SimpliciTI網絡協(xié)議的無線數據采集系統(tǒng)設計

引言

　　隨著生產技術的現代化進程，各種生產環(huán)境條件下的監(jiān)控系統(tǒng)也在不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)多采用有線的方式。無線傳感器網絡的出現提供了另外更好的選擇。對比于傳統(tǒng)的有線網絡，無線局域網的應用價值體現在：

　　可移動性。由于沒有線纜的限制，用戶可以在不同的地方移動工作，網絡用戶不管在任何地方都可以實時地訪問信息。

　　布線容易。由于不需要布線，消除了野外布線的繁瑣工作，因此安裝容易，建網時間可大大縮短。

　　組網靈活。無線局域網可以組成多種拓撲結構，可以十分容易地從少數用戶的點對點模式擴展到上百個用戶的基礎架構網絡。

　　另外，無線網絡通信范圍不受環(huán)境條件的限制，室外可以傳輸幾公里、室內可以傳輸數十、幾百米。在網絡數據傳輸方面也有與有線網絡等效的安全加密措施。

　　1 硬件設計

　　系統(tǒng)采用SimpliciTI網絡協(xié)議支持的串狀網絡結構，整個系統(tǒng)由中心控制器、路由節(jié)點和終端節(jié)點組成。中心控制器通過USB與電腦連接，可以通過PC軟件顯示和查看信息，同時也可以通過PC軟件系統(tǒng)進行設置和控制。而中心控制器采用無線方式與其他路由節(jié)點和終端節(jié)點通信。當中心控制器不能直接與終端節(jié)點通信時，就由路由節(jié)點轉發(fā)通信數據。系統(tǒng)結構如圖1所示。中心控制器、路由節(jié)點、終端節(jié)點都采用CC111O芯片，終端節(jié)點的CC1110芯片接收如溫度、光照等各種類型的傳感器采集來的數據，并進行處理發(fā)送。

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圖1 系統(tǒng)結構

　　CC1110芯片包含了CC1100 RF收發(fā)器，并內嵌了加強型51內核單片機。芯片內嵌32 KB的在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、4 KB的SRAM存儲器、8通道8～14位A／D轉換器、1個16位定時器和3個8位定時器、2個UART／SPI、RTC和21個通用I／0?；?CC1100的高性能無線收發(fā)器工作于433 MHz，頻率穩(wěn)定性好，靈敏度高，無線數據傳輸最大速度可達500 kb／s，采用低供電電壓(2．3～3．6 V)，在數據采集發(fā)送期間的電流消耗為18 mA，休眠期間消耗電流為O．5μA，電流消耗非常低，工作溫度范圍為-40～85℃，適應于惡劣環(huán)境。CC1110應用電路如圖2所示。

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圖2 CC1110應用電路

　　2 網絡協(xié)議設計

　　協(xié)議采用TI推出的針對簡單小型RF網絡的專有低功耗RF協(xié)議——SimpliciTI網絡協(xié)議，能夠簡化實施工作，盡可能降低微控制器的資源占用。該協(xié)議能“開盒即用”地在CC111O／CC2510等片上系統(tǒng)(SoC)或MSP430超低功耗微控制器與CC11OX／CC2500RF 收發(fā)器上運行。設計得當的RF協(xié)議對降低最終應用的功耗至關重要。

　　SimpliciTI網絡協(xié)議由Network Management(網絡管理)、Access Point、Frenquency Agility(跳變)、Range Extender、Eneyption(加密)、Battery-only Network(低功耗網絡)幾個模塊構成。

　　SimpliciTI網絡協(xié)議主要包括3層：Application Layer(應用層)、Network Layer(網絡層)、Lite Hardware Abstraetion Layer(硬件邏輯層)，如圖3所示。SimpliciTI網絡的加密在網絡層處理。

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圖3 SimpliciTI網絡協(xié)議結構

　　SimpliciTI的硬件邏輯層主要包括：Radio(射頻層)、BSP(應用板支持層程序包)。SimplieiTI沒有物理層(PHY)和數據鏈路層(MAC／LLC)，數據直接從射頻層接收過來，射頻層的作用就是直接將數據接收下來。協(xié)議內提供了射頻層與網絡層(NWK)連接的板級支持層程序包 BSP(Board SupPORT Package)，BSP提供射頻層與網絡層通信的SPI接口。BSP并不是傳統(tǒng)意義上的硬件網絡邏輯層，它不僅僅是射頻層與網絡層之間通信的服務支持。 BSP方便地提供了LED、KEYS以及GPIO引腳的定義，但是其他相關的定義并沒有提供，如串口、LCD、定時器等，用戶需要根據自己的程序進行定義。SimpliciTI網絡協(xié)議工作原理如圖4所示。

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圖4 SimpliciTI網絡協(xié)議工作原理

　　網絡層負責如下功能管理：頻段管理，跳頻支持，調制方式、數據傳輸速率等無線參數管理，加密管理，數據傳輸，CCA(清除信道*估)，網絡ID，設備地址，加入、連接網絡。

　　網絡層管理射頻發(fā)送與接收，并指定目的地址。目的地址通過接口號(PORT)指定，網絡層是不會做任何幀處理的。接口(PORT)概念和TC-P／IP中的PORT概念相似，它是地址概念的延伸。接口編號范圍為0x01～0x3F，其中0x01～Ox1F為接口，Ox20～0x3F為用戶定義。接口用于網絡層自身對網絡的管理，這些接口不能被用戶應用層應用。就像TCP／IP中的IP必須對應相應的物理地址一樣，網絡層會在連接過程中把接口號跟地址關聯起來。

　　應用層又分為網絡應用層(NWK Application)和用戶程序應用層(Peer Application)。網絡應用層提供網絡層管理，除了提供外部PING訪問以外，還提供了很多供用戶開發(fā)的接口，表1詳細列出了相關的應用及描述。

表1 應用層的用戶開發(fā)接口

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　　SimpliciTI支持2種基本網絡拓撲結構：星狀網絡拓撲和點對點對等網絡拓撲，同時支持網絡拓撲擴展，即在星狀網絡的基礎上，使用范圍擴展設備網絡為串狀網絡。本系統(tǒng)就采用這種網絡拓撲結構，其中包括一個AP(Access Point)、多個RE(Range Extender)、多個ED(End Device)終端。