基于CC1101 射频模块的路灯终端控制器节点设计

丁 欣

（广西水利电力职业技术学院，南宁530023）

0 引言

城市路网建设日新月异，路灯系统对远程监控的要求日趋提高，采用的通信方式是解决路灯远程监控的关键问题[1]。近三十年来，我国的路灯监控系统共经历了以下几个阶段：上世纪八十年代的220 V强电有线控制方式；九十年代中期的电话线载波方式；九十年代末期的无线数据传输方式；如今的GPRS/CDMA 等无线传输控制方式[2]。

路灯控制器节点作为具有无线收发功能的终端，是一个多跳自治系统。它作为监控系统的基本单元，不仅需要作为主机，终端运行各种用户应用程序，还需要作为路由器，运行相应的路由协议[3]。故路灯控制节点的无线收发装置至关重要，本文中采用的是具有低成本低功耗的无线收发芯片CC1101。下面详细介绍路灯终端节点的设计，包含节点硬件设计和节点软件设计。

1 路灯终端节点硬件设计

路灯终端节点的硬件体系结构如图1 所示，主要包括MCU 控制模块、CC1101 无线收发射频模块、电压电流测量模块、存储模块、电源模块。其中控制模块是由ARM 结构的LPC2132 作为数据采集终端MCU，支持实时仿真和嵌入式跟踪，带有64 KB 的高速Flash 存储器，能够使代码在最大时钟速率下运行。

图1 路灯节点的体系结构

1.1 无线射频模块CC1101 设计

路灯节点的无线收发模块是基于CC1101 无线收发芯片而设计的。CC1101 芯片是一种传输可靠，成本低廉，功耗小的可编程UHF 芯片。其工作频段可以设置在315 MHz、868 MHz 兆赫兹等的ISM 和SRD 频段，比较灵活。并且，该芯片可以提供数据缓冲、数据包处理，数据传输速率可达到500 KBaud，具有无线唤醒功能，传输最远距离为300 ～500 m，灵敏度好，可靠性高，可在短距离无线通信领域得到广泛应用[4]。

另外，CC1101 芯片具有以下主要性能特点：一是为方便客户不同的要求，可软件修改波特率，具有更强的抗干扰性，更快的数据传输率，更远的传输距离；二是灵敏度高，电流消耗较低，无线唤醒功能；三是具有载波侦听系统，频率跳跃系统，标准间距接口，传输距离可达300 ～500 m[5]。CC1101 的数字接口部分工作参数可通过SPI 进行编程改变，可作为下载程序的模块；模拟接口部分负责处理信号的选频、滤波、放大。该系统采用433 MHz 频段，无需申请许可，采用全向天线，实验环境内无死区。其原理图如图2 所示。

图2 CC1101 的芯片原理

1.2 电流电压测量模块

电压测量元件为HWGS-3 微型电流互感器，当输入电流比上输出电流为1000:1 时，输入电压会达到-1.4 V，因为CC2430 的A/D 转换只能实现0 ～3 V 的电压转换，因此需要电气采集电压1.5 V。电流测量元件为HWGS-1 微型电压互感器，其限流电阻取200 kΩ 时，输出的电流为1 mA，输出的分压电阻为540 Ω，能取得满意的模数转换精度[6]。另外值得注意的是，以上的分析忽略了电容，并且需要电压电流互感器和电阻绝对精确，可实际操作中是做不到的。因此在软件设计时，需要加入电压电流值的校正功能，还有功率矫正功能。

图3 电流电压测量模块

1.3 其他辅助模块及存储电路

其他电路还有电源模块、掉电检测模块和存储模块。路灯终端控制器节点常用电压为3.3 V、9 V，电源模块的作用是把路灯前端的220 V，经变压器降压、滤波整流、TNY276 芯片得到9 V，经AMS1117 芯片得到3.3 V 电压。掉电检测电路为每个路灯节点都由配置，其作用是检测路灯电压断电失电等情况，通过远程监控中心实现防盗功能[7]。

路灯终端节点使用的存储芯片是采用铁电体存储技术的多功能FM31XX 系列，主要包括铁电存储器FRAM 和处理器。该系列存储器的读写操作与普通的没有差别，同一总线上最多有4 个该芯片。

图4 存储电路

2 路灯终端节点软件开发平台

路灯终端软件开发环境选择的是ARM 公司的ADS，其功能抢答，前身是SDT。ADS 由四个模块组成，分别是C 编译器、SIMULATOR、实时调试器和应用函数库。其中C 编译器效率高，支持C++，方便工程师软件开发。其编译器调试器都有了很大的进步，编译界面如图5 所示。

图5 ADS 编译界面

ARM eXtended Debugger 即AXD 是最常用的调试工具，可进行全速运行代码，也可以但不代码调试。另外，CC1101 芯片可以通过SmartRF Studio 软件进行配置，从http：//www.chipcon.com 上可以下载到。使用该软件可以得到最优寄存器设定和评测性能及功能。串行配置和数据接口可同时用作写和读缓存数据，是CC1101 可以通过4 线兼容接口进行配置。SPI 接口上所有的地址和数据转换被最先放在重要的位上处理[8]。如图6 所示。

在路灯监控终端系统中，CC1101 的微控制器必须能控制其不同的工作模式，写入缓冲数据，通过SPI 总线配置接口读回状态信息。

图6 配置寄存器写和读的操作

3 路灯控制器节点实验测试

在路灯终端控制器节点的基础上，做出了路灯节点硬件，如图7 所示。然后利用协议分析仪对路灯控制器进行组网、通信测试。

图7 路灯节点硬件图

通过测试，发现基于CC1101 射频模块的硬件设计、软件设计通信可靠，解决了无线通信网络通信不稳定的问题，规避了故障节点，提高了系统的稳定性和错误冗余度，通信的时延短。

4 结论

本文在无线自组网的基础上，设计了基于MCULPC2132 控制器和无线收发射频模块CC1101的控制器节点，并利用ADS 软件集成开发平台和AXD 调试平台进行了软件设计，最后通过程序下载测试控制器节点能够正常运行。路灯监控系统之于城市的照明基础建设，是重要一环，对实现路灯的自动化、智能化、无线化控制起着关键的作用。路灯终端节点作为路灯监控系统的监控终端节点和监控对象，其控制器的设计也至关重要。