫度數(shù)據(jù)通過(guò)RS485總線存儲(chǔ)在ARM運(yùn)算存儲(chǔ)器的SD卡中，以便于進(jìn)行分析、監(jiān)控使用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無(wú)線樓宇溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由ARM運(yùn)算存儲(chǔ)器、m個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)收集器（中心節(jié)點(diǎn)）和m×n個(gè)無(wú)線溫度采集器（溫度節(jié)點(diǎn)）組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由無(wú)線溫度采集器、無(wú)線數(shù)據(jù)收集器[7]和ARM運(yùn)算存儲(chǔ)器組成，選用COMS芯片實(shí)現(xiàn)低功耗[4]。

2.1 無(wú)線溫度采集器設(shè)計(jì)

無(wú)線溫度采集器主要實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集、電源狀態(tài)測(cè)量及發(fā)送，由溫度采集電路、電源穩(wěn)壓電路、狀態(tài)指示電路和無(wú)線收發(fā)電路組成，整體框圖如圖2所示。溫度采集電路通過(guò)高精度接觸式PT1000傳感器、電橋電路、差分放大電路處理后再由單片機(jī)測(cè)量得到溫度值。電源穩(wěn)壓電路為溫度采集電路和狀態(tài)指示電路提供2.7 V工作電壓。無(wú)線收發(fā)電路由無(wú)線模塊通過(guò)阻抗匹配電路和發(fā)射天線收發(fā)信息，工作頻段為433MHz～464MHz、傳輸速率為2.4 Kb/s。無(wú)線溫度采集器由兩節(jié)5號(hào)干電池直接供電，定時(shí)休眠5 min后使能穩(wěn)壓電路、采集溫度和電源狀態(tài)并等待無(wú)線通信，通信完成或4 s內(nèi)無(wú)通信則進(jìn)入休眠PM2狀態(tài)。系統(tǒng)休眠期間功耗為1 μA，正常工作功耗為9.4 mA，無(wú)線通信功耗為30 mA。

圖2 無(wú)線溫度采集器框圖

2.2 無(wú)線數(shù)據(jù)收集器設(shè)計(jì)

無(wú)線數(shù)據(jù)收集器主要實(shí)現(xiàn)收集本網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線溫度采集器的溫度數(shù)據(jù)和ARM運(yùn)算存儲(chǔ)器的RS485通信功能，由電源穩(wěn)壓電路、狀態(tài)指示電路、RS485通信電路和無(wú)線收發(fā)電路組成。無(wú)線數(shù)據(jù)收集器框圖如圖3所示。電源穩(wěn)壓電路為系統(tǒng)提供3.3 V工作電壓。RS485通信電路采用MAX3485半雙工通信芯片，工作傳輸速率為 9 600 b/s，最多可連接32個(gè)通信節(jié)點(diǎn)。

圖3 無(wú)線數(shù)據(jù)收集器框圖

2.3 ARM運(yùn)算存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

ARM運(yùn)算存儲(chǔ)器主要完成溫度數(shù)據(jù)的讀取、運(yùn)算和存儲(chǔ)，采用MOXA公司的W 341-LX，其豐富的硬件資源和高穩(wěn)定性適合工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用。ARM運(yùn)算存儲(chǔ)器通過(guò)RS485總線，采用主從方式讀取所有無(wú)線數(shù)據(jù)收集器的溫度數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后保存所有數(shù)據(jù)到SD卡中。

3 系統(tǒng)通信協(xié)議

整個(gè)系統(tǒng)由無(wú)線通信和有線通信組成，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性，定義無(wú)線數(shù)據(jù)包協(xié)議和串行RS485數(shù)據(jù)包協(xié)議。

3.1 無(wú)線數(shù)據(jù)包協(xié)議

無(wú)線芯片CC1110定義了固定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)包協(xié)議和可變長(zhǎng)度數(shù)據(jù)包協(xié)議兩種數(shù)據(jù)包協(xié)議[8]。本設(shè)計(jì)采用如圖4所示的可變長(zhǎng)度數(shù)據(jù)包協(xié)議。其中，前導(dǎo)字、同步字、CRC校驗(yàn)碼以及去白操作都是由無(wú)線模塊特殊功能寄存器配置后硬件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。TI公司專門(mén)提供了專用軟件工具SmartRF Studio實(shí)現(xiàn)無(wú)線功能的配置，提高了無(wú)線通信的可靠性，降低了應(yīng)用無(wú)線技術(shù)的門(mén)檻。數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度字節(jié)是數(shù)據(jù)包內(nèi)容的實(shí)際長(zhǎng)度，內(nèi)容遵循特定的數(shù)據(jù)規(guī)范，由中心節(jié)點(diǎn)地址、溫度節(jié)點(diǎn)地址、控制命令字和溫度數(shù)據(jù)組成，溫度數(shù)據(jù)以壓縮BCD碼的格式傳送。

圖4 無(wú)線數(shù)據(jù)包協(xié)議

3.2 串行RS485數(shù)據(jù)包協(xié)議

ARM運(yùn)算存儲(chǔ)器與無(wú)線數(shù)據(jù)收集器之間的通信采用串行RS485數(shù)據(jù)包協(xié)議，如圖5所示。該數(shù)據(jù)包協(xié)議的前導(dǎo)字、幀起始符和結(jié)束符內(nèi)容固定不變，其他域的內(nèi)容是變化的。控制命令字有兩組：請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)、請(qǐng)求發(fā)送節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)。數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為數(shù)據(jù)包內(nèi)容的實(shí)際長(zhǎng)度，數(shù)據(jù)包內(nèi)容是單個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的溫度數(shù)據(jù)及通信和電源狀態(tài)信息。該協(xié)議還采用了軟件CS校驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和通信的可靠性。

圖5 串行RS485數(shù)據(jù)包協(xié)議

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于CC1110無(wú)線單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)使用IAR V7.20H集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和SmartRF Studio 6.5.1無(wú)線配置軟件實(shí)現(xiàn)。ARM運(yùn)算存儲(chǔ)器的軟件設(shè)計(jì)[9]是在Linux操作系統(tǒng)Red Hat 9下完成的，軟件編輯采用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言，通過(guò)arm-linux-gcc交叉編譯環(huán)境編譯產(chǎn)生開(kāi)發(fā)板可執(zhí)行文件。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信[10]采用時(shí)分多址（TDMA）和主從通信相結(jié)合的方式，這種方式避免了TDMA方式需要精確的定時(shí)和中心節(jié)點(diǎn)的可控性差兩個(gè)缺點(diǎn)，其通信狀態(tài)圖如圖6所示。無(wú)線數(shù)據(jù)收集器首先發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)，然后進(jìn)入接收狀態(tài)接收數(shù)據(jù)。無(wú)線溫度采集器在接收到請(qǐng)求信號(hào)后，發(fā)送溫度和電源狀態(tài)數(shù)據(jù)。然而，在構(gòu)建多個(gè)相似的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)會(huì)出現(xiàn)交叉干擾現(xiàn)象，為避免這種干擾、提高通信可靠性，采用固定信道分配技術(shù)[5-6]給每個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分配固定的信道，其信道帶寬為200 kHz。

圖6 無(wú)線通信狀態(tài)圖

4.1 溫度數(shù)據(jù)采集算法

溫度采集應(yīng)用分段線性化處理[11]，各段溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Ymv使用中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾波法），對(duì) 10個(gè)測(cè)量值去掉最大值和最小值，然后求其平均值，如式（1）所示。溫度有效數(shù)據(jù)ytv（n）采用誤差修正法，如（2）所示，其系數(shù)α是逼近系數(shù)，它的取值影響溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。當(dāng)α取值較大時(shí)，實(shí)時(shí)性好，有效數(shù)據(jù)可以很快地逼近實(shí)際溫度值；當(dāng)α取值較小時(shí)，則穩(wěn)定性好，有效數(shù)據(jù)受測(cè)量誤差數(shù)據(jù)變化的影響小。

其中，X（1）≤X（2）≤…≤X（N），N=10

4.2 無(wú)線通信軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線通信軟件設(shè)計(jì)[7，10]包括無(wú)線數(shù)據(jù)收集器軟件設(shè)計(jì)和無(wú)線溫度采集器軟件設(shè)計(jì)兩部分，其流程圖如圖7所示。無(wú)線數(shù)據(jù)收集器首先設(shè)置無(wú)線通信溫度節(jié)點(diǎn)地址，然后輪詢本網(wǎng)絡(luò)的溫度節(jié)點(diǎn)，完成溫度和電源狀態(tài)數(shù)據(jù)收集，并判決無(wú)線節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)。同時(shí)在輪詢期間檢測(cè)ARM運(yùn)算存儲(chǔ)器的請(qǐng)求信號(hào)，判斷請(qǐng)求并發(fā)送數(shù)據(jù)。無(wú)線溫度采集器進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，先采集溫度數(shù)據(jù)和電源狀態(tài)，然后進(jìn)入接收狀態(tài)并設(shè)置接收溢出定時(shí)器。如果在有效的接收時(shí)間內(nèi)接收到無(wú)線數(shù)據(jù)收集器的數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)，就發(fā)送溫度數(shù)據(jù)和電源狀態(tài)，關(guān)閉接收溢出定時(shí)器，并進(jìn)入休眠PM2模式，休眠5 min。

圖7 無(wú)線通信軟件流程圖

4.3 ARM開(kāi)發(fā)板軟件設(shè)計(jì)

ARM開(kāi)發(fā)板主要完成對(duì)多個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集和存儲(chǔ)[9]。 軟件主要由三部分組成：（1）主程序設(shè)計(jì)。軟件調(diào)用setitimer和signal函數(shù)設(shè)置定時(shí)器，當(dāng)執(zhí)行到達(dá)定時(shí)時(shí)間時(shí)就觸發(fā)執(zhí)行ARM開(kāi)發(fā)板與中心節(jié)點(diǎn)通信子函數(shù)和溫度數(shù)據(jù)保存子函數(shù)。（2）ARM開(kāi)發(fā)板與中心節(jié)點(diǎn)通信子函數(shù)，其按照串行RS485通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)。（3）溫度數(shù)據(jù)保存子函數(shù)，將RS485通信的數(shù)據(jù)內(nèi)容保存成文本文件，其中用到文件操作的相關(guān)函數(shù)fopen、fclose和fwrite等。

5 測(cè)試結(jié)果

5.1 無(wú)線通信測(cè)試結(jié)果

無(wú)線通信在實(shí)驗(yàn)樓測(cè)試，每組10個(gè)無(wú)線溫度采集器，隔墻距離無(wú)線數(shù)據(jù)收集器15 m，通信600次，分別進(jìn)行單無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、單無(wú)線休眠網(wǎng)絡(luò)以及兩個(gè)無(wú)線休眠網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試，記錄丟包率結(jié)果如圖8所示。測(cè)試結(jié)果表明，無(wú)線通信可靠性在90%以上，連續(xù)3次丟包率低于5%，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間沒(méi)有數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏數(shù)默F(xiàn)象。

圖8 無(wú)線通信測(cè)試結(jié)果圖

5.2 節(jié)點(diǎn)溫度測(cè)試結(jié)果

通過(guò)10個(gè)校準(zhǔn)的溫度采集器對(duì)室溫進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明，溫度精度達(dá)到±0.5℃。

表1 無(wú)線節(jié)點(diǎn)室溫?cái)?shù)據(jù)結(jié)果（℃）

本文利用無(wú)線通信和有線通信的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線樓宇溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并在硬件和軟件中保證了系統(tǒng)的低功耗。該系統(tǒng)解決了TDMA方式對(duì)時(shí)間精度要求高和可控性差的缺點(diǎn)，同時(shí)采用固定信道分配思想使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)工作在獨(dú)立的信道空間內(nèi)。但是該系統(tǒng)在對(duì)溫度數(shù)據(jù)的可視化處理方面還需要改進(jìn)，可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)增加監(jiān)控功能。整個(gè)系統(tǒng)通信協(xié)議簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易、數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定性較好，是一項(xiàng)應(yīng)用性較強(qiáng)的新技術(shù)。

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