SimpliciTI網絡協議的無線數據采集系統設計

楊立林

(南京曉莊學院數學與信息技術學院,南京211171)

引 言

隨著生產技術的現代化進程,各種生產環境條件下的監控系統也在不斷發展,傳統的監控系統多采用有線的方式。無線傳感器網絡[1]的出現提供了另外更好的選擇。對比于傳統的有線網絡,無線局域網的應用價值體現在[2]:

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

系統采用SimpliciTI網絡協議支持的串狀網絡結構[3],整個系統由中心控制器、路由節點和終端節點組成。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點和終端節點通信。當中心控制器不能直接與終端節點通信時,就由路由節點轉發通信數據。系統結構如圖1所示。中心控制器、路由節點、終端節點都采用CC1110芯片,終端節點的CC1110芯片接收如溫度、光照等各種類型的傳感器[4]采集來的數據,并進行處理發送。

CC1110芯片包含了CC1100 RF收發器,并內嵌了加強型51內核單片機。芯片內嵌32 KB的在系統可編程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/O。基于CC1100的高性能無線收發器工作于433 MHz,頻率穩定性好,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),在數據采集發送期間的電流消耗為18m A,休眠期間消耗電流為0.5μA,電流消耗非常低,工作溫度范圍為-40～85℃,適應于惡劣環境[5]。CC1110應用電路如圖2所示。

圖1 系統結構

圖2 CC1110應用電路圖

2 網絡協議設計

協議采用TI推出的針對簡單小型RF網絡的專有低功耗RF協議——Simp liciTI網絡協議,能夠簡化實施工作,盡可能降低微控制器的資源占用。該協議能“開盒即用”地在CC1110/CC2510等片上系統(SoC)或MSP430超低功耗微控制器與CC110X/CC2500RF收發器上運行。設計得當的RF協議對降低最終應用的功耗至關重要[3]。

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

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

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)。SimpliciTI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網絡協議工作原理如圖4所示。

圖3 SimpliciTI網絡協議結構

圖4 SimpliciTI網絡協議工作原理

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(清除信道評估),網絡ID,設備地址,加入、連接網絡。

網絡層管理射頻發送與接收,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TCP/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0x01～0x1F為接口,0x20～0x3F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 應用層的用戶開發接口

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。本系統就采用這種網絡拓撲結構,其中包括一個AP(Access Point)、多個RE(RangeExtender)、多個ED(End Device)終端。

3 軟件設計

軟件主要分為控制中心、終端節點和路由節點軟件3個部分[6]。

3.1 控制中心

控制中心不斷地監測有多少節點設備加入,并判斷是否加滿。若數據中心還有空閑的PORT,則分配PORT,通知節點設備通信的PORT號。對已經加入該數據中心的設備通信,判斷是否收到數據,如果收到符合格式的數據,則上傳給PC機顯示或存數據庫。

等待串口數據,如果沒有數據,則繼續執行其他任務;如果收到數據,則取對應的通信PORT,發送控制命令到指定的節點,該節點溫度光亮度等需要調整。流程如圖5所示。

圖5 控制中心軟件流程

3.2 終端節點

終端節點的主要功能有:監測數據中心,加入網絡;定時采集傳感器數據,初始化溫控系統;接收數據中心數據,監控數據中心傳來的控制命令執行;監測串口狀態。流程如圖6所示。

圖6 終端節點軟件流程

3.3 路由節點

路由節點也稱為范圍擴展,其實現的功能是將數據的通信距離延長,起到擴展每一個設備通信距離的作用,設計使用時需要注意如下問題:需要接收的數據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;需要接收的數據有效載荷的長度不能大于整個協議定義的最大有效載荷長度(50字節);范圍擴展不能掉電。流程如圖7所示。

圖7 路由節點軟件流程

4 總 結

該無線數據采集系統是通過在多個終端節點上配置各種微型傳感器,實現了對目標環境進行實時監測,由節點完成對采集的物理量到數字量的轉換,經無線通信網絡將數據傳送至PC機進行統一的分析、處理和保存。相對于傳統的敷線網絡系統,具有功耗少、成本低、操作簡便靈活的優勢,是實現實時監控應用的一種高效節能、性能可靠的新技術。由本設計派生出來的無線監控系統有著非常廣泛的應用環境。

[1]繆嘉敏,肖德琴,馮健昭.基于無線傳感器網絡的土壤水分監測基站系統設計[J].傳感器與微系統,2009(9).

[2]麻信洛,李曉中,葛長濤.無線局域網構建及應用[M].北京:國防工業出版社,2009.

[3]Friedman L.SimpliciTI Developers Notes[EB/OL].[2010-06].http://focus.ti.com.cn/cn/docs/toolsw/folders/print/simpliciti.html?DCMP=hpa_rf_general&HQS=Other+OT+simpliciti.

[4]Wilson Jon S.傳感器技術手冊[M].林龍信,譯.北京:人民郵電出版社,2009.

[5]Texas Instruments.CC1110 Datasheet,2007.

[6]李文仲,段朝玉.CC1110/2510無線單片機和無線自組織網絡入門與實戰[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.