ISM频段无线热计量传感器网络节点模块的设计与开发

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(辽宁装备制造职业技术学院 自动控制工程学院，沈阳 110161)

ISM频段无线热计量传感器网络节点模块的设计与开发

林，魏海波

(辽宁装备制造职业技术学院自动控制工程学院，沈阳110161)

针对智能住宅建筑能效监管需求和现有热计量系统布线成本高、改造难度大的问题，将ISM频段无线收发芯片应用于无线热计量数据的传输过程中，对热计量传感器网络基本结构和工作原理进行了研究，开发了一种无线热计量数据传感器网络节点模块，设计了该节点模块的基本结构和主要电路，并重点介绍了其SPI接口连接方式及数据传输方法、无线收发芯片寄存器读写控制和热计量数据的无线收发过程；实验结果表明，所设计的无线热计量传感器网络节点模块在保证热计量数据稳定、可靠采集传输的同时，大大地增加了热计量传感器网络的灵活性和适用性，为住宅建筑能效数据的智能化采集、传输和管理提供了一种经济、高效的解决方法。

热计量；传感器网络；ISM

0 引言

近年来，随着我国物联网、建筑智能化技术的持续发展和节能意识的不断提高，我国已在《中华人民共和国节约能源法》中明确要求对实行集中供热的建筑分步骤实行供热分户计量、按照用热量收费的制度要求，在2015年11月开始颁布实施的GB50314-2015《智能建筑设计标准》中也明确提出了住宅建筑应配备建筑能效监管系统，并满足住宅建筑物业的规范化运营管理要求，这对我国建筑用热计量也提出了更高的技术要求。我国现有热计量系统一般采用有线方式对热量表数据进行采集和集中，并通过GPRS模块上传至远端服务器处理，这种方法增加了建筑内部的布线成本和复杂程度，特别是对于老旧建筑的热计量系统改造增加了极大的难度，而使用ISM频段无线节点模块组成的热计量传感器网络具有结构简单、部署灵活、价格低廉和适应性强等特点，因此，特别适合我国现有热计量系统的改造，且能够有效地保证热计量数据的智能化采集、传输和管理。

1 无线热计量传感器网络基本结构及工作原理

ISM频段无线热计量传感器网络主要由传感器前端、无线网络节点模块和无线汇集节点模块三部分组成，其基本结构如图1所示。

图1 无线热计量传感器网络基本结构

其中，传感器前端中的流量传感器、进回水配对温度传感器首先对某一时间段内的流量、温度信号进行采集，并经处理器计算后得到热交换系统所释放的热量，具体计算方法如下：

(1)

式中,Q为系统释放热量，单位为J；qv为水流的体积流量，单位为m3/h；h1、h2为出口和入口温度下水的热焓值，单位为J/kg；ρ1、ρ2为出口和入口温度下水的密度，单位为kg/m3；t为水流流经时间,单位为h。

此外，在由网络节点和汇集节点组成的无线热计量传感器网络中，主要依靠各节点的不同地址对传感器网络结构进行划分以实现其不同功能，首先，安装在用户内部的无线网络节点模块采集传感器前端所提供的热计量数据，通过添加前导字节、地址字节、控制信号和CRC校验字节并进行调制后，利用发射电路将数据上传至汇集节点；汇集节点负责对整个单体建筑内部或一定范围内的网络节点数据进行汇集，并通过GPRS模块将数据上传至远端服务器进行处理，在特殊情况下，汇集节点还可以通过形成无线传感器多跳网络延长数据传输距离，以补偿ISM频段对于模块传输距离限制。

2 无线热计量网络节点模块的设计

本系统所采用的无线热计量网络节点模块主要由以STC89C52单片机为核心的处理电路和由CC1101芯片组成的无线射频收发电路构成，其主要功能是采集传感器前端的输出信号，并对其进行无线传输。

图3 网络节点模块SPI接口数据传输流程

CC1101芯片是美国TI公司生产的一款低功耗短距离无线收发芯片，该芯片具有体积小、灵敏度高、功耗极低和价格便宜等特点，所以被广泛应用在自动抄表、远程监控和无线传感器网络中，通过配合外围电路，CC1101芯片可以工作在本系统所使用的433 MHz在内的315、868和915 MHz四个ISM频段。ISM频段(Industrial Scientific Medical Band)是世界各国开放给工业、科学和医用所使用的开放频段，用户在使用该频段进行数据传输时不需要使用许可，只需在使用时限制节点模块的发射功率在1 W以下，以避免对其它设备造成干扰。

由于在同一建筑内部的热计量用户具有距离相对较近、网络结构简单、节点移动少、数据传输量小的特点，所以在无线网络节点模块中使用CC1101芯片既能满足无线热计量网络对于近距离数据传输的要求，又可以免对其它设备造成干扰，同时还可以大幅度地降低系统整体功耗，使整个传感器网络具有更长的工作寿命。

无线热计量网络节点模块的基本电路结构如图2所示。

图2 无线热计量网络节点模块基本电路结构

3 无线热计量网络节点模块的SPI接口

在无线热计量网络节点模块中，CC1101芯片共有20个引脚，模块使用其SCLK、SO(GDO1)、CSn和SI引脚组成4线SPI接口与单片机进行通信，并通过SPI接口对寄存器的读写操作来完成芯片寄存器配置、命令滤波、状态监控和数据传输等功能，SPI接口引脚功能以及与单片机对应引脚如表1所示。

表1 无线热计量模块SPI接口

在节点模块进行数据传输时，根据CC1101芯片使用要求，单片机作为主设备首先在使片选信号CSn变低有效后等待从设备CC1101芯片的SO引脚信号变低，此时说明芯片内部稳定；在此之后，单片机通过SPI接口对CC1101芯片内部寄存器进行读写(由SI引脚输出读写控制头字节和单片机要发送数据，并由SO引脚输入芯片状态字节和芯片内部寄存器数据)以实现主从设备之间的数据传输，使用SPI接口传输字节程序流程如图3所示。

4 无线热计量网络节点数据的读写

在无线热计量网络节点中，计量数据、配置信息、控制命令和状态数据的发送与接收是通过单片机对CC1101芯片内部的配置寄存器、命令滤波寄存器、状态寄存器、收发FIFO和功率配置表PATABLE五种寄存器的读写操作完成的，一般包括发送头字节数据和发送/接收数据两个过程。

在单片机通过SPI接口读写寄存器时，首先要发送8位头字节以确定操作类型、操作方式和操作所对应的寄存器地址，其基本形式如图4所示。

图4 头字节基本形式

在头字节中，Bit7为读写控制位，该位为1时为读相应地址寄存器的内容，为0时则将写相应地址寄存器；Bit6为突发访问(Burst)位，当该位为0时单字节访问寄存器，为1时则进行突发访问，所谓突发访问是指将(Bit5～Bit0)的寄存器地址作为首地址连续读写寄存器，每次访问后地址自动加1，然后再继续进行多次寄存器读写操作；Bit5～Bit0为读写操作的对象寄存器，因CC1101芯片寄存器地址范围为0x00(0000 0000)～0x3F(0011 1111)，范围内寄存器地址的最高两位均为0，故只需使用5位地址即可对寄存器进行区分，因此，头字节中所包含的地址位数一共有5位。

芯片CC1101的配置寄存器共有47个，地址范围是0x00～0x2E，主要包含了芯片在工作过程中的配置信息，单片机可以对其进行单字节或突发读写操作，以设置芯片的地址、工作频率、收发FIFO门限和数据包长度等信息，单字节访问方式写配置寄存器及突发访问方式读配置寄存器程序流程如图5(a)、(b)所示。

图5 配置寄存器程序读写程序流程

在上述流程中，在使用单字节访问方式写寄存器时，头字节中Bit7和Bit6均为0，而寄存器的地址最高两位本身为0，故不用进行特殊处理，可直接使用寄存器地址作为头字节；但在使用突发访问方式读寄存器时，Bit7和Bit6均应为1，故需将突发读命令(1100 0000)与寄存器地址做或操作并写入头字节中，其它读写方式及命令如表2所示。

表2 CC1101寄存器读写命令

芯片CC1101的命令滤波寄存器共有14个，地址范围是0x30～0x3D，当单片机对该类寄存器进行写操作时，只发送头字节(无需发送数据)即可启动芯片内部命令，使芯片启动无线热计量数据收发、复位、清空FIFO寄存器和进入空闲模式等操作，而除掉电模式命令和关闭晶振以外，所有的指令都会在命令发送后立即执行。

芯片CC1101的状态寄存器共有14个，地址范围是0x30～0x3D，其内部主要包含了芯片当前的工作状态信息，如版本号、接收信号强度、WOR计数器状态和FIFO寄存器中字节数等信息，此类寄存器为只读寄存器，可以通过突发访问方式的读操作完成芯片状态读取。需要说明的是由于芯片CC1101的命令滤波寄存器和状态寄存器的地址范围相同，在读写过程为了区分这两类寄存器，一般通过头字节中的突发访问位Bit6进行识别(单字节方式写命令滤波寄存器，突发访问方式读状态寄存器)。

芯片CC1101内部还包含了2个64字节FIFO，作为热计量数据收发的存储空间，其中一个为64字节只写的发送FIFO，另外一个为64字节只读的接收FIFO，地址均为0x3F，可以使用单字节或突发访问方式进行数据读写。当头字节中的Bit7为1时，访问接收FIFO，单片机读出芯片所接收的热计量数据；而当Bit7为0时，访问发送FIFO，单片机将所要发送的热计量数据写入芯片。此外，在芯片CC1101内部的功率配置表PATABLE为8字节表格，主要用于配置芯片在不同频率、调制方式下的功率放大器参数，可以通过地址0x3E进行访问。

5 无线热计量网络节点数据的收发

无线热计量网络节点数据的收发是通过CC1101芯片的无线数据包收发实现的，其数据包格式如图6所示。

图6 无线热计量数据包格式

在数据包中，前导字节为16位0、1交替序列，无线热计量网络节点将在数据发送时自动添加前导字节、同步字节和CRC校验码，当接收节点检测到前导信号时将利用芯片CC1101所提供的电磁波唤醒(WOR)功能启动芯片接收同步字节并确认地址字节中所包含的信号是否为本节点地址，如果为本节点地址则将继续接收热计量数据或控制信号，并在进行CRC校验后将其存至接收FIFO。

无线热计量网络节点数据的发送时，单片机首先应通过SPI接口向发送FIFO寄存器写入长度值，然后再写入所要发送的数据，此后再通过向命令寄存器STX写入的头字节激活发送命令来发送数据，当收到由CC1101芯片GDO0引脚输入的状态数据表明发送完成后，再利用命令寄存器SFXT头字节写入清空发送FIFO；在接收数据时，单片机首先向命令寄存器SRX写入头字节，启动接收，然后将热计量数据包中的地址与本节点地址比较，如果地址匹配则接收数据并进行CRC校验，在接收完成后将利用SFRX寄存器清空接收FIFO，热计量传感器网络节点数据发送和接收流程分别为图7(a)、(b)所示。

图7 热计量传感器网络节点数据发送、接收流程

6 实验结果与分析

为了测试热计量传感器网络节点的工作性能，在后期实验中分别在不同的传输距离和建筑内部结构环境下，使用发送节点模块定时发送数据，并在接收节点模块接收到该数据后将数据传回至发送节点模块，从而通过比较发送数据和接收数据以测试节点传输的可靠性(测试条件：GFSK调制模式，发射功率10 mW，通信速率76.8 kbps)，实验结果如表3所示。

表3 无线热计量传感器网络节点环境测试

通过对上述实验结果分析可得，在建筑内部，节点模块的数据传输可靠性与天线增益、所处位置以及建筑结构的复杂程度有关，在一般情况下节点模块的可靠传输距离为200 m，极限传输距离为400 m，但通过将天线引出至建筑内预留通道的方法可以增加节点的数据传输可靠距离。

另外，在后期实验中还通过读取芯片CC1101内部状态寄存器的RSSI(信号强度指示寄存器，地址：0x34)对使用433.0 MHz(ISM频段)的网络节点在不同数据传输条件下的信号强度进行了测试，测试结果如表4所示。

表4 无线热计量传感器网络节点接收信号强度测试

有实验结果表明，在传输距离较近时，通信速率对信号强度影响较小；开启FEC(前向交错)功能能够增加节点数据传输的可靠性，但同时会降低节点接收信号强度，缩短信号传输距离；节点模块在传输速率为1.2 kbps的情况下可靠数据传输距离为300 m，极限传输距离为400 m，这已经完全满足无线热计量数据传输的实际要求。

7 结束语

CC1101无线低功耗数据传输芯片具有价格低、性能稳定、使用灵活等特点，可以方便地通过对寄存器的读写操作完成传输参数设置、热计量数据的收发和芯片状态读取，满足了无线热计量数据近距离采集和传输要求，在使用由其组成的ISM频段无线热计量传感器网络节点模块进行数据采集时具有网络组织灵活、节点部署简单和传输性能可靠的特点，能够有效减少建筑内热计量系统改造难度，降低改造成本，通过配合GPRS模块和上位机软件的使用为我国智能化热计量数据管理与分析提供了一种良好的解决方案。

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DesignandDevelopmentofISMFrequencyBandHeatMeasuringNodeModuleinWirelessSensorNetwork

Lin Zhe，Wei Haibo

(Liaoning Equipment Manufacturing Vocational and Technical College , Shenyang 110161，China)

Aiming at the requirements of energy efficiency supervision in intelligent residential building and the problems of remodel difficulty and high cable laying cost in the existing heat measuring system, the ISM wireless chip was applied in heat data collection and transmission. After the research of sensor network’s structure and working principle, a wireless heat measuring node module was developed and its main circuit was designed. The SPI surface’s connection mode and data transmission method, wireless chip register read/write controlling flow, heat data’s wireless sending and receiving process was presented. The experimental results showed that the node module can not only ensure the reliability and stability of heat data’s collection and transmission but also improve the flexibility and applicability of heat measuring sensor network, which provided an economical and practical measure for intelligent building’s energy data collection, transmission and management.

heat measuring；sensor network; ISM

2017-01-19；

2017-03-24。

2015年辽宁省教育厅科学研究项目(L2015351)。

林 喆(1983-)，男，辽宁沈阳人，讲师，主要从事检测技术与自动化装置方向的研究。

魏海波(1965-)，男，黑龙江海伦人，教授级高级工程师，主要从事检测技术与自动化装置方向的研究

1671-4598(2017)09-0302-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.077

TP29

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