摘  要： 介紹了一種基于CC1110無線低功耗單片機(jī)的樓宇溫度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由無線溫度采集器、無線數(shù)據(jù)收集器以及ARM運(yùn)算存儲(chǔ)器組成。無線溫度采集器定時(shí)采集溫度和電源狀態(tài)；無線數(shù)據(jù)收集器接收所屬網(wǎng)絡(luò)中無線溫度采集器的數(shù)據(jù)；ARM運(yùn)算存儲(chǔ)器對(duì)多個(gè)無線數(shù)據(jù)收集器接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、運(yùn)算和存儲(chǔ)。整個(gè)系統(tǒng)具有功耗低、通信協(xié)議簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)精度高及傳輸可靠的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；溫度采集；低功耗；CC1110；PT1000

　目前，應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(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，無法滿足樓宇無線通信的要求。
　TI公司的CC1110無線單片機(jī)[3，8]工作頻率為低于1 GHz的ISM/SRD三個(gè)頻段：300 MHz~348 MHz、391 MHz~464 MHz和782 MHz~928 MHz，信號(hào)穿透性強(qiáng)、通信可靠，是樓宇無線通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的最佳選擇。無線樓宇溫度采集系統(tǒng)采用無線多跳技術(shù)[4]的思想在室內(nèi)和走廊間構(gòu)建無線傳感器網(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)無線數(shù)據(jù)收集器（中心節(jié)點(diǎn)）和m×n個(gè)無線溫度采集器（溫度節(jié)點(diǎn)）組成。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由無線溫度采集器、無線數(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 無線溫度采集器設(shè)計(jì)
　無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。無線收發(fā)電路由無線模塊通過阻抗匹配電路和發(fā)射天線收發(fā)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(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)并等待無線通信，通信完成或4 s內(nèi)無通信則進(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，無線通信功耗為30 mA。

2.2 無線數(shù)據(jù)收集器設(shè)計(jì)
　無線數(shù)據(jù)收集器主要實(shí)現(xiàn)收集本網(wǎng)絡(luò)中無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通信電路和無線收發(fā)電路組成。無線數(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)。

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W341-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RS485總線，采用主從方式讀取所有無線數(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，定義無線數(shù)據(jù)包協(xié)議和串行RS485數(shù)據(jù)包協(xié)議。
3.1 無線數(shù)據(jù)包協(xié)議
　無線芯片CC1110定義了固定長度數(shù)據(jù)包協(xié)議和可變長度數(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公司專門提供了專用軟件工具SmartRF Studio實(shí)現(xiàn)無線功能的配置，提高了無線通信的可靠性，降低了應(yīng)用無線技術(shù)的門檻。數(shù)據(jù)包長度字節(jié)是數(shù)據(jù)包內(nèi)容的實(shí)際長度，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。

3.2 串行RS485數(shù)據(jù)包協(xié)議

　ARM運(yùn)算存儲(chǔ)器與無線數(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?？刂泼钭钟袃山M：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)包長度為數(shù)據(jù)包內(nèi)容的實(shí)際長度，數(shù)據(jù)包內(nèi)容是單個(gè)無線網(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。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　基于CC1110無線單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)使用IAR V7.20H集成開發(fā)環(huán)境和SmartRF Studio 6.5.1無線配置軟件實(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語言，通過arm-linux-gcc交叉編譯環(huán)境編譯產(chǎn)生開發(fā)板可執(zhí)行文件。
　無線傳感器網(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)無線網(wǎng)絡(luò)分配固定的信道，其信道帶寬為200 kHz。


4.2 無線通信軟件設(shè)計(jì)
　無線通信軟件設(shè)計(jì)[7，10]包括無線數(shù)據(jù)收集器軟件設(shè)計(jì)和無線溫度采集器軟件設(shè)計(jì)兩部分，其流程圖如圖7所示。無線數(shù)據(jù)收集器首先設(shè)置無線通信溫度節(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。

4.3 ARM開發(fā)板軟件設(shè)計(jì)
　ARM開發(fā)板主要完成對(duì)多個(gè)無線通信網(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 無線通信測(cè)試結(jié)果
　無線通信在實(shí)驗(yàn)樓測(cè)試，每組10個(gè)無線溫度采集器，隔墻距離無線數(shù)據(jù)收集器15 m，通信600次，分別進(jìn)行單無線網(wǎng)絡(luò)、單無線休眠網(wǎng)絡(luò)以及兩個(gè)無線休眠網(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，無線通信可靠性在90%以上，連續(xù)3次丟包率低于5%，無線網(wǎng)絡(luò)之間沒有數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏數(shù)默F(xiàn)象。

5.2 節(jié)點(diǎn)溫度測(cè)試結(jié)果
　通過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 ℃。
本文利用無線通信和有線通信的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了無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)，可以通過數(shù)據(jù)庫管理系統(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)。

參考文獻(xiàn)
[1] 顧瑞紅，張宏科.基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2005（6）：1-3.
[2] 卓力，沈蘭蓀.藍(lán)牙技術(shù)——一種短距離的無線連接技術(shù)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2001（3）：6-9.
[3] 李文仲，段朝玉.CC1110/CC2510無線單片機(jī)和無線自組網(wǎng)絡(luò)入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.
[4] Fang Waichi， Lin Tsung-Hsien. Low-power radio design for wireless smart sensor networks[C]. International Conference on Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing（IIH-MSP’06）， Pasadena， California， USA， 2006：583-586.
[5] 王沁，萬亞東，段世紅，等.一種高可靠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)跳頻算法[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2008，31（9）：1735-1741.
[6] JEONGHOON Mo， SO H-S W， WALRAND J. Comparison of multi-channal MAC protocols[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing， 2008，7（1）：209-218
[7] 馬耀輝，朱青，盛海波，等.基于CC1110微功率無線采集器的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2010，19（4）：212-215.
[8] Texas Instruments.CC1110 preliminary data sheet（Rev 1.01）[Z].2006.
[9] 何永琪，楊紅濤，焦悅光，等.嵌入式Linux系統(tǒng)使用開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.
[10] 楊鵬云，佟云峰，宋學(xué)青，等.基于CC1110的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線通信系統(tǒng)[J].云南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，31（S2）：304-307.
[11] 張修太，胡雪惠，翟亞芳，等.基于PT100的高精度溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（6）：812-815.