摘 要： 介紹了一種基于CC1110無線低功耗單片機的樓宇溫度采集系統。該系統主要由無線溫度采集器、無線數據收集器以及ARM運算存儲器組成。無線溫度采集器定時采集溫度和電源狀態；無線數據收集器接收所屬網絡中無線溫度采集器的數據；ARM運算存儲器對多個無線數據收集器接收的數據進行讀取、運算和存儲。整個系統具有功耗低、通信協議簡單、數據精度高及傳輸可靠的特點。
關鍵詞： 無線傳感器網絡；溫度采集；低功耗；CC1110；PT1000
目前，應用于無線傳感器網絡的無線通信技術主要有ZigBee[1]、藍牙[2]等，這些技術在可靠通信距離、數據傳輸速率、信道數量、信道帶寬以及功耗等方面制約其應用。樓宇無線通信主要受復雜環境、信號穿透能力以及可靠通信距離三方面的制約。然而，ZigBee和藍牙工作頻段在2.4 GHz~2.5 GHz之間，信號穿透能力差，可靠通信距離短，無法滿足樓宇無線通信的要求。
TI公司的CC1110無線單片機[3，8]工作頻率為低于1 GHz的ISM/SRD三個頻段：300 MHz~348 MHz、391 MHz~464 MHz和782 MHz~928 MHz，信號穿透性強、通信可靠，是樓宇無線通信節點設計的最佳選擇。無線樓宇溫度采集系統采用無線多跳技術[4]的思想在室內和走廊間構建無線傳感器網絡以降低系統功耗和硬件設計復雜度，完成溫度數據的收集。同時，為了提高系統通信可靠性，避免無線傳感器網絡之間的干擾，采用固定頻道分配技術[5-6]。最后，將溫度數據通過RS485總線存儲在ARM運算存儲器的SD卡中，以便于進行分析、監控使用。
1 系統總體設計
無線樓宇溫度采集系統結構框圖如圖1所示，整個系統由ARM運算存儲器、m個無線數據收集器（中心節點）和m×n個無線溫度采集器（溫度節點）組成。
2 系統硬件設計
整個系統硬件設計由無線溫度采集器、無線數據收集器[7]和ARM運算存儲器組成，選用COMS芯片實現低功耗[4]。
2.1 無線溫度采集器設計
無線溫度采集器主要實現溫度數據的采集、電源狀態測量及發送，由溫度采集電路、電源穩壓電路、狀態指示電路和無線收發電路組成，整體框圖如圖2所示。溫度采集電路通過高精度接觸式PT1000傳感器、電橋電路、差分放大電路處理后再由單片機測量得到溫度值。電源穩壓電路為溫度采集電路和狀態指示電路提供2.7 V工作電壓。無線收發電路由無線模塊通過阻抗匹配電路和發射天線收發信息，工作頻段為433 MHz~464 MHz、傳輸速率為2.4 Kb/s。無線溫度采集器由兩節5號干電池直接供電，定時休眠5 min后使能穩壓電路、采集溫度和電源狀態并等待無線通信，通信完成或4 s內無通信則進入休眠PM2狀態。系統休眠期間功耗為1 μA，正常工作功耗為9.4 mA，無線通信功耗為30 mA。
2.2 無線數據收集器設計
無線數據收集器主要實現收集本網絡中無線溫度采集器的溫度數據和ARM運算存儲器的RS485通信功能，由電源穩壓電路、狀態指示電路、RS485通信電路和無線收發電路組成。無線數據收集器框圖如圖3所示。電源穩壓電路為系統提供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個通信節點。
2.3 ARM運算存儲器設計
ARM運算存儲器主要完成溫度數據的讀取、運算和存儲，采用MOXA公司的W341-LX，其豐富的硬件資源和高穩定性適合工業控制系統應用。ARM運算存儲器通過RS485總線，采用主從方式讀取所有無線數據收集器的溫度數據和狀態數據，經過運算后保存所有數據到SD卡中。
3 系統通信協議
整個系統由無線通信和有線通信組成，為保證數據傳輸的可靠性和準確性，定義無線數據包協議和串行RS485數據包協議。
3.1 無線數據包協議
無線芯片CC1110定義了固定長度數據包協議和可變長度數據包協議兩種數據包協議[8]。本設計采用如圖4所示的可變長度數據包協議。其中，前導字、同步字、CRC校驗碼以及去白操作都是由無線模塊特殊功能寄存器配置后硬件自動實現的。TI公司專門提供了專用軟件工具SmartRF Studio實現無線功能的配置，提高了無線通信的可靠性，降低了應用無線技術的門檻。數據包長度字節是數據包內容的實際長度，內容遵循特定的數據規范，由中心節點地址、溫度節點地址、控制命令字和溫度數據組成，溫度數據以壓縮BCD碼的格式傳送。
3.2 串行RS485數據包協議
ARM運算存儲器與無線數據收集器之間的通信采用串行RS485數據包協議，如圖5所示。該數據包協議的前導字、幀起始符和結束符內容固定不變，其他域的內容是變化的。控制命令字有兩組：請求發送數據和發送數據、請求發送節點通信狀態和發送節點通信狀態。數據包長度為數據包內容的實際長度，數據包內容是單個無線網絡的溫度數據及通信和電源狀態信息。該協議還采用了軟件CS校驗，以保證數據的準確性和通信的可靠性。
4 系統軟件設計
基于CC1110無線單片機的軟件設計使用IAR V7.20H集成開發環境和SmartRF Studio 6.5.1無線配置軟件實現。ARM運算存儲器的軟件設計[9]是在Linux操作系統Red Hat 9下完成的，軟件編輯采用標準C語言，通過arm-linux-gcc交叉編譯環境編譯產生開發板可執行文件。
無線傳感器網絡通信[10]采用時分多址（TDMA）和主從通信相結合的方式，這種方式避免了TDMA方式需要精確的定時和中心節點的可控性差兩個缺點，其通信狀態圖如圖6所示。無線數據收集器首先發送請求信號，然后進入接收狀態接收數據。無線溫度采集器在接收到請求信號后，發送溫度和電源狀態數據。然而，在構建多個相似的無線傳感器網絡時會出現交叉干擾現象，為避免這種干擾、提高通信可靠性，采用固定信道分配技術[5-6]給每個無線網絡分配固定的信道，其信道帶寬為200 kHz。
4.2 無線通信軟件設計
無線通信軟件設計[7，10]包括無線數據收集器軟件設計和無線溫度采集器軟件設計兩部分，其流程圖如圖7所示。無線數據收集器首先設置無線通信溫度節點地址，然后輪詢本網絡的溫度節點，完成溫度和電源狀態數據收集，并判決無線節點的通信狀態。同時在輪詢期間檢測ARM運算存儲器的請求信號，判斷請求并發送數據。無線溫度采集器進入正常工作狀態后，先采集溫度數據和電源狀態，然后進入接收狀態并設置接收溢出定時器。如果在有效的接收時間內接收到無線數據收集器的數據請求信號，就發送溫度數據和電源狀態，關閉接收溢出定時器，并進入休眠PM2模式，休眠5 min。
4.3 ARM開發板軟件設計
ARM開發板主要完成對多個無線通信網絡的數據收集和存儲[9]。軟件主要由三部分組成：（1）主程序設計。軟件調用setitimer和signal函數設置定時器，當執行到達定時時間時就觸發執行ARM開發板與中心節點通信子函數和溫度數據保存子函數。（2）ARM開發板與中心節點通信子函數，其按照串行RS485通信協議實現。（3）溫度數據保存子函數，將RS485通信的數據內容保存成文本文件，其中用到文件操作的相關函數fopen、fclose和fwrite等。
5 測試結果
5.1 無線通信測試結果
無線通信在實驗樓測試，每組10個無線溫度采集器，隔墻距離無線數據收集器15 m，通信600次，分別進行單無線網絡、單無線休眠網絡以及兩個無線休眠網絡通信測試，記錄丟包率結果如圖8所示。測試結果表明，無線通信可靠性在90%以上，連續3次丟包率低于5%，無線網絡之間沒有數據交叉傳輸的現象。
5.2 節點溫度測試結果
通過10個校準的溫度采集器對室溫進行測量，其結果如表1所示。測試結果表明，溫度精度達到±0.5 ℃。
本文利用無線通信和有線通信的優勢，實現了無線樓宇溫度采集系統的設計，并在硬件和軟件中保證了系統的低功耗。該系統解決了TDMA方式對時間精度要求高和可控性差的缺點，同時采用固定信道分配思想使無線網絡工作在獨立的信道空間內。但是該系統在對溫度數據的可視化處理方面還需要改進，可以通過數據庫管理系統對保存的數據進行分析，同時增加監控功能。整個系統通信協議簡單、實現容易、數據可靠、穩定性較好，是一項應用性較強的新技術。
參考文獻
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