SimpliciTI网络协议的无线数据采集系统设计

引言

　　随着生产技术的现代化进程，各种生产环境条件下的监控系统也在不断发展，传统的监控系统多采用有线的方式。无线传感器网络的出现提供了另外更好的选择。对比于传统的有线网络，无线局域网的应用价值体现在：

　　可移动性。由于没有线缆的限制，用户可以在不同的地方移动工作，网络用户不管在任何地方都可以实时地访问信息。

　　布线容易。由于不需要布线，消除了野外布线的繁琐工作，因此安装容易，建网时间可大大缩短。

　　组网灵活。无线局域网可以组成多种拓扑结构，可以十分容易地从少数用户的点对点模式扩展到上百个用户的基础架构网络。

　　另外，无线网络通信范围不受环境条件的限制，室外可以传输几公里、室内可以传输数十、几百米。在网络数据传输方面也有与有线网络等效的安全加密措施。

　　1 硬件设计

　　系统采用SimpliciTI网络协议支持的串状网络结构，整个系统由中心控制器、路由节点和终端节点组成。中心控制器通过USB与电脑连接，可以通过PC软件显示和查看信息，同时也可以通过PC软件系统进行设置和控制。而中心控制器采用无线方式与其他路由节点和终端节点通信。当中心控制器不能直接与终端节点通信时，就由路由节点转发通信数据。系统结构如图1所示。中心控制器、路由节点、终端节点都采用CC111O芯片，终端节点的CC1110芯片接收如温度、光照等各种类型的传感器采集来的数据，并进行处理发送。

 

图1 系统结构

　　CC1110芯片包含了CC1100 RF收发器，并内嵌了加强型51内核单片机。芯片内嵌32 KB的在系统可编程Flash存储器、4 KB的SRAM存储器、8通道8～14位A／D转换器、1个16位定时器和3个8位定时器、2个UART／SPI、RTC和21个通用I／0。基于 CC1100的高性能无线收发器工作于433 MHz，频率稳定性好，灵敏度高，无线数据传输最大速度可达500 kb／s，采用低供电电压(2．3～3．6 V)，在数据采集发送期间的电流消耗为18 mA，休眠期间消耗电流为O．5μA，电流消耗非常低，工作温度范围为-40～85℃，适应于恶劣环境。CC1110应用电路如图2所示。

 

图2 CC1110应用电路

　　2 网络协议设计

　　协议采用TI推出的针对简单小型RF网络的专有低功耗RF协议——SimpliciTI网络协议，能够简化实施工作，尽可能降低微控制器的资源占用。该协议能“开盒即用”地在CC111O／CC2510等片上系统(SoC)或MSP430超低功耗微控制器与CC11OX／CC2500RF 收发器上运行。设计得当的RF协议对降低最终应用的功耗至关重要。

　　SimpliciTI网络协议由Network Management(网络管理)、Access Point、Frenquency Agility(跳变)、Range Extender、Eneyption(加密)、Battery-only Network(低功耗网络)几个模块构成。

　　SimpliciTI网络协议主要包括3层：Application Layer(应用层)、Network Layer(网络层)、Lite Hardware Abstraetion Layer(硬件逻辑层)，如图3所示。SimpliciTI网络的加密在网络层处理。

 

图3 SimpliciTI网络协议结构

　　SimpliciTI的硬件逻辑层主要包括：Radio(射频层)、BSP(应用板支持层程序包)。SimplieiTI没有物理层(PHY)和数据链路层(MAC／LLC)，数据直接从射频层接收过来，射频层的作用就是直接将数据接收下来。协议内提供了射频层与网络层(NWK)连接的板级支持层程序包 BSP(Board SupPORT Package)，BSP提供射频层与网络层通信的SPI接口。BSP并不是传统意义上的硬件网络逻辑层，它不仅仅是射频层与网络层之间通信的服务支持。 BSP方便地提供了LED、KEYS以及GPIO引脚的定义，但是其他相关的定义并没有提供，如串口、LCD、定时器等，用户需要根据自己的程序进行定义。SimpliciTI网络协议工作原理如图4所示。

 

图4 SimpliciTI网络协议工作原理

　　网络层负责如下功能管理：频段管理，跳频支持，调制方式、数据传输速率等无线参数管理，加密管理，数据传输，CCA(清除信道*估)，网络ID，设备地址，加入、连接网络。

　　网络层管理射频发送与接收，并指定目的地址。目的地址通过接口号(PORT)指定，网络层是不会做任何帧处理的。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。接口编号范围为0x01～0x3F，其中0x01～Ox1F为接口，Ox20～0x3F为用户定义。接口用于网络层自身对网络的管理，这些接口不能被用户应用层应用。就像TCP／IP中的IP必须对应相应的物理地址一样，网络层会在连接过程中把接口号跟地址关联起来。

　　应用层又分为网络应用层(NWK Application)和用户程序应用层(Peer Application)。网络应用层提供网络层管理，除了提供外部PING访问以外，还提供了很多供用户开发的接口，表1详细列出了相关的应用及描述。

表1 应用层的用户开发接口

 

　　SimpliciTI支持2种基本网络拓扑结构：星状网络拓扑和点对点对等网络拓扑，同时支持网络拓扑扩展，即在星状网络的基础上，使用范围扩展设备网络为串状网络。本系统就采用这种网络拓扑结构，其中包括一个AP(Access Point)、多个RE(Range Extender)、多个ED(End Device)终端。