SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

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)多采用有線的方式。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)提供了另外更好的選擇。對(duì)比于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線局域網(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)地訪問(wèn)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(wǎng)時(shí)間可大大縮短。

　　組網(wǎng)靈活。無(wú)線局域網(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。

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圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　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。基于 CC1100的高性能無(wú)線收發(fā)器工作于433 MHz，頻率穩(wěn)定性好，靈敏度高，無(wú)線數(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。

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圖2 CC1110應(yīng)用電路

　　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。

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圖3 SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)

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

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圖4 SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工作原理

　　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)線參數(shù)管理，加密管理，數(shù)據(jù)傳輸，CCA(清除信道*估)，網(wǎng)絡(luò)ID，設(shè)備地址，加入、連接網(wǎng)絡(luò)。

　　網(wǎng)絡(luò)層管理射頻發(fā)送與接收，并指定目的地址。目的地址通過(guò)接口號(hào)(PORT)指定，網(wǎng)絡(luò)層是不會(huì)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(hào)范圍為0x01～0x3F，其中0x01～Ox1F為接口，Ox20～0x3F為用戶(hù)定義。接口用于網(wǎng)絡(luò)層自身對(duì)網(wǎng)絡(luò)的管理，這些接口不能被用戶(hù)應(yīng)用層應(yīng)用。就像TCP／IP中的IP必須對(duì)應(yīng)相應(yīng)的物理地址一樣，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)在連接過(guò)程中把接口號(hào)跟地址關(guān)聯(lián)起來(lái)。

　　應(yīng)用層又分為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層(NWK Application)和用戶(hù)程序應(yīng)用層(Peer Application)。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層提供網(wǎng)絡(luò)層管理，除了提供外部PING訪問(wèn)以外，還提供了很多供用戶(hù)開(kāi)發(fā)的接口，表1詳細(xì)列出了相關(guān)的應(yīng)用及描述。

表1 應(yīng)用層的用戶(hù)開(kāi)發(fā)接口

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　　SimpliciTI支持2種基本網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜忘c(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，同時(shí)支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽U(kuò)展，即在星狀網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，使用范圍擴(kuò)展設(shè)備網(wǎng)絡(luò)為串狀網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)就采用這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中包括一個(gè)AP(Access Point)、多個(gè)RE(Range Extender)、多個(gè)ED(End Device)終端。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件主要分為控制中心、終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)軟件3個(gè)部分。

　　3．1 控制中心

　　控制中心不斷地監(jiān)測(cè)有多少節(jié)點(diǎn)設(shè)備加入，并判斷是否加滿(mǎn)。若數(shù)據(jù)中心還有空閑的PORT，則分配PORT，通知節(jié)點(diǎn)設(shè)備通信的PORT號(hào)。對(duì)已經(jīng)加入該數(shù)據(jù)中心的設(shè)備通信，判斷是否收到數(shù)據(jù)，如果收到符合格式的數(shù)據(jù)，則上傳給PC機(jī)顯示或存數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　等待串口數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)，則繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)；如果收到數(shù)據(jù)，則取對(duì)應(yīng)的通信PORT，發(fā)送控制命令到指定的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)溫度光亮度等需要調(diào)整。流程如圖5所示。

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圖5 控制中心軟件流程

　　3. 2 終端節(jié)點(diǎn)

　　終端節(jié)點(diǎn)的主要功能有：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心，加入網(wǎng)絡(luò)；定時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，初始化溫控系統(tǒng)；接收數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心傳來(lái)的控制命令執(zhí)行；監(jiān)測(cè)串口狀態(tài)。流程如圖6所示。

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圖6 終端結(jié)點(diǎn)流程圖

　　3．3 路由節(jié)點(diǎn)

　　路由節(jié)點(diǎn)也稱(chēng)為范圍擴(kuò)展，其實(shí)現(xiàn)的功能是將數(shù)據(jù)的通信距離延長(zhǎng)，起到擴(kuò)展每一個(gè)設(shè)備通信距離的作用，設(shè)計(jì)使用時(shí)需要注意如下問(wèn)題：需要接收的數(shù)據(jù)有效載荷的長(zhǎng)度不能大于范圍擴(kuò)展定義的最大有效載荷長(zhǎng)度；修改范圍擴(kuò)展最大有效載荷的長(zhǎng)度；需要接收的數(shù)據(jù)有效載荷的長(zhǎng)度不能大于整個(gè)協(xié)議定義的最大有效載荷長(zhǎng)度 (50字節(jié))；范圍擴(kuò)展不能掉電。流程如圖7所示。

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圖7 路由節(jié)點(diǎn)軟件流程

　　4 總結(jié)

　　該無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過(guò)在多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上配置各種微型傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由節(jié)點(diǎn)完成對(duì)采集的物理量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，經(jīng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一的分析、處理和保存。相對(duì)于傳統(tǒng)的敷線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有功耗少、成本低、操作簡(jiǎn)便靈活的優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)用的一種高效節(jié)能、性能可靠的新技術(shù)。由本設(shè)計(jì)派生出來(lái)的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)有著非常廣泛的應(yīng)用環(huán)境。

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