基于CC1110的无线楼宇温度采集系统

陶维维，刘映杰，习振华，王 强

（兰州大学 信息科学与工程学院，甘肃 兰州 730000）

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：300MHz～348MHz、391MHz～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。

图1 系统结构框图

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433MHz～464MHz、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。

图2 无线温度采集器框图

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。

图3 无线数据收集器框图

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W 341-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。

图4 无线数据包协议

3.2 串行RS485数据包协议

ARM运算存储器与无线数据收集器之间的通信采用串行RS485数据包协议，如图5所示。该数据包协议的前导字、帧起始符和结束符内容固定不变，其他域的内容是变化的。控制命令字有两组：请求发送数据和发送数据、请求发送节点通信状态和发送节点通信状态。数据包长度为数据包内容的实际长度，数据包内容是单个无线网络的温度数据及通信和电源状态信息。该协议还采用了软件CS校验，以保证数据的准确性和通信的可靠性。

图5 串行RS485数据包协议

4 系统软件设计

基于CC1110无线单片机的软件设计使用IAR V7.20H集成开发环境和SmartRF Studio 6.5.1无线配置软件实现。ARM运算存储器的软件设计[9]是在Linux操作系统Red Hat 9下完成的，软件编辑采用标准C语言，通过arm-linux-gcc交叉编译环境编译产生开发板可执行文件。

无线传感器网络通信[10]采用时分多址（TDMA）和主从通信相结合的方式，这种方式避免了TDMA方式需要精确的定时和中心节点的可控性差两个缺点，其通信状态图如图6所示。无线数据收集器首先发送请求信号，然后进入接收状态接收数据。无线温度采集器在接收到请求信号后，发送温度和电源状态数据。然而，在构建多个相似的无线传感器网络时会出现交叉干扰现象，为避免这种干扰、提高通信可靠性，采用固定信道分配技术[5-6]给每个无线网络分配固定的信道，其信道带宽为200 kHz。

图6 无线通信状态图

4.1 温度数据采集算法

温度采集应用分段线性化处理[11]，各段温度实测数据Ymv使用中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法），对 10个测量值去掉最大值和最小值，然后求其平均值，如式（1）所示。温度有效数据ytv（n）采用误差修正法，如（2）所示，其系数α是逼近系数，它的取值影响温度数据的实时性和稳定性。当α取值较大时，实时性好，有效数据可以很快地逼近实际温度值；当α取值较小时，则稳定性好，有效数据受测量误差数据变化的影响小。

其中，X（1）≤X（2）≤…≤X（N），N=10

4.2 无线通信软件设计

无线通信软件设计[7，10]包括无线数据收集器软件设计和无线温度采集器软件设计两部分，其流程图如图7所示。无线数据收集器首先设置无线通信温度节点地址，然后轮询本网络的温度节点，完成温度和电源状态数据收集，并判决无线节点的通信状态。同时在轮询期间检测ARM运算存储器的请求信号，判断请求并发送数据。无线温度采集器进入正常工作状态后，先采集温度数据和电源状态，然后进入接收状态并设置接收溢出定时器。如果在有效的接收时间内接收到无线数据收集器的数据请求信号，就发送温度数据和电源状态，关闭接收溢出定时器，并进入休眠PM2模式，休眠5 min。

图7 无线通信软件流程图

4.3 ARM开发板软件设计

ARM开发板主要完成对多个无线通信网络的数据收集和存储[9]。 软件主要由三部分组成：（1）主程序设计。软件调用setitimer和signal函数设置定时器，当执行到达定时时间时就触发执行ARM开发板与中心节点通信子函数和温度数据保存子函数。（2）ARM开发板与中心节点通信子函数，其按照串行RS485通信协议实现。（3）温度数据保存子函数，将RS485通信的数据内容保存成文本文件，其中用到文件操作的相关函数fopen、fclose和fwrite等。

5 测试结果

5.1 无线通信测试结果

无线通信在实验楼测试，每组10个无线温度采集器，隔墙距离无线数据收集器15 m，通信600次，分别进行单无线网络、单无线休眠网络以及两个无线休眠网络通信测试，记录丢包率结果如图8所示。测试结果表明，无线通信可靠性在90%以上，连续3次丢包率低于5%，无线网络之间没有数据交叉传输的现象。

图8 无线通信测试结果图

5.2 节点温度测试结果

通过10个校准的温度采集器对室温进行测量，其结果如表1所示。测试结果表明，温度精度达到±0.5℃。

表1 无线节点室温数据结果（℃）

本文利用无线通信和有线通信的优势，实现了无线楼宇温度采集系统的设计，并在硬件和软件中保证了系统的低功耗。该系统解决了TDMA方式对时间精度要求高和可控性差的缺点，同时采用固定信道分配思想使无线网络工作在独立的信道空间内。但是该系统在对温度数据的可视化处理方面还需要改进，可以通过数据库管理系统对保存的数据进行分析，同时增加监控功能。整个系统通信协议简单、实现容易、数据可靠、稳定性较好，是一项应用性较强的新技术。

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