基于CC1110的无线楼宇温度采集系统

摘  要： 介绍了一种基于CC1110无线低功耗单片机的楼宇温度采集系统。该系统主要由无线温度采集器、无线数据收集器以及ARM运算存储器组成。无线温度采集器定时采集温度和电源状态；无线数据收集器接收所属网络中无线温度采集器的数据；ARM运算存储器对多个无线数据收集器接收的数据进行读取、运算和存储。整个系统具有功耗低、通信协议简单、数据精度高及传输可靠的特点。
关键词： 无线传感器网络；温度采集；低功耗；CC1110；PT1000
   　目前，应用于无线传感器网络的无线通信技术主要有ZigBee[1]、蓝牙[2]等，这些技术在可靠通信距离、数据传输速率、信道数量、信道带宽以及功耗等方面制约其应用。楼宇无线通信主要受复杂环境、信号穿透能力以及可靠通信距离三方面的制约。然而，ZigBee和蓝牙工作频段在2.4 GHz~2.5 GHz之间，信号穿透能力差，可靠通信距离短，无法满足楼宇无线通信的要求。
　TI公司的CC1110无线单片机[3，8]工作频率为低于1 GHz的ISM/SRD三个频段：300 MHz~348 MHz、391 MHz~464 MHz和782 MHz~928 MHz，信号穿透性强、通信可靠，是楼宇无线通信节点设计的最佳选择。无线楼宇温度采集系统采用无线多跳技术[4]的思想在室内和走廊间构建无线传感器网络以降低系统功耗和硬件设计复杂度，完成温度数据的收集。同时，为了提高系统通信可靠性，避免无线传感器网络之间的干扰，采用固定频道分配技术[5-6]。最后，将温度数据通过RS485总线存储在ARM运算存储器的SD卡中，以便于进行分析、监控使用。
1 系统总体设计
　无线楼宇温度采集系统结构框图如图1所示，整个系统由ARM运算存储器、m个无线数据收集器（中心节点）和m×n个无线温度采集器（温度节点）组成。
   
   2 系统硬件设计
　整个系统硬件设计由无线温度采集器、无线数据收集器[7]和ARM运算存储器组成，选用COMS芯片实现低功耗[4]。
2.1 无线温度采集器设计
　无线温度采集器主要实现温度数据的采集、电源状态测量及发送，由温度采集电路、电源稳压电路、状态指示电路和无线收发电路组成，整体框图如图2所示。温度采集电路通过高精度接触式PT1000传感器、电桥电路、差分放大电路处理后再由单片机测量得到温度值。电源稳压电路为温度采集电路和状态指示电路提供2.7 V工作电压。无线收发电路由无线模块通过阻抗匹配电路和发射天线收发信息，工作频段为433 MHz~464 MHz、传输速率为2.4 Kb/s。无线温度采集器由两节5号干电池直接供电，定时休眠5 min后使能稳压电路、采集温度和电源状态并等待无线通信，通信完成或4 s内无通信则进入休眠PM2状态。系统休眠期间功耗为1 μA，正常工作功耗为9.4 mA，无线通信功耗为30 mA。
   
   2.2 无线数据收集器设计
　无线数据收集器主要实现收集本网络中无线温度采集器的温度数据和ARM运算存储器的RS485通信功能，由电源稳压电路、状态指示电路、RS485通信电路和无线收发电路组成。无线数据收集器框图如图3所示。电源稳压电路为系统提供3.3 V工作电压。RS485通信电路采用MAX3485半双工通信芯片，工作传输速率为9 600 b/s，最多可连接32个通信节点。
   
   2.3 ARM运算存储器设计
　ARM运算存储器主要完成温度数据的读取、运算和存储，采用MOXA公司的W341-LX，其丰富的硬件资源和高稳定性适合工业控制系统应用。ARM运算存储器通过RS485总线，采用主从方式读取所有无线数据收集器的温度数据和状态数据，经过运算后保存所有数据到SD卡中。
3 系统通信协议
　整个系统由无线通信和有线通信组成，为保证数据传输的可靠性和准确性，定义无线数据包协议和串行RS485数据包协议。
3.1 无线数据包协议
　无线芯片CC1110定义了固定长度数据包协议和可变长度数据包协议两种数据包协议[8]。本设计采用如图4所示的可变长度数据包协议。其中，前导字、同步字、CRC校验码以及去白操作都是由无线模块特殊功能寄存器配置后硬件自动实现的。TI公司专门提供了专用软件工具SmartRF Studio实现无线功能的配置，提高了无线通信的可靠性，降低了应用无线技术的门槛。数据包长度字节是数据包内容的实际长度，内容遵循特定的数据规范，由中心节点地址、温度节点地址、控制命令字和温度数据组成，温度数据以压缩BCD码的格式传送。
   
   
3.2 串行RS485数据包协议