SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：利用TI推出的針對(duì)簡(jiǎn)單小型RF網(wǎng)絡(luò)的專(zhuān)有低功耗RF協(xié)議——SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)了一種無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案，方案中采用CC1110芯片等組成了系統(tǒng)硬件的中心控制器、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明方案行之有效。

引言

隨著生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)代化進(jìn)程，各種生產(chǎn)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(xiàn)的方式。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)提供了另外更好的選擇。對(duì)比于傳統(tǒng)的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)在：

可移動(dòng)性。由于沒(méi)有線(xiàn)纜的限制，用戶(hù)可以在不同的地方移動(dòng)工作，網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)不管在任何地方都可以實(shí)時(shí)地訪(fǎng)問(wèn)信息。

布線(xiàn)容易。由于不需要布線(xiàn)，消除了野外布線(xiàn)的繁瑣工作，因此安裝容易，建網(wǎng)時(shí)間可大大縮短。

組網(wǎng)靈活。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)可以組成多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以十分容易地從少數(shù)用戶(hù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式擴(kuò)展到上百個(gè)用戶(hù)的基礎(chǔ)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

另外，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(nèi)可以傳輸數(shù)十、幾百米。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方面也有與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等效的安全加密措施。

1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持的串狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)由中心控制器、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成。中心控制器通過(guò)USB與電腦連接，可以通過(guò)PC軟件顯示和查看信息，同時(shí)也可以通過(guò)PC軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和控制。而中心控制器采用無(wú)線(xiàn)方式與其他路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)通信。當(dāng)中心控制器不能直接與終端節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，就由路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)通信數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。中心控制器、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)都采用CC111O芯片，終端節(jié)點(diǎn)的CC1110芯片接收如溫度、光照等各種類(lèi)型的傳感器采集來(lái)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理發(fā)送。

CC1110芯片包含了CC1100 RF收發(fā)器，并內(nèi)嵌了加強(qiáng)型51內(nèi)核單片機(jī)。芯片內(nèi)嵌32 KB的在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器、4 KB的SRAM存儲(chǔ)器、8通道8～14位A/D轉(zhuǎn)換器、1個(gè)16位定時(shí)器和3個(gè)8位定時(shí)器、2個(gè)UART/SPI、RTC和21個(gè)通用I/0�；�于 CC1100的高性能無(wú)線(xiàn)收發(fā)器工作于433 MHz，頻率穩(wěn)定性好，靈敏度高，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸最大速度可達(dá)500 kb/s，采用低供電電壓(2．3～3．6 V)，在數(shù)據(jù)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(yīng)于惡劣環(huán)境。CC1110應(yīng)用電路如圖2所示。

2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)

協(xié)議采用TI推出的針對(duì)簡(jiǎn)單小型RF網(wǎng)絡(luò)的專(zhuān)有低功耗RF協(xié)議——SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠簡(jiǎn)化實(shí)施工作，盡可能降低微控制器的資源占用。該協(xié)議能“開(kāi)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(yùn)行。設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)腞F協(xié)議對(duì)降低最終應(yīng)用的功耗至關(guān)重要。

SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由Network Management(網(wǎng)絡(luò)管理)、Access Point、Frenquency Agility(跳變)、Range Extender、Eneyption(加密)、Battery-only Network(低功耗網(wǎng)絡(luò))幾個(gè)模塊構(gòu)成。

SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要包括3層：Application Layer(應(yīng)用層)、Network Layer(網(wǎng)絡(luò)層)、Lite Hardware Abstraetion Layer(硬件邏輯層)，如圖3所示。SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)的加密在網(wǎng)絡(luò)層處理。

SimpliciTI的硬件邏輯層主要包括：Radio(射頻層)、BSP(應(yīng)用板支持層程序包)。SimplieiTI沒(méi)有物理層(PHY)和數(shù)據(jù)鏈路層(MAC/LLC)，數(shù)據(jù)直接從射頻層接收過(guò)來(lái)，射頻層的作用就是直接將數(shù)據(jù)接收下來(lái)。協(xié)議內(nèi)提供了射頻層與網(wǎng)絡(luò)層(NWK)連接的板級(jí)支持層程序包 BSP(Board Support Package)，BSP提供射頻層與網(wǎng)絡(luò)層通信的SPI接口。BSP并不是傳統(tǒng)意義上的硬件網(wǎng)絡(luò)邏輯層，它不僅僅是射頻層與網(wǎng)絡(luò)層之間通信的服務(wù)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(guān)的定義并沒(méi)有提供，如串口、LCD、定時(shí)器等，用戶(hù)需要根據(jù)自己的程序進(jìn)行定義。

SimpliciT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工作原理如圖4所示。

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)如下功能管理：頻段管理，跳頻支持，調(diào)制方式、數(shù)據(jù)傳輸速率等無(wú)線(xiàn)參數(shù)管理，加密管理，數(shù)據(jù)傳輸，CCA(清除信道評(píng)估)，網(wǎng)絡(luò)ID，設(shè)備地址，加入、連接網(wǎng)絡(luò)。

作者：南京曉莊學(xué)院 楊立林 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)