基于SimpliciTI协议的无线传感网络系统设计

2011-09-04 06:09曾学为孙玲玲李少将
关键词:网关串口射频

(曾学为,孙玲玲,李少将

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室,浙江杭州310018)

0 引言

射频技术在无线通信中具有广泛和应用。无线传感网络正是由大量射频传输节点组成的,通过无线数据传输组成的多跳自组织网络系统[1]。目前,市场上的短距离无线通信技术主要有Zigbee、蓝牙和WiFi。在433MHz频段,还没有IEEE标准协议栈。国际上一些大型芯片公司为推广本公司的芯片或方案发布了一些非国际标准的网络协议,如Nordic公司的nRF方案和TI公司的SimpliciTI网络协议[2]。本文基于SimpliTI协议,设计了一种星形无线传感网络,可应用于需要一个数据采集中心和多个节点的场合。以单片机和射频芯片为核心,实现数据中心(Access Point,AP)与终端(End Device,ED)的双向通信,SimpliTI协议栈可保障网络的稳定通信。AP和网关通过串口通信,可在网关上实时监测整个网络传感器数据并控制各节点行为。

1 节点硬件设计

该节点主要由TI公司的MSP430F149和低功耗射频收发芯片CC1101[3]组成,单片机与射频芯片通过SPI总线连接。节点框图如图1所示。

图1 节点总体框图

CC1101是一种低成本真正单片的超高频收发器,为低功耗无线应用而设计。工作在315、433、868和915MHz的ISM/SRD波段系统。支持FSK、GFSK、ASK/OOK和MSK调制方法。最大传输速率为500kbps,接收灵敏度在1.2kbps时达-110dBm。设计中传感器网络选择工作在433MHz频段。

2 系统软件设计的具体实现

网络拓朴结构决定了通信方案,SimpliciTI支持点对点、星型、多跳型拓朴结构。

SimpiciTI是TI公司推出的针对低功耗射频通信的免费协议栈,是一种适用于小型低功耗无线网络的简易网络通信协议。其网络层次抽象为应用层、网络层和数据链路层。

(1)数据链路层由底层硬件层面和射频驱动层面组成,底层硬件层面定义了用户使用的硬件模块。

(2)网络层管理发送和接收消息序列并对消息帧进行调度发送到指定目的地址,目的地址通过端口号(PORT)指定。网络层不对消息帧进行任何处理。端口概念与TCP/IP中的PORT概念相似,它是地址概念的延伸。网络层负责频段管理、跳频支持、调制方式、数据传输速率、加密管理等功能管理。

(3)应用层为网络管理提供支持,在具体协议代码中,每个应用有相应的函数库和头文件提供用应用程序编程接口。

2.1 星型网络结构设计

协议中同一个网络中只能有一个AP,实验中组建了由一个AP和8个ED组成了无线网络,如图2所示。

图2 星型网络结构

AP作为数据中心,管理整个网络的运行,一直侦听是否有新的节点加入,新节点加入后,为其分配一个端口。此后每个ED和AP便能建立起互不干扰的通信。如表1所示为使用SimpliciTI协议通信时的数据帧结构。

表1 SimpliciTI数据帧结构

表1中,有效数据是实际要传输的数据,其值在0至52字节之间。其中目的地址和源地址是两个非常重要的参数,网络中的每个节点都有唯一的4个字节的物理地址,这个地址可以手动分配也可以随机产生。实验中采用随机地址,利用MSP430系列单片机内部FLASH,在MSP430F149单片机FLASH的Peripherals段(01FFH-0100H),每片单片机有各不相同的信息[4]。

在程序编译环境中,做如下设定。

通过SMPL_Ioctl指令,便可以将从0x10F0地址开始的连续存储的4个字节作为节点的物理地址。

2.2 软件设计流程

整个系统的通信流程如图3所示。其中AP负责与网关及ED通信[5],其本身可以不包含传感器设备。

图3 软件流程框图

AP可能接收来自无线网络的传感器数据或来自串口的网关命令。AP按加入网络的时间先后顺序分配和ED的ID(0x01-0x08),每个ID对应一个唯一的物理地址。断电等原因与AP失去联系的ED,在重新成功加入网络后其ID不会改变。

AP将接收到的ED数据通过串口发送至网关,同时也可将网关发送的命令发送至相应ED。对ED来说,可以主动或被动地向AP发送采取到的传感器数据,为尽量减少多个ED向AP发送数据时造成的拥堵,ED主动发数据时使用不定时发送的机制,而被动发数据(即收到AP命令)时,立即将数据发送到AP。

2.3 网关上位机系统

网关以ARM9嵌入式处理器AT91SAM9261为核心,配备串口、网口、矩阵键盘、16cm LCD液晶等常用外设。在其上开发WinCE上位机程序[6],采集实验数据。网关可选择主动或被动地接收AP通过串口发送的数据,将温湿度、光照、红外等信息实时显示并更新。实验测试结果如图4所示。AP与网关数据通信格式如表2所示。

图4 网关上位机采集数据测试截图

表2 AP 与网关数据通信格式

SOF固定为0xAA、开始帧固定为0xCC、结束帧固定为0xBB。从机编号为8个板子的编号0x01-0x08。PAYLOAD为传感器采集的数据,实验中固定为7个字节长度。AP通过串口向网关发送各节点采集到的数据,网关也可以发送命令控制AP采集相应节点的数据。

3 结束语

本文介绍了一种基于SimpliciTI协议的无线传感网络,实现了点对多星装网络数据的透明通信。网络有效通信距离受发射功率、硬件设计、外部环境等因素影响,可对射频部分加PA等措施提高发送功率。对本设计的无线传感网络进行不同发射功率下的距离测试,测试环境为阴天,教学楼楼顶空旷平地。测试结果如表3所示。

表3 不同发射功率下的网络有效通信距离

通过MCU芯片内部FLASH相应区段设计节点的物理地址,方便了程序的烧写与扩展。通过更改芯片的发送频率,或者改变支持SimpliciTI协议的射频芯片,可以很方便的移植。传感器节点也可通过串口接收外部数据,作为透明的传输节点,应用于不同的场合。

[1] 王军强.基于SimpliciTI的无线传感器网络关键技术研究[D].重庆:重庆大学,2009.

[2] Texas Instruments.SimpliciTI Specification,Version 1.09[EB/OL],http://vip.gatech.edu/wiki/images/a/ad/Simplici-TI%2BSpecification.pdf,2010 -08 -21.

[3] Texas Instruments.CC1101 Datasheet[EB/OL].http://focus.ti.com/lit/ds/swrs061f/swrs061f.pdf,2011 - 03 - 20.

[4] Texas Instruments.MSP430F149 Datasheet[EB/OL].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f149.pdf,2011 - 06-12.

[5] Zhou Xiaoyan,Huang Tinglei,Liu Pin,et al.Research on smart living technology based on WSN[C].Gandhinagar Gujarat:International Commission on Intervention and State Sovereignty,2010:938 -941.

[6] 何宗键.Windows CE嵌入式系统[M].北京:北京航天航空大学出版社,2006:78-81.

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