基于CC1101 射頻模塊的路燈終端控制器節點設計

丁 欣

（廣西水利電力職業技術學院，南寧530023）

0 引言

城市路網建設日新月異，路燈系統對遠程監控的要求日趨提高，采用的通信方式是解決路燈遠程監控的關鍵問題[1]。近三十年來，我國的路燈監控系統共經歷了以下幾個階段：上世紀八十年代的220 V強電有線控制方式；九十年代中期的電話線載波方式；九十年代末期的無線數據傳輸方式；如今的GPRS/CDMA 等無線傳輸控制方式[2]。

路燈控制器節點作為具有無線收發功能的終端，是一個多跳自治系統。它作為監控系統的基本單元，不僅需要作為主機，終端運行各種用戶應用程序，還需要作為路由器，運行相應的路由協議[3]。故路燈控制節點的無線收發裝置至關重要，本文中采用的是具有低成本低功耗的無線收發芯片CC1101。下面詳細介紹路燈終端節點的設計，包含節點硬件設計和節點軟件設計。

1 路燈終端節點硬件設計

路燈終端節點的硬件體系結構如圖1 所示，主要包括MCU 控制模塊、CC1101 無線收發射頻模塊、電壓電流測量模塊、存儲模塊、電源模塊。其中控制模塊是由ARM 結構的LPC2132 作為數據采集終端MCU，支持實時仿真和嵌入式跟蹤，帶有64 KB 的高速Flash 存儲器，能夠使代碼在最大時鐘速率下運行。

圖1 路燈節點的體系結構

1.1 無線射頻模塊CC1101 設計

路燈節點的無線收發模塊是基于CC1101 無線收發芯片而設計的。CC1101 芯片是一種傳輸可靠，成本低廉，功耗小的可編程UHF 芯片。其工作頻段可以設置在315 MHz、868 MHz 兆赫茲等的ISM 和SRD 頻段，比較靈活。并且，該芯片可以提供數據緩沖、數據包處理，數據傳輸速率可達到500 KBaud，具有無線喚醒功能，傳輸最遠距離為300 ～500 m，靈敏度好，可靠性高，可在短距離無線通信領域得到廣泛應用[4]。

另外，CC1101 芯片具有以下主要性能特點：一是為方便客戶不同的要求，可軟件修改波特率，具有更強的抗干擾性，更快的數據傳輸率，更遠的傳輸距離；二是靈敏度高，電流消耗較低，無線喚醒功能；三是具有載波偵聽系統，頻率跳躍系統，標準間距接口，傳輸距離可達300 ～500 m[5]。CC1101 的數字接口部分工作參數可通過SPI 進行編程改變，可作為下載程序的模塊；模擬接口部分負責處理信號的選頻、濾波、放大。該系統采用433 MHz 頻段，無需申請許可，采用全向天線，實驗環境內無死區。其原理圖如圖2 所示。

圖2 CC1101 的芯片原理

1.2 電流電壓測量模塊

電壓測量元件為HWGS-3 微型電流互感器，當輸入電流比上輸出電流為1000:1 時，輸入電壓會達到-1.4 V，因為CC2430 的A/D 轉換只能實現0 ～3 V 的電壓轉換，因此需要電氣采集電壓1.5 V。電流測量元件為HWGS-1 微型電壓互感器，其限流電阻取200 kΩ 時，輸出的電流為1 mA，輸出的分壓電阻為540 Ω，能取得滿意的模數轉換精度[6]。另外值得注意的是，以上的分析忽略了電容，并且需要電壓電流互感器和電阻絕對精確，可實際操作中是做不到的。因此在軟件設計時，需要加入電壓電流值的校正功能，還有功率矯正功能。

圖3 電流電壓測量模塊

1.3 其他輔助模塊及存儲電路

其他電路還有電源模塊、掉電檢測模塊和存儲模塊。路燈終端控制器節點常用電壓為3.3 V、9 V，電源模塊的作用是把路燈前端的220 V，經變壓器降壓、濾波整流、TNY276 芯片得到9 V，經AMS1117 芯片得到3.3 V 電壓。掉電檢測電路為每個路燈節點都由配置，其作用是檢測路燈電壓斷電失電等情況，通過遠程監控中心實現防盜功能[7]。

路燈終端節點使用的存儲芯片是采用鐵電體存儲技術的多功能FM31XX 系列，主要包括鐵電存儲器FRAM 和處理器。該系列存儲器的讀寫操作與普通的沒有差別，同一總線上最多有4 個該芯片。

圖4 存儲電路

2 路燈終端節點軟件開發平臺

路燈終端軟件開發環境選擇的是ARM 公司的ADS，其功能搶答，前身是SDT。ADS 由四個模塊組成，分別是C 編譯器、SIMULATOR、實時調試器和應用函數庫。其中C 編譯器效率高，支持C++，方便工程師軟件開發。其編譯器調試器都有了很大的進步，編譯界面如圖5 所示。

圖5 ADS 編譯界面

ARM eXtended Debugger 即AXD 是最常用的調試工具，可進行全速運行代碼，也可以但不代碼調試。另外，CC1101 芯片可以通過SmartRF Studio 軟件進行配置，從http：//www.chipcon.com 上可以下載到。使用該軟件可以得到最優寄存器設定和評測性能及功能。串行配置和數據接口可同時用作寫和讀緩存數據，是CC1101 可以通過4 線兼容接口進行配置。SPI 接口上所有的地址和數據轉換被最先放在重要的位上處理[8]。如圖6 所示。

在路燈監控終端系統中，CC1101 的微控制器必須能控制其不同的工作模式，寫入緩沖數據，通過SPI 總線配置接口讀回狀態信息。

圖6 配置寄存器寫和讀的操作

3 路燈控制器節點實驗測試

在路燈終端控制器節點的基礎上，做出了路燈節點硬件，如圖7 所示。然后利用協議分析儀對路燈控制器進行組網、通信測試。

圖7 路燈節點硬件圖

通過測試，發現基于CC1101 射頻模塊的硬件設計、軟件設計通信可靠，解決了無線通信網絡通信不穩定的問題，規避了故障節點，提高了系統的穩定性和錯誤冗余度，通信的時延短。

4 結論

本文在無線自組網的基礎上，設計了基于MCULPC2132 控制器和無線收發射頻模塊CC1101的控制器節點，并利用ADS 軟件集成開發平臺和AXD 調試平臺進行了軟件設計，最后通過程序下載測試控制器節點能夠正常運行。路燈監控系統之于城市的照明基礎建設，是重要一環，對實現路燈的自動化、智能化、無線化控制起著關鍵的作用。路燈終端節點作為路燈監控系統的監控終端節點和監控對象，其控制器的設計也至關重要。