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

摘要：利用TI推出的針對簡單小型RF網(wǎng)絡(luò)的專有低功耗RF協(xié)議——SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計了一種無線數(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)點和終端節(jié)點，并在此基礎(chǔ)上進行軟件設(shè)計。實驗結(jié)果證明方案行之有效。
關(guān)鍵詞：SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；CC1110；數(shù)據(jù)采集

引言
    隨著生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)代化進程，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。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)提供了另外更好的選擇。對比于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)，無線局域網(wǎng)的應(yīng)用價值體現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)時間可大大縮短。
    組網(wǎng)靈活。無線局域網(wǎng)可以組成多種拓撲結(jié)構(gòu)，可以十分容易地從少數(shù)用戶的點對點模式擴展到上百個用戶的基礎(chǔ)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。
    另外，無線網(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
    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(shè)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(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、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(shù)據(jù)，并進行處理發(fā)送。


    CC1110芯片包含了CC1100 RF收發(fā)器，并內(nèi)嵌了加強型51內(nèi)核單片機。芯片內(nèi)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(zhuǎn)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。基于 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(shù)據(jù)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(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。

[!--empirenews.page--]

2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計
    協(xié)議采用TI推出的針對簡單小型RF網(wǎng)絡(luò)的專有低功耗RF協(xié)議——SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)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(shè)計得當?shù)腞F協(xié)議對降低最終應(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來，射頻層的作用就是直接將數(shù)據(jù)接收下來。協(xié)議內(nèi)提供了射頻層與網(wǎng)絡(luò)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(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)的定義并沒有提供，如串口、LCD、定時器等，用戶需要根據(jù)自己的程序進行定義。SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工作原理如圖4所示。


    網(wǎng)絡(luò)層負責如下功能管理：頻段管理，跳頻支持，調(diào)制方式、數(shù)據(jù)傳輸速率等無線參數(shù)管理，加密管理，數(shù)據(jù)傳輸，CCA(清除信道評估)，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。目的地址通過接口號(PORT)指定，網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)層自身對網(wǎng)絡(luò)的管理，這些接口不能被用戶應(yīng)用層應(yīng)用。就像TCP／IP中的IP必須對應(yīng)相應(yīng)的物理地址一樣，網(wǎng)絡(luò)層會在連接過程中把接口號跟地址關(guān)聯(lián)起來。
    應(yīng)用層又分為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層(NWK Application)和用戶程序應(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(guān)的應(yīng)用及描述。


    SimpliciTI支持2種基本網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)：星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲和點對點對等網(wǎng)絡(luò)拓撲，同時支持網(wǎng)絡(luò)拓撲擴展，即在星狀網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，使用范圍擴展設(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)拓撲結(jié)構(gòu)，其中包括一個AP(Access Point)、多個RE(Range Extender)、多個ED(End Device)終端。
[!--empirenews.page--]
3 軟件設(shè)計
    軟件主要分為控制中心、終端節(jié)點和路由節(jié)點軟件3個部分。
3．1 控制中心
    控制中心不斷地監(jiān)測有多少節(jié)點設(shè)備加入，并判斷是否加滿。若數(shù)據(jù)中心還有空閑的PORT，則分配PORT，通知節(jié)點設(shè)備通信的PORT號。對已經(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機顯示或存數(shù)據(jù)庫。
    等待串口數(shù)據(jù)，如果沒有數(shù)據(jù)，則繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)；如果收到數(shù)據(jù)，則取對應(yīng)的通信PORT，發(fā)送控制命令到指定的節(jié)點，該節(jié)點溫度光亮度等需要調(diào)整。流程如圖5所示。


3. 2 終端節(jié)點
    終端節(jié)點的主要功能有：監(jiān)測數(shù)據(jù)中心，加入網(wǎng)絡(luò)；定時采集傳感器數(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)控數(shù)據(jù)中心傳來的控制命令執(zhí)行；監(jiān)測串口狀態(tài)。流程如圖6所示。


3．3 路由節(jié)點
    路由節(jié)點也稱為范圍擴展，其實現(xiàn)的功能是將數(shù)據(jù)的通信距離延長，起到擴展每一個設(shè)備通信距離的作用，設(shè)計使用時需要注意如下問題：需要接收的數(shù)據(jù)有效載荷的長度不能大于范圍擴展定義的最大有效載荷長度；修改范圍擴展最大有效載荷的長度；需要接收的數(shù)據(jù)有效載荷的長度不能大于整個協(xié)議定義的最大有效載荷長度 (50字節(jié))；范圍擴展不能掉電。流程如圖7所示。



4 總結(jié)
    該無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過在多個終端節(jié)點上配置各種微型傳感器，實現(xiàn)了對目標環(huán)境進行實時監(jiān)測，由節(jié)點完成對采集的物理量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，經(jīng)無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至PC機進行統(tǒng)一的分析、處理和保存。相對于傳統(tǒng)的敷線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有功耗少、成本低、操作簡便靈活的優(yōu)勢，是實現(xiàn)實時監(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)計派生出來的無線監(jiān)控系統(tǒng)有著非常廣泛的應(yīng)用環(huán)境。