CN113708795B - 一种基于cc1310芯片的多通道无线传感监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CC1310芯片的多通道无线传感监测系统，属于无线监测领域，具体包括若干子节点和一个中心节点，以及上位机；若干子节点采用时分复用+频分复用的方式与中心节点实现无线通信；中心节点包括4个CC1310芯片，FPGA主处理器和RS422接口；每个CC1310芯片都将各自对应的所有路子节点的数据帧帧头与节点编号顺序组合，4个CC1310芯片间采用组间频分复用的方式进行通信，FPGA按时间顺序将数据分别按字节进行帧头打包，并利用RS422接口将其传递给上位机，上位机按帧头分类，得到六种帧结构并提取各子节点的数据，计算得到各子节点的传输速率，对各路采集的数据分别画出对应波形；本发明可靠性及使用寿命满足一般工业级仪器的要求，设备易损部分有配件，维修性好。

Description

一种基于CC1310芯片的多通道无线传感监测系统

技术领域

本发明涉及无线监测领域，具体是一种基于CC1310芯片的多通道无线传感监测系统。

背景技术

无线传感网络技术由于快速发展，被广泛应用在森林、建筑和军事战场等一些感知监测区域。相比于有线通信而言，无线通信更加方便，没有传输介质的束缚，使得无线通信的各个节点可以没有地理位置的约束。无线通信系统能够有效减轻新一代运载火箭电气系统设备的重量，同时，无线通信系统具备良好的可操作性、通用性和可扩展性，便于系统升级和故障快速修复。但是这也使得无线通信网络成为一种分布式系统，要求网络中有一个统一的时间标准，来保证每个子节点的时间同步。

CC1310芯片是TI公司主流的低于1GHz超低功耗无线收发一体模块，基于TI-RTOS的MCU，集成ARM Cortex-M3系统和RF-Core，数据发送速率最快可达4Mb/s。CC1310芯片具有超小体积的特点，仅为同类模块不到1/2的体积，具有超低功耗的特点，接收电流仅为8mA，休眠电流仅为2uA，可使用电池供电。另外，CC1310芯片支持多个工作频点，支持时分复用结合频分复用的多传感器组网，满足低功耗、小型化以及多路传感器的需求。

发明内容

为了满足测控系统多传感器、大容量数据快速传输的需求，本发明提出了一种基于CC1310芯片的多通道无线传感监测系统，保证低功耗和高可靠性，并且能够实时监测。

所述多通道无线传感监测系统，包括若干子节点和一个中心节点，以及上位机；

若干子节点采用时分复用+频分复用的方式与中心节点实现无线通信，各子节点之间不通信；中心节点接收各子节点的数据并进行组帧汇总，通过有线将汇总数据发送给上位机显示；

每个子节点都包含CC1310芯片，传感器和供电模块；

中心节点包括4个CC1310芯片，FPGA主处理器和RS422接口；

FPGA主处理器位于中心节点中间，四周各有一个插槽，分别安装4个CC1310芯片，实现四路信号的同时收发；各CC1310芯片与FPGA之间采用SPI或串口通信；RS422接口连接上位机，上位机含PCI接口卡，负责将RS422接口端发送来的多路传感数据上传并在PC端上实时显示。

FPGA上设置4个无线收发模块，分别对应4个CC1310芯片上的无线收发模块；每个CC1310芯片均对应25个子节点CC1310芯片上的无线收发模块；

针对每个子节点，利用自身连接的传感器采集数据，并发送给中心节点上对应的CC1310芯片；每个子节点初始已经设定自身的编号以及对应至中心节点的哪个CC1310芯片；25路子节点采用组内时分复用的方式与中心节点的CC1310芯片实现无线通信；

中心节点的每个CC1310芯片都将各自对应的25路子节点的数据帧帧头与节点编号顺序组合，利用SPI传输协议发送给FPGA，4个CC1310芯片的无线收发模块之间采用组间频分复用的方式进行通信。

FPGA按时间顺序将4个CC1310芯片发送来的每个数据，分别按字节进行帧头打包，并利用RS422接口通过导线将其传递给上位机，上位机按帧头进行分类，得到六种帧结构并提取各子节点的数据写入文件，计算得到各子节点的传输速率，对各路采集的数据分别画出对应波形。

六种帧结构如下：

(1)中心节点点名帧(call)；

(2)中心节点授时帧(Time)；

(3)子节点对点名帧的回应帧(ACK)；

(4)中心节点的命令帧(CMD)；

(5)子节点的发送数据帧(data_up)；

(6)FPGA对各路采集数据的汇总传输帧(summary)。

所述多通道无线传感监测系统的工作过程如下：

步骤一、将所有子节点和中心节点全部上电，子节点处于等待模式；

步骤二、中心节点向各子节点广播发送两帧点名帧，各子节点接收点名帧后，返回ACK帧报告自己的节点编号和速率。

步骤三、中心节点按编号依次向确定通信的各子节点分别发送三帧授时帧，调整各子节点的时钟与中心节点保持一致；

具体为：

中心节点采用定时授时的方法对各个子节点的时钟进行管理，确保每个子节点在合法的时隙内与中心节点进行通信，每隔固定时间，中心节点重新发送授时帧给各子节点，各子节点根据收到的授时信号调整本地计时器，消除累计误差。

授时帧中包含帧的编号，子节点根据接收到的授时帧中的当前帧数计算本地时间的归零时刻，使自己的计时时钟归零，从而与整个系统保持一致；

步骤四、针对当前周期，每个时隙为1s，每个时隙的前15ms中心节点向确定通信的各子节点广播发送命令帧，各子节点在前15ms内等待各自的命令帧；

具体为：

在1s的时隙内，每个子节点与中心节点通信1次，上位机通过RS422接口传输速率的命令，指定子节点工作于高速模式或普通模式，子节点发送数据的时隙分配方式是与子节点是高速率节点或低速率节点相关。

当所有子节点都是慢速率节点时,每个节点前后各留出0.65ms的保护间隔，两个子节点之间的保护间隔为1.3ms，每个时隙单元的长度是3.7ms，即每一次命令帧的时间为5ms；命令时隙需要发送3次命令帧，共计15ms。

如果某个子节点是快速率采样节点，则占据48个时隙单元进行传感器数据的传输，如果是慢速率节点，则占据3个时隙单元进行传感器数据的传输。

步骤五、从第16ms到1s的时间段内，各子节点的传感器按命令帧中各自的命令来进行数据采集，并按时分复用的方式向中心节点的对应的CC1310芯片发送数据帧，直至1s时隙结束，中心节点进入下一个时隙，并继续利用前15ms向各子节点分别发送命令帧，返回步骤四；

中心节点通过本地FPGA进行实时监控和判断，如果中心节点损坏，表现为：[a]正常状态的子节点将收不到授时信息；[b]正常状态的子节点在传感器采集数据上传后一直收不到确认信息。

如果是子节点损坏，则表现为：[a]中心节点收不到故障子节点对于授时帧的反馈信息；[b]中心节点收不到故障子节点发送的传感采集数据。

则FPGA不再处理该损坏节点的数据。

步骤六、进入下一个周期，返回步骤三，中心节点转换为发送模式，子节点转换为接收模式，等待命令时隙或者授时时隙到来。

本发明的优点在于：

本发明一种基于CC1310芯片的多通道无线传感监测系统，采用模块式设计方式，每一个单元部件集成度较高，具备可维修性的特点，可靠性及使用寿命满足一般工业级仪器的要求，设备易损部分有配件，维修性好。

附图说明

图1为本发明一种基于CC1310芯片的多通道无线传感监测系统示意图；

图2为本发明的多通道无线传感监测系统硬件总体框图；

图3为本发明的中心节点点名帧格式图；

图4为本发明的中心节点授时帧格式图；

图5为本发明的点名帧的回应帧格式图；

图6为本发明的中心节点的命令帧格式图；

图7为本发明的子节点的发送数据帧格式图；

图8为本发明的FPGA对各路采集数据的汇总传输帧格式图；

图9为本发明的多通道无线传感监测系统组网结构图；

图10为本发明的多通道无线传感监测系统的工作过程的流程图；

图11为本发明的组内各子节点时隙切换示意图；

图12为本发明实例采用的子节点端硬件结构图；

图13为本发明实例采用的中心节点控制板卡电路图；

图14为本发明实例采用的中心节点控制板卡电路图；

图15为本发明实例采用的PCI板卡硬件结构图；

图16为本发明实例采用的一次传输小周期内节点状态转移流程图；

图17为本发明实例采用的上位机界面功能框图；

图18为本发明实例采用的上位机软件界面；

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

本发明公开了一种基于CC1310芯片的多通道无线传感监测系统，网络拓扑结构为星型结构，如图1所示，包括若干传感器子节点和一个中心节点，以及上位机；

若干子节点采用时分复用+频分复用的方式与中心节点实现无线通信，各子节点之间不通信；子节点通过电池供电，且具有低功耗监听模式和收发模式。中心节点接收各子节点的数据并进行组帧汇总，通过有线将汇总数据发送给上位机显示；

每个子节点都包含CC1310芯片和传感器；以CC1310芯片为基础搭建，整体采用电池供电，并需要实时监测电池状态。子节点终端硬件结构如图2所示，1#板卡所示，考虑到子节点体积功耗受限，且无线模块需周期性进行休眠/激活工作状态切换，控制相对灵活，而CC1310芯片内置的ARM Cortex-M3 32位CPU可满足这一需求。

为减小子节点的体积与功耗，本系统拟采用编码调制射频一体化无线收发芯片实现数据的无线传输，无线收发芯片的选择在本系统中至关重要，无线收发芯片的种类和数量比较多，选择无线收发芯片时考虑以下几点因素：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本等。通过调查，本系统采用CC1310芯片，CC1310芯片内置AD采集模块、供电模块和无线收发模块，用于采集传感器数据并以无线的方式向中心节点发送所采集的数据；且具有低功耗的IDLE工作模式，数据发送速率最快可达4Mb/s。CC1310具有超小体积的特点，该模块体积仅为同类模块不到1/2的体积。CC1310还具有超低功耗的特点，接收电流仅为8mA，休眠电流仅为2uA，并且可以使用电池供电，CC1310频率为1GHz附件，可支持多个工作频点，支持时分复用结合频分复用的多传感器组网需求，满足系统低功耗、小型化以及多路传感器的需求。

中心节点包括4个CC1310芯片，FPGA主处理器和RS422接口；

如图2中2#板卡所示，FPGA主处理器承担所有节点的控制以及数据组帧等复杂运算，此外，采用PCI与9054板卡，完成上位机MFC程序与硬件板卡的通信，可以读取板卡工作状态，可以下发命令如中心节点和子节点的工作频率、各子节点的工作时隙等，调整子节点的工作模式。

FPGA主处理器位于中心节点中间，四周各有一个插槽，分别安装4个CC1310芯片，实现四路信号的同时收发，各CC1310芯片可以单独的设置收发频段；各CC1310芯片与FPGA之间采用SPI或串口通信；RS422接口连接上位机，上位机含PCI接口卡，如图2中3#板卡，负责将RS422接口端发送来的多路传感数据上传并在PC端上实时显示。

FPGA完成中心节点的所有逻辑功能，包括对4个CC1310芯片进行模式设置，对数据进行组帧和收发等。其中FPGA上设置4个无线收发模块，分别对应4个CC1310芯片上的无线收发模块；每个CC1310芯片均对应25个子节点CC1310芯片上的无线收发模块；因此整个无线传输系统最少可处理100路无线传感器的数据传输。

中心节点处的4个无线收发模块管理域之间采用频分复用的方式，一个无线模块域内的25个无线传感器子节点采用时分复用的方式，即采用了组间频分复用+组内时分复用的多通道复用方式。

针对每个子节点，利用自身传感器采集数据，并发送给中心节点上对应的CC1310芯片；每个子节点初始已经设定自身的编号以及对应至中心节点的哪个CC1310芯片；25路子节点采用组内时分复用的方式与中心节点的CC1310芯片实现无线通信；

子节点可通过无线唤醒的方式让其从低功耗监听模式切换为发送或接收模式。

中心节点的每个CC1310芯片都将各自对应的25路子节点的数据帧帧头EB90与节点编号顺序组合汇总，利用SPI传输协议发送给FPGA，4个CC1310芯片的无线收发模块之间采用组间频分复用的方式进行通信。

中心节点的无线收发模块数量可以进行扩展，每个无线收发模块支持的通信数目可根据传感器分布情况进行灵活调整。

FPGA按时间顺序将4个CC1310芯片发送来的每个数据，分别按字节进行帧头打包，并利用RS422接口将其传递给上位机，上位机按帧头进行分类，得到六种帧结构并提取各子节点的数据写入文件，计算出各子节点的传输速率，对各路采集的数据分别画出波形。

六种帧结构如下：

(1)中心节点点名帧(call)；

(2)中心节点授时帧(Time)；

(3)子节点对点名帧的回应帧(ACK)；

(4)中心节点的命令帧(CMD)；

(5)子节点的发送数据帧(data_up)；

(6)FPGA对各采集数据的汇总传输帧(summary)。

其中第(1)～(5)种帧长均为128字节，第(6)种帧长为132字节。详细帧结构设计如下：

中心节点点名帧(Call)如图3所示，中心节点发出，各子节点接收(子节点上电，处于接收状态)，点名帧连发两帧，首字节对应的是33H和34H。

中心节点授时帧(Time)如图4所示，授时帧连发3帧，对应的首字节分别是01H，02H和03H。

子节点对点名帧的回应帧(ACK)如图5所示，ACK帧的前两个字节为143F(EB90的反码)。子节点速率：0表示慢速率节点，320Hz采样率，Rb＝320*8＝2560bps；子节点速率：1表示快速率节点，5.12KHz的采样率，Rb＝5.12K*8＝40.96kbps。

中心节点命令帧(CMD)如图6所示，命令帧连发3帧，前两个字节分别是4001H，4002H和4003H。

子节点的数据帧(Data_up)如图7所示，子节点数据帧是子节点的传感器所采集到的数据和电池电压数据，前两个字节是EB90。子节点工作在普通速率下，320Hz采样率，在自己的传输时隙内给中心节点发3帧；子节点工作在高速速率下，是5.12KHz的采样率，在自己的传输时隙内给中心节点发48帧。

FPGA对各个子节点数据的汇总传输帧，如图8所示，FPGA将各个子节点的数据帧汇总成汇总传输帧后传给后端处理器进行处理，最后通过上位机软件界面显示出来。

本发明所述多通道无线传感监测系统，如图9所示，将100个节点分成4大组进行管理，且4大组之间可以并行处理。采用组间频分复用+组内时分复用的方式，该方式减轻了多路数据的同步压力，与只采用单一时分复用方式相比，同步误差降为原来的1/4。在子节点同步时，采用了较为先进的中心节点定时授时方案，极大地减少了各子节点本身计时误差、多包数据传输的累计误差、以及各子节点到主节点数据传输的时延差异。

利用CC1310芯片组成的无线传感网络，用户通过上位机经中心节点将命令发送到子节点，实现远程数据采集，远程控制命令发送，进而实现实时远程的数据监测；子节点通过无线唤醒的方式让其从低功耗监听模式切换为发送或接收模式。

所述多通道无线传感监测系统的工作过程，如图10所示，如下：

步骤一、将所有子节点和中心节点全部上电，子节点处于等待模式；

步骤二、针对当前时隙t0，中心节点处于发送模式，向各子节点分别发送两帧点名帧，各子节点处于接收模式，接收点名帧后，返回ACK帧报告自己的节点编号和速率。

步骤三、到时隙t1时，中心节点按编号依次向确定通信的各子节点分别发送三帧授时帧，调整各子节点的时钟与中心节点保持一致；

在该时隙t1，各个子节点处于接收模式，接收来自于中心节点的授时帧，使自己的计时时钟归零，从而与整个系统保持一致。具体为：

为使得所有节点在同一时间段采集的数据能够在规定的时延内传输到中心节点，本系统采用中心节点定时授时方法对各个子节点的时钟进行管理，确保每个子节点在合法的时隙内与中心节点进行通信，每隔固定时间，中心节点重新发送授时帧给各子节点，各子节点根据收到的授时信号调整本地计时器，消除累计误差。

在授时时隙内，中心节点处于发送状态，各子节点处于接收状态，各子节点通过收听中心节点发布的同步信号帧与中心节点进行同步；精准的周期性授时保证节点间不会发送碰撞。只要授时周期小于相邻节点的最大计时偏差积累量，就可避免节点碰撞。本系统中授时周期是50s。

各子节点采用ARM CPU作为核心处理器，其包含了一个集成的系统计时器，具有强大的计时功能，且时钟频率可选，最高可达48MHz。本实施例拟采用24MHz频率进行计时，在5ppm晶振稳定度条件下，子节点的计时精度可以达到2*10-5，也就是100s的时间内计时误差最多相差2ms，50s内的计时误差最大为1ms。由于单个节点的保护间隔为1.3ms，因此一般情况下只要每隔50s能将计时误差消除，便不会发生碰撞。

本系统中，授时阶段中心节点向各个子节点广播三帧授时帧，发送三帧是为了确保子节点可以收到其中任意一帧授时帧，授时帧中包含编号，子节点可以根据接收到的授时帧中的当前帧数算出来本地时间的归零时刻。例如某个子节点收到了第一帧授时帧，便不再接收后续两帧授时帧，空余出中心节点发送后两帧授时帧的时间。各个子节点接收来自于中心节点的授时帧，使自己的计时时钟归零，从而与整个系统保持一致；

步骤四、同时在时隙t1，每个时隙为1s,每个时隙的前15ms中心节点向确定通信的各子节点分别发送命令帧，各子节点在前15ms内等待各自的命令帧；

具体为：

在无线通信模式下，为了实现各子节点与中心节点的无碰撞通信，需要合理安排每个节点的时隙长度。本系统的工作模式包括高速模式和普通模式两种，模式的区别是根据分配给子节点的时隙长度决定的，因此子节点发送数据的时隙分配方式是与子节点是高速率节点或低速率节点相关。

本系统中一个传输周期即时隙Ts为1000ms，一个授时周期为50s，在一个传输周期内，系统内的所有子节点与中心节点通信一次，最开始的15ms用于中心节点给所有工作的子节点发布命令帧，设置整个系统是处于高速模式还是普通模式；剩余的985ms用于子节点向中心节点的数据传输。

上位机通过RS422接口传输速率，指定子节点工作于高速模式或普通模式，子节点发送数据的时隙分配方式是与子节点是高速率节点或低速率节点相关。

如果所有子节点都是慢速率节点(采样率是320Hz，每个采样点8比特量化)，则占据3个时隙单元进行数据传输；CC1310芯片发送一帧数据需要3.7ms，为防止各个子节点之间数据帧交叉，每个节点发送时隙的前后各留出0.65ms的保护间隔，两个子节点之间的保护间隔为1.3ms，各个节点(传感器采集路数)之间进行切换的示意图如图11所示。每个时隙单元的长度是3.7ms，即每一次命令帧的实际时隙t为5ms；命令时隙需要发送3次命令帧，所以需要3*5ms＝15ms。

如果某个子节点是快速率采样节点，则占据48个时隙单元进行传感器数据的传输，

步骤五、从第16ms到1s的时间段内，各子节点的传感器按各自的命令帧进行数据采集，并按时分复用的方式向中心节点的各CC1310芯片发送数据帧，直至1s时隙结束，中心节点进入下一个时隙，并继续利用前15ms向各子节点分别发送命令帧，返回步骤四；

接收完毕命令帧后，各子节点进入idle模式，当子节点自己的传输时隙到来时，子节点转换为发送模式，向中心节点发送传感器所采集到的数据，发送完成后，再次转为idle模式；命令时隙t1过后，中心节点转到接收模式，接收来自各个子节点的数据帧。

在数据传输时隙，中心节点处于接收模式，子节点在属于自身的时隙范围内处于发送模式，其它非自身时隙内处于idle模式，以便最大可能地节省子节点功耗。

中心节点通过本地FPGA进行实时监控和判断，如果某一个或某几个节点坏了，表现的特点就是不能接收或发送数据；

如果中心节点损坏，表现为：[a]正常状态的子节点将收不到授时信息；[b]正常状态的子节点在传感器采集数据上传后一直收不到确认信息。

如果是子节点损坏，则表现为：[a]中心节点收不到故障子节点对于授时帧的反馈信息；[b]中心节点收不到故障子节点发送的传感采集数据。

则FPGA不再处理该损坏节点的数据。中心节点插在2号卡上面，因此可以通过本地FPGA进行监控和判断，若有故障，则不再处理该中心节点的数据。如果子节点故障，也可不再处理故障子节点的数据。

步骤六、进入下一个周期，返回步骤三，中心节点转换为发送模式，子节点转换为接收模式，等待命令时隙或者授时时隙到来。

下一个周期内，等待命令时隙或者授时时隙到来，子节点被唤醒，转换为接收模式；当命令时隙或者授时时隙到来之后，中心节点再次转换为发送模式。

本发明的中心节点在大部分工作时间内是接收模式，只在发送时隙到来时，切换到发送模式。各个子节点在大部分工作时间内为idle模式，在授时、命令阶段为接收模式，在发送ACK或者在自己的发送时隙内为发送模式。

本发明中所选CC1310芯片采用GFSK调制，本身抗干扰能力强，且支持自动CRC校验和多次重传，有力保证了传输数据的可靠性。较小的同步偏差使得重传时不会带来时间模糊，保证了多传输节点数据采集的实时性和同步性。且CC1310芯片信道传输速率可高达4Mbps，数据传输流程由ARM处理器编程实现，应用程序智能控制，灵活方便，一定程度地避免了帧结构的冗余，中心节点的4个CC1310芯片放置于同一块FPGA板卡上，使得帧结构设计也可以简单高效，避免了额外的开销，极大提高了净荷数据传输速率。

所选CC1310芯片发送和接受模式的功耗低，且自带idle模式，当节点不需要数据采集时，可使该芯片进入睡眠模式，当需要传输时再次唤醒，极大地挖掘了芯片的传输潜力和省电能力。系统主控制器采用FPGA，无需运行操作系统，避免了额外的功率消耗，因此整个系统可以满足低功耗需求。系统采用FPGA平台，模块化开发。非常便于后期扩展升级，如系统计算功能增加，节点数增加，以及传输体制的改变都可以通过对芯片进行重配置完成。

实例：

本实例中各子节点的终端硬件结构(板卡1)如图12所示，尺寸为：3cmX3cmX1cm；功耗为：工作时50mW，空闲时0.5mW；天线为：弹簧天线。考虑到子节点体积功耗受限，且无线模块需周期性进行休眠/激活工作状态切换，控制相对灵活，而CC1310芯片内置的ARMCortex-M3(CM3)32位CPU专为高性能、低成本平台开发，适用于各种设备，功能十分强大，是终端控制芯片的理想选择。

中心节点四周的CC1310芯片可以单独的设置收发频段，外接用5V供电，通过SPI口把收到的数据发送给FPGA，FPGA对数据进行处理，然后通过RS422的方式送给PC。电路图如图13所示，如图14所示。FPGA完成主节点所有逻辑功能，包括对多个CC1310芯片进行模式设置，对数据进行组帧和收发等。

采用PCI与9054板卡，完成上位机MFC程序与硬件板卡的通信，可以读取板卡工作状态，可以下发命令，如普通模式或高速模式的选择，其硬件结构(板卡3)如图15所示。

由于无线收发芯片需要工作在半双工模式下，需要处理器对其工作模式进行切换，以保证实现系统功能和低功耗需求。为保证同步精准度高，尽量避免节点碰撞，使得所有节点在同一时间段采集的数据能够在规定的时延内传输到中心节点，本系统采用中心节点定时授时方法。图16以1个中心节点携带3个子节点为例，来说明各节点工作状态转移过程。

实际工作流程：

1)上位机通过传输RS422接口速率，指定无线节点工作于最大模式或普通模式。

2)上位机接收中心节点汇总后的所有子节点的传感器采集数据，并提取各子节点数据写文件，测试各子节点的传输速率，在软件上选择任意一路采集数据画出波形。

3)各子节点先上电，然后中心节点开始工作。上位机通过界面上传工作模式到中心节点的FPGA，中心节点的CC1310在一个小周期结束时读取命令，发现有新的命令时，会启动新一轮授时。

4)系统开始工作时，中心节点先对各子节点点名，各子节点通过ACK帧回应自身速率以及编号信息，中心节点汇总后，对所有活跃子节点进行命令帧传输，命令帧结束后，所有节点进入正常工作流程。

系统上电后，中心节点最初处于发送模式，向子节点发送两帧点名帧，通过接收到的ACK来确定可以通信的子节点的编号。接着中心节点向子节点发送三帧授时帧以达到整个系统的时钟一致。中心节点在发送授时帧的时隙之后仍然处于发送模式，这个时段内中心节点会向子节点传送命令帧，即调整每个子节点采集信息的速率等一些配置。命令时隙过后，中心节点转到接收模式，接收来自各个子节点的数据帧。当命令时隙或者授时时隙到来之后，中心节点再次转换为发送模式。

系统上电后，子节点最初处于接收模式，接收来自于中心节点所发送的点名帧，以向中心节点发送ACK的方式报告自己的编号和速率。在授时阶段，各个子节点仍然处于接收模式，接收来自于中心节点的授时帧，使自己的计时时钟归零，从而与整个系统保持一致。

在命令阶段，处于接收模式的中心阶段接收来自中心节点的命令帧，根据命令来进行速率的调整。接收完毕命令帧后，子节点进入idle模式，当子节点自己的传输时隙到来时，子节点转换为发送模式，向中心节点发送传感器所采集到的数据，发送完成后，再次转为idle模式。等待命令时隙或者授时时隙到来，子节点被唤醒，转换为接收模式。

5)如果中间有部分子节点坏掉，那么坏掉的子节点将不再与中心节点进行通信，但不会影响其它活跃节点与中心节点的数据的通信。

本发明上位机界面功能框图如图17所示，主要完成对视频压缩码流的读取、实时解码、实时显示、视频文件保存和视频回放等功能。软件界面如图18所示，包括各路传感器信号的显示，如第一路、温度、湿度、压力以及采集时间等信息。此外，软件界面还包括无线传输的控制部分，需要配置4个区域的载波频率，以及每个区域内，各子节点模块的工作参数和工作模式，可以采用文件下发的方式完成工作模式的配置。配置数据可以在FPGA里组帧，也可以直接在上位机软件上组帧。CPCI数据的获取编程主要包括底层软件和应用软件，应用软件编程主要是根据实际需要进行封装函数的调用，而底层软件是对解调器板卡的硬件支持，提供应用程序访问硬件的应用层抽象方法。软件界面动态显示收端缓冲区数据量，各子节点接收数据情况、无线传感器系统的传输速率等。最后，软件还要能监测板卡的工作状态，维持上位机与板卡的可靠通信。

本系统设备采用模块式设计方式，每一个单元部件集成度较高，具备可维修性的特点，可靠性及使用寿命满足一般工业级仪器的要求，设备易损部分有配件，维修性好。

Claims (7)

1.一种基于CC1310芯片的多通道无线传感监测系统，其特征在于，包括若干子节点和一个中心节点，以及上位机；每个子节点都包含CC1310芯片，传感器和供电模块；

中心节点包括4个CC1310芯片，FPGA主处理器和RS422接口；

FPGA主处理器位于中心节点中间，四周各有一个插槽，分别安装4个CC1310芯片，实现四路信号的同时收发；各CC1310芯片与FPGA之间采用SPI或串口通信；RS422接口连接上位机，上位机含PCI接口卡，负责将RS422接口端发送来的多路传感数据上传并在PC端上实时显示；

每个中心节点的CC1310芯片各自对应25路子节点，针对每个子节点，利用自身连接的传感器采集数据，并发送给中心节点上对应的CC1310芯片；每个子节点初始已经设定自身的编号以及对应至中心节点的哪个CC1310芯片；子节点采用组内时分复用的方式与中心节点的CC1310芯片实现无线通信；

中心节点的每个CC1310芯片都将各自对应的25路子节点的数据帧帧头与节点编号顺序组合，利用SPI传输协议发送给FPGA，4个CC1310芯片的无线收发模块之间采用组间频分复用的方式进行通信；

FPGA按时间顺序将4个CC1310芯片发送来的每个数据，分别按字节进行帧头打包，并利用RS422接口通过导线将其传递给上位机，上位机按帧头进行分类，得到六种帧结构并提取各子节点的数据写入文件，计算得到各子节点的传输速率，对各路采集的数据分别画出对应波形。

2.如权利要求1所述的一种基于CC1310芯片的多通道无线传感监测系统，其特征在于，所述的FPGA上设置4个无线收发模块，分别对应4个CC1310芯片上的无线收发模块；每个CC1310芯片均对应25个子节点CC1310芯片上的无线收发模块。

3.如权利要求1所述的一种基于CC1310芯片的多通道无线传感监测系统，其特征在于，所述的六种帧结构如下：

(1)中心节点点名帧call；

(2)中心节点授时帧Time；

(3)子节点对点名帧的回应帧ACK；

(4)中心节点的命令帧CMD；

(5)子节点的发送数据帧data_up；

(6)FPGA对各路采集数据的汇总传输帧summary。

4.如权利要求3所述的一种基于CC1310芯片的多通道无线传感监测系统，其特征在于，所述的六种帧的详细帧结构设计如下：

中心节点点名帧Call，帧长为128字节，中心节点连发两帧，各子节点接收，首字节对应的是33H和34H；

中心节点授时帧Time，帧长为128字节，中心节点连发3帧授时帧，对应的首字节分别是01H，02H和03H；

子节点对点名帧的回应帧ACK，帧长为128字节，前两个字节为143F，子节点速率：0表示慢速率节点；子节点速率：1表示快速率节点；

中心节点命令帧CMD，帧长为128字节，命令帧连发3帧，前两个字节分别是4001H，4002H和4003H；

子节点的发送数据帧Data_up，帧长为128字节，该数据帧是子节点的传感器采集到的数据和电池电压数据，前两个字节是EB90；子节点工作在普通速率下，320Hz采样率，在自己的传输时隙内给中心节点发3帧；子节点工作在高速速率下，是5.12KHz的采样率，在自己的传输时隙内给中心节点发48帧；

FPGA对各个子节点数据的汇总传输帧summary，帧长为132字节，FPGA将各个子节点的数据帧汇总成汇总传输帧后传给后端处理器进行处理，最后通过上位机软件界面显示。

5.如权利要求1所述的一种基于CC1310芯片的多通道无线传感监测系统，其特征在于，所述的多通道无线传感监测系统的工作过程如下：

步骤一、将所有子节点和中心节点全部上电，子节点处于等待模式；

步骤二、中心节点向各子节点广播发送两帧点名帧，各子节点接收点名帧后，返回ACK帧报告自己的节点编号和速率；

步骤三、中心节点按编号依次向确定通信的各子节点分别发送三帧授时帧，调整各子节点的时钟与中心节点保持一致；

步骤四、针对当前周期，每个时隙为1s,每个时隙的前15ms中心节点向确定通信的各子节点广播发送命令帧，各子节点在前15ms内等待各自的命令帧；

具体为：

在1s的时隙内，每个子节点与中心节点通信1次，上位机通过RS422接口传输速率的命令，指定子节点工作于高速模式或普通模式，子节点发送数据的时隙分配方式是与子节点是快速率节点或慢速率节点相关；

当所有子节点都是慢速率节点时,每个节点前后各留出0.65ms的保护间隔，两个子节点之间的保护间隔为1.3ms，每个时隙单元的长度是3.7ms，即每一次命令帧的时间为5ms；命令时隙需要发送3次命令帧，共计15ms；

步骤五、从第16ms到1s的时间段内，各子节点的传感器按命令帧中各自的命令来进行数据采集，并按时分复用的方式向中心节点的对应的CC1310芯片发送数据帧，直至1s时隙结束，中心节点进入下一个时隙，并继续利用前15ms向各子节点分别发送命令帧，返回步骤四；

步骤六、进入下一个周期，返回步骤三，中心节点转换为发送模式，子节点转换为接收模式，等待命令时隙或者授时时隙到来。

6.如权利要求5所述的一种基于CC1310芯片的多通道无线传感监测系统，其特征在于，所述的步骤三具体为：

中心节点采用定时授时的方法对各个子节点的时钟进行管理，确保每个子节点在合法的时隙内与中心节点进行通信，每隔固定时间，中心节点重新发送授时帧给各子节点，各子节点根据收到的授时信号调整本地计时器，消除累计误差；

授时帧中包含帧的编号，子节点根据接收到的授时帧中的当前帧数计算本地时间的归零时刻，使自己的计时时钟归零，从而与整个系统保持一致。

7.如权利要求5所述的一种基于CC1310芯片的多通道无线传感监测系统，其特征在于，所述的步骤五中，中心节点通过本地FPGA进行实时监控和判断，如果中心节点损坏，表现为：[a]正常状态的子节点将收不到授时信息；[b]正常状态的子节点在传感器采集数据上传后一直收不到确认信息；

如果是子节点损坏，则表现为：[a]中心节点收不到故障子节点对于授时帧的反馈信息；[b]中心节点收不到故障子节点发送的传感采集数据；

则FPGA不再处理该损坏的中心节点或子节点的数据。

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