基于SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無線溫度采集系統(tǒng)

王昕瑋

摘 要：文章基于SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)一種低功耗無線溫度采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)硬件采用低功耗單片機(jī)MSP430F5308和射頻芯片CC1101組成無線通訊模塊，溫度采集模塊使用MCP9808數(shù)字溫度傳感器芯片。本系統(tǒng)具有低功耗，方便移動(dòng)，組網(wǎng)靈活，測量精度高，不受環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：SimpliciTI協(xié)議；無線通信；溫度采集

1 概述

隨著我國生產(chǎn)技術(shù)的不斷更新，現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境下的溫度采集系統(tǒng)也在不斷的發(fā)展。傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)多使用有線的方式采集溫度，有線方式通常存在布線復(fù)雜，維護(hù)不方便，測量點(diǎn)固定等缺點(diǎn)。此時(shí)，無線溫度采集系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，無線溫度采集系統(tǒng)沒有電纜限制，測量點(diǎn)方便移動(dòng)，并容易安裝，組網(wǎng)靈活，可以組成多種網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)一種基于SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無線溫度采集系統(tǒng)。

2 SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是TI公司開發(fā)的一種低功耗網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。該協(xié)議適用于簡單小型的無線射頻網(wǎng)絡(luò)，該協(xié)議應(yīng)用簡單，降低了設(shè)計(jì)難度。SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供了幾個(gè)基本的API函數(shù)，可以直接調(diào)用API函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用操作，實(shí)現(xiàn)SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)的初始化、節(jié)點(diǎn)加入、建立連接、終止連接、ping查詢、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)等操作[1]。在SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)中存在3種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型：接入點(diǎn)（AP）、范圍擴(kuò)展設(shè)備（RE）和終端設(shè)備（ED）。SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)的建立流程為，首先AP初始化SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)，然后ED加入網(wǎng)絡(luò)建立連接，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

3 系統(tǒng)總體構(gòu)成

本系統(tǒng)采用串聯(lián)星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由計(jì)算機(jī)、中心控制節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和終端采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成[2]。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，在無線溫度采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，有一個(gè)中心控制節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的組建與管理，中繼節(jié)點(diǎn)用于擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)范圍，終端采集節(jié)點(diǎn)用于溫度的采集。終端采集節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集到溫度數(shù)據(jù)后，可以直接發(fā)送溫度數(shù)據(jù)到中心控制節(jié)點(diǎn)，當(dāng)不能直接發(fā)送到中心控制節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以發(fā)送給就近的中繼節(jié)點(diǎn)，再由中繼節(jié)點(diǎn)將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到中心控制節(jié)點(diǎn)，最后中心控制節(jié)點(diǎn)將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，使用計(jì)算機(jī)軟件來監(jiān)控采集到的溫度。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)控制和通信部分采用相同的硬件結(jié)構(gòu)，主要包括微處理器模塊和無線射頻模塊。微處理器采用低功耗單片機(jī)MSP430F5308，支持休眠喚醒操作，具有UART，SPI，IIC等通信接口，外圍電路簡單。無線射頻模塊使用CC1101芯片作為無線收發(fā)芯片，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信功能，無線收發(fā)芯片CC1101具有低功耗、傳輸可靠、接收靈敏、抗干擾能力強(qiáng)、無須申請(qǐng)頻點(diǎn)等特點(diǎn)。工作頻段設(shè)定靈活，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)其工作頻段為433MHz。CC1101支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)500Kb/s，并且發(fā)射功率足夠高，采用全向天線，保證發(fā)射無死區(qū)[3]。

（1）中心控制節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)中心控制節(jié)點(diǎn)還具有USB通訊模塊，能同計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。USB模塊使用USB總線轉(zhuǎn)換芯片CH340G來實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口功能。計(jì)算機(jī)可以通過USB接口和中心控制節(jié)點(diǎn)相連，實(shí)現(xiàn)使用計(jì)算機(jī)軟件監(jiān)控和存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)。

（2）中繼節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)由微處理器模塊和射頻模塊組成。主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)范圍拓展的功能。中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行不同節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）終端采集節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)終端采集節(jié)點(diǎn)主要功能為溫度數(shù)據(jù)的采集，溫度采集模塊使用MCP9808數(shù)字溫度傳感器。MCP9808數(shù)字溫度傳感器具有低功耗，采集精度高等特性。MCP9808數(shù)字溫度傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的IIC接口，操作方便。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，中心控制節(jié)點(diǎn)初始化網(wǎng)絡(luò)后，進(jìn)行信道監(jiān)聽操作，終端采集節(jié)點(diǎn)向中心控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)求，若中心控制節(jié)點(diǎn)接收到連接請(qǐng)求后，則向該終端采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答消息，從而完成網(wǎng)絡(luò)連接的建立。終端采集節(jié)點(diǎn)采用定時(shí)中斷的方式進(jìn)行溫度采集，能夠有效降低終端采集節(jié)點(diǎn)的功耗，溫度數(shù)據(jù)采集完成后由終端采集節(jié)點(diǎn)向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送。本系統(tǒng)軟件包括中心控制節(jié)點(diǎn)軟件、中繼節(jié)點(diǎn)軟件和終端采集節(jié)點(diǎn)軟件3個(gè)部分。

（1）中心控制節(jié)點(diǎn)。中心控制節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖2（a）所示，主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)聽是否有其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，并給加入的設(shè)備分配ID號(hào)，并且能夠同加入網(wǎng)絡(luò)的終端采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，同時(shí)把收到的溫度數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)軟件中。

（2）中繼節(jié)點(diǎn)。中繼節(jié)點(diǎn)的主要功能是網(wǎng)絡(luò)范圍的擴(kuò)展，增加通信距離，中繼節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，可以轉(zhuǎn)發(fā)中心控制節(jié)點(diǎn)的發(fā)送的命令，也可以轉(zhuǎn)發(fā)終端采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)。

（3）終端采集節(jié)點(diǎn)。終端采集節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖2（b）所示，主要功能為加入網(wǎng)絡(luò)，利用中斷方式定時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，并向中心控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語

本文無線溫度采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多終端的溫度自動(dòng)采集，完成溫度數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)向中心控制節(jié)點(diǎn)的傳送，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測與存儲(chǔ)。本系統(tǒng)是一種組網(wǎng)靈活，可移動(dòng)，安裝方便，低功耗的無線溫度采集系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用場景。

參考文獻(xiàn)

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