，

(遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動控制工程學(xué)院，沈陽 110161)

ISM頻段無線熱計量傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊的設(shè)計與開發(fā)

林，魏海波

(遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動控制工程學(xué)院，沈陽110161)

針對智能住宅建筑能效監(jiān)管需求和現(xiàn)有熱計量系統(tǒng)布線成本高、改造難度大的問題，將ISM頻段無線收發(fā)芯片應(yīng)用于無線熱計量數(shù)據(jù)的傳輸過程中，對熱計量傳感器網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了研究，開發(fā)了一種無線熱計量數(shù)據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊，設(shè)計了該節(jié)點模塊的基本結(jié)構(gòu)和主要電路，并重點介紹了其SPI接口連接方式及數(shù)據(jù)傳輸方法、無線收發(fā)芯片寄存器讀寫控制和熱計量數(shù)據(jù)的無線收發(fā)過程；實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的無線熱計量傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊在保證熱計量數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠采集傳輸?shù)耐瑫r，大大地增加了熱計量傳感器網(wǎng)絡(luò)的靈活性和適用性，為住宅建筑能效數(shù)據(jù)的智能化采集、傳輸和管理提供了一種經(jīng)濟(jì)、高效的解決方法。

熱計量；傳感器網(wǎng)絡(luò)；ISM

0 引言

近年來，隨著我國物聯(lián)網(wǎng)、建筑智能化技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和節(jié)能意識的不斷提高，我國已在《中華人民共和國節(jié)約能源法》中明確要求對實行集中供熱的建筑分步驟實行供熱分戶計量、按照用熱量收費的制度要求，在2015年11月開始頒布實施的GB50314-2015《智能建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中也明確提出了住宅建筑應(yīng)配備建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)，并滿足住宅建筑物業(yè)的規(guī)范化運營管理要求，這對我國建筑用熱計量也提出了更高的技術(shù)要求。我國現(xiàn)有熱計量系統(tǒng)一般采用有線方式對熱量表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和集中，并通過GPRS模塊上傳至遠(yuǎn)端服務(wù)器處理，這種方法增加了建筑內(nèi)部的布線成本和復(fù)雜程度，特別是對于老舊建筑的熱計量系統(tǒng)改造增加了極大的難度，而使用ISM頻段無線節(jié)點模塊組成的熱計量傳感器網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)簡單、部署靈活、價格低廉和適應(yīng)性強(qiáng)等特點，因此，特別適合我國現(xiàn)有熱計量系統(tǒng)的改造，且能夠有效地保證熱計量數(shù)據(jù)的智能化采集、傳輸和管理。

1 無線熱計量傳感器網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

ISM頻段無線熱計量傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由傳感器前端、無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊和無線匯集節(jié)點模塊三部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線熱計量傳感器網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)

其中，傳感器前端中的流量傳感器、進(jìn)回水配對溫度傳感器首先對某一時間段內(nèi)的流量、溫度信號進(jìn)行采集，并經(jīng)處理器計算后得到熱交換系統(tǒng)所釋放的熱量，具體計算方法如下：

(1)

式中,Q為系統(tǒng)釋放熱量，單位為J；qv為水流的體積流量，單位為m3/h；h1、h2為出口和入口溫度下水的熱焓值，單位為J/kg；ρ1、ρ2為出口和入口溫度下水的密度，單位為kg/m3；t為水流流經(jīng)時間,單位為h。

此外，在由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和匯集節(jié)點組成的無線熱計量傳感器網(wǎng)絡(luò)中，主要依靠各節(jié)點的不同地址對傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分以實現(xiàn)其不同功能，首先，安裝在用戶內(nèi)部的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊采集傳感器前端所提供的熱計量數(shù)據(jù)，通過添加前導(dǎo)字節(jié)、地址字節(jié)、控制信號和CRC校驗字節(jié)并進(jìn)行調(diào)制后，利用發(fā)射電路將數(shù)據(jù)上傳至匯集節(jié)點；匯集節(jié)點負(fù)責(zé)對整個單體建筑內(nèi)部或一定范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，并通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)端服務(wù)器進(jìn)行處理，在特殊情況下，匯集節(jié)點還可以通過形成無線傳感器多跳網(wǎng)絡(luò)延長數(shù)據(jù)傳輸距離，以補償ISM頻段對于模塊傳輸距離限制。

2 無線熱計量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊的設(shè)計

本系統(tǒng)所采用的無線熱計量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊主要由以STC89C52單片機(jī)為核心的處理電路和由CC1101芯片組成的無線射頻收發(fā)電路構(gòu)成，其主要功能是采集傳感器前端的輸出信號，并對其進(jìn)行無線傳輸。

圖3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊SPI接口數(shù)據(jù)傳輸流程

CC1101芯片是美國TI公司生產(chǎn)的一款低功耗短距離無線收發(fā)芯片，該芯片具有體積小、靈敏度高、功耗極低和價格便宜等特點，所以被廣泛應(yīng)用在自動抄表、遠(yuǎn)程監(jiān)控和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通過配合外圍電路，CC1101芯片可以工作在本系統(tǒng)所使用的433 MHz在內(nèi)的315、868和915 MHz四個ISM頻段。ISM頻段(Industrial Scientific Medical Band)是世界各國開放給工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用所使用的開放頻段，用戶在使用該頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時不需要使用許可，只需在使用時限制節(jié)點模塊的發(fā)射功率在1 W以下，以避免對其它設(shè)備造成干擾。

由于在同一建筑內(nèi)部的熱計量用戶具有距離相對較近、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)點移動少、數(shù)據(jù)傳輸量小的特點，所以在無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊中使用CC1101芯片既能滿足無線熱計量網(wǎng)絡(luò)對于近距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，又可以免對其它設(shè)備造成干擾，同時還可以大幅度地降低系統(tǒng)整體功耗，使整個傳感器網(wǎng)絡(luò)具有更長的工作壽命。

無線熱計量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊的基本電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線熱計量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊基本電路結(jié)構(gòu)

3 無線熱計量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊的SPI接口

在無線熱計量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊中，CC1101芯片共有20個引腳，模塊使用其SCLK、SO(GDO1)、CSn和SI引腳組成4線SPI接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，并通過SPI接口對寄存器的讀寫操作來完成芯片寄存器配置、命令濾波、狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，SPI接口引腳功能以及與單片機(jī)對應(yīng)引腳如表1所示。

表1 無線熱計量模塊SPI接口

在節(jié)點模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，根據(jù)CC1101芯片使用要求，單片機(jī)作為主設(shè)備首先在使片選信號CSn變低有效后等待從設(shè)備CC1101芯片的SO引腳信號變低，此時說明芯片內(nèi)部穩(wěn)定；在此之后，單片機(jī)通過SPI接口對CC1101芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫(由SI引腳輸出讀寫控制頭字節(jié)和單片機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)，并由SO引腳輸入芯片狀態(tài)字節(jié)和芯片內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù))以實現(xiàn)主從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，使用SPI接口傳輸字節(jié)程序流程如圖3所示。

4 無線熱計量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)的讀寫

在無線熱計量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中，計量數(shù)據(jù)、配置信息、控制命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收是通過單片機(jī)對CC1101芯片內(nèi)部的配置寄存器、命令濾波寄存器、狀態(tài)寄存器、收發(fā)FIFO和功率配置表PATABLE五種寄存器的讀寫操作完成的，一般包括發(fā)送頭字節(jié)數(shù)據(jù)和發(fā)送/接收數(shù)據(jù)兩個過程。

在單片機(jī)通過SPI接口讀寫寄存器時，首先要發(fā)送8位頭字節(jié)以確定操作類型、操作方式和操作所對應(yīng)的寄存器地址，其基本形式如圖4所示。

圖4 頭字節(jié)基本形式

在頭字節(jié)中，Bit7為讀寫控制位，該位為1時為讀相應(yīng)地址寄存器的內(nèi)容，為0時則將寫相應(yīng)地址寄存器；Bit6為突發(fā)訪問(Burst)位，當(dāng)該位為0時單字節(jié)訪問寄存器，為1時則進(jìn)行突發(fā)訪問，所謂突發(fā)訪問是指將(Bit5～Bit0)的寄存器地址作為首地址連續(xù)讀寫寄存器，每次訪問后地址自動加1，然后再繼續(xù)進(jìn)行多次寄存器讀寫操作；Bit5～Bit0為讀寫操作的對象寄存器，因CC1101芯片寄存器地址范圍為0x00(0000 0000)～0x3F(0011 1111)，范圍內(nèi)寄存器地址的最高兩位均為0，故只需使用5位地址即可對寄存器進(jìn)行區(qū)分，因此，頭字節(jié)中所包含的地址位數(shù)一共有5位。

芯片CC1101的配置寄存器共有47個，地址范圍是0x00～0x2E，主要包含了芯片在工作過程中的配置信息，單片機(jī)可以對其進(jìn)行單字節(jié)或突發(fā)讀寫操作，以設(shè)置芯片的地址、工作頻率、收發(fā)FIFO門限和數(shù)據(jù)包長度等信息，單字節(jié)訪問方式寫配置寄存器及突發(fā)訪問方式讀配置寄存器程序流程如圖5(a)、(b)所示。

圖5 配置寄存器程序讀寫程序流程

在上述流程中，在使用單字節(jié)訪問方式寫寄存器時，頭字節(jié)中Bit7和Bit6均為0，而寄存器的地址最高兩位本身為0，故不用進(jìn)行特殊處理，可直接使用寄存器地址作為頭字節(jié)；但在使用突發(fā)訪問方式讀寄存器時，Bit7和Bit6均應(yīng)為1，故需將突發(fā)讀命令(1100 0000)與寄存器地址做或操作并寫入頭字節(jié)中，其它讀寫方式及命令如表2所示。

表2 CC1101寄存器讀寫命令

芯片CC1101的命令濾波寄存器共有14個，地址范圍是0x30～0x3D，當(dāng)單片機(jī)對該類寄存器進(jìn)行寫操作時，只發(fā)送頭字節(jié)(無需發(fā)送數(shù)據(jù))即可啟動芯片內(nèi)部命令，使芯片啟動無線熱計量數(shù)據(jù)收發(fā)、復(fù)位、清空FIFO寄存器和進(jìn)入空閑模式等操作，而除掉電模式命令和關(guān)閉晶振以外，所有的指令都會在命令發(fā)送后立即執(zhí)行。

芯片CC1101的狀態(tài)寄存器共有14個，地址范圍是0x30～0x3D，其內(nèi)部主要包含了芯片當(dāng)前的工作狀態(tài)信息，如版本號、接收信號強(qiáng)度、WOR計數(shù)器狀態(tài)和FIFO寄存器中字節(jié)數(shù)等信息，此類寄存器為只讀寄存器，可以通過突發(fā)訪問方式的讀操作完成芯片狀態(tài)讀取。需要說明的是由于芯片CC1101的命令濾波寄存器和狀態(tài)寄存器的地址范圍相同，在讀寫過程為了區(qū)分這兩類寄存器，一般通過頭字節(jié)中的突發(fā)訪問位Bit6進(jìn)行識別(單字節(jié)方式寫命令濾波寄存器，突發(fā)訪問方式讀狀態(tài)寄存器)。

芯片CC1101內(nèi)部還包含了2個64字節(jié)FIFO，作為熱計量數(shù)據(jù)收發(fā)的存儲空間，其中一個為64字節(jié)只寫的發(fā)送FIFO，另外一個為64字節(jié)只讀的接收FIFO，地址均為0x3F，可以使用單字節(jié)或突發(fā)訪問方式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。當(dāng)頭字節(jié)中的Bit7為1時，訪問接收FIFO，單片機(jī)讀出芯片所接收的熱計量數(shù)據(jù)；而當(dāng)Bit7為0時，訪問發(fā)送FIFO，單片機(jī)將所要發(fā)送的熱計量數(shù)據(jù)寫入芯片。此外，在芯片CC1101內(nèi)部的功率配置表PATABLE為8字節(jié)表格，主要用于配置芯片在不同頻率、調(diào)制方式下的功率放大器參數(shù)，可以通過地址0x3E進(jìn)行訪問。

5 無線熱計量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)的收發(fā)

無線熱計量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)的收發(fā)是通過CC1101芯片的無線數(shù)據(jù)包收發(fā)實現(xiàn)的，其數(shù)據(jù)包格式如圖6所示。

圖6 無線熱計量數(shù)據(jù)包格式

在數(shù)據(jù)包中，前導(dǎo)字節(jié)為16位0、1交替序列，無線熱計量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將在數(shù)據(jù)發(fā)送時自動添加前導(dǎo)字節(jié)、同步字節(jié)和CRC校驗碼，當(dāng)接收節(jié)點檢測到前導(dǎo)信號時將利用芯片CC1101所提供的電磁波喚醒(WOR)功能啟動芯片接收同步字節(jié)并確認(rèn)地址字節(jié)中所包含的信號是否為本節(jié)點地址，如果為本節(jié)點地址則將繼續(xù)接收熱計量數(shù)據(jù)或控制信號，并在進(jìn)行CRC校驗后將其存至接收FIFO。

無線熱計量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)的發(fā)送時，單片機(jī)首先應(yīng)通過SPI接口向發(fā)送FIFO寄存器寫入長度值，然后再寫入所要發(fā)送的數(shù)據(jù)，此后再通過向命令寄存器STX寫入的頭字節(jié)激活發(fā)送命令來發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)收到由CC1101芯片GDO0引腳輸入的狀態(tài)數(shù)據(jù)表明發(fā)送完成后，再利用命令寄存器SFXT頭字節(jié)寫入清空發(fā)送FIFO；在接收數(shù)據(jù)時，單片機(jī)首先向命令寄存器SRX寫入頭字節(jié)，啟動接收，然后將熱計量數(shù)據(jù)包中的地址與本節(jié)點地址比較，如果地址匹配則接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行CRC校驗，在接收完成后將利用SFRX寄存器清空接收FIFO，熱計量傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程分別為圖7(a)、(b)所示。

圖7 熱計量傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送、接收流程

6 實驗結(jié)果與分析

為了測試熱計量傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作性能，在后期實驗中分別在不同的傳輸距離和建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)環(huán)境下，使用發(fā)送節(jié)點模塊定時發(fā)送數(shù)據(jù)，并在接收節(jié)點模塊接收到該數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)傳回至發(fā)送節(jié)點模塊，從而通過比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)以測試節(jié)點傳輸?shù)目煽啃?測試條件：GFSK調(diào)制模式，發(fā)射功率10 mW，通信速率76.8 kbps)，實驗結(jié)果如表3所示。

表3 無線熱計量傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點環(huán)境測試

通過對上述實驗結(jié)果分析可得，在建筑內(nèi)部，節(jié)點模塊的數(shù)據(jù)傳輸可靠性與天線增益、所處位置以及建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度有關(guān)，在一般情況下節(jié)點模塊的可靠傳輸距離為200 m，極限傳輸距離為400 m，但通過將天線引出至建筑內(nèi)預(yù)留通道的方法可以增加節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸可靠距離。

另外，在后期實驗中還通過讀取芯片CC1101內(nèi)部狀態(tài)寄存器的RSSI(信號強(qiáng)度指示寄存器，地址：0x34)對使用433.0 MHz(ISM頻段)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在不同數(shù)據(jù)傳輸條件下的信號強(qiáng)度進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表4所示。

表4 無線熱計量傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接收信號強(qiáng)度測試

有實驗結(jié)果表明，在傳輸距離較近時，通信速率對信號強(qiáng)度影響較小；開啟FEC(前向交錯)功能能夠增加節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑫r會降低節(jié)點接收信號強(qiáng)度，縮短信號傳輸距離；節(jié)點模塊在傳輸速率為1.2 kbps的情況下可靠數(shù)據(jù)傳輸距離為300 m，極限傳輸距離為400 m，這已經(jīng)完全滿足無線熱計量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶋H要求。

7 結(jié)束語

CC1101無線低功耗數(shù)據(jù)傳輸芯片具有價格低、性能穩(wěn)定、使用靈活等特點，可以方便地通過對寄存器的讀寫操作完成傳輸參數(shù)設(shè)置、熱計量數(shù)據(jù)的收發(fā)和芯片狀態(tài)讀取，滿足了無線熱計量數(shù)據(jù)近距離采集和傳輸要求，在使用由其組成的ISM頻段無線熱計量傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時具有網(wǎng)絡(luò)組織靈活、節(jié)點部署簡單和傳輸性能可靠的特點，能夠有效減少建筑內(nèi)熱計量系統(tǒng)改造難度，降低改造成本，通過配合GPRS模塊和上位機(jī)軟件的使用為我國智能化熱計量數(shù)據(jù)管理與分析提供了一種良好的解決方案。

[1] CJ 128-2007.熱量表[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2] GB50314-2015.智能建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

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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年遼寧省教育廳科學(xué)研究項目(L2015351)。

林 喆(1983-)，男，遼寧沈陽人，講師，主要從事檢測技術(shù)與自動化裝置方向的研究。

魏海波(1965-)，男，黑龍江海倫人，教授級高級工程師，主要從事檢測技術(shù)與自動化裝置方向的研究

1671-4598(2017)09-0302-05

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

TP29

A