基于SimpliciTI网络协议的无线串口桥技术研究

孙长国，王莹，刘志宏

（解放军92117部队，北京100072）

引 言

随着网络和通信技术的高速发展，人们对无线通信的需求也越来越高。为避免复杂的线路连接，人们希望通过一个小型的、短距离的无线网络为简单的数据传输提供服务。

无线串口接口简单、兼容性好，能够实现点对点的无线数据传输，但只有实现真正透明传输，才能实现应用简单，适用范围广泛的特点。

因此，无线串口通信的设计就显得尤为重要。本文提出的基于SimpliciTI网络协议的无线串口桥技术，采用了数据帧的自适应接收、自动跳频抗干扰技术、超低功耗设计技术等实现了模块的高可靠性、小型化等特点，通信系统结构简单，操作方便，实时性很高。在远程控制、无线数据采集等多个领域具有很好的应用和发展前景。

1 SimpliciTI网络协议的优势

蓝牙和ZigBee作为标准、优秀的通信技术，两者在各自定义的领域可以发挥重要作用。尽管如此，基于国际标准的技术也有缺点。首先，为满足标准，在初始设计和兼容性测试中必须付出高昂费用。其次，就其字面意义而言，标准必须是“通用性极强”的解决方案，但由于竞争对手也掌握相同的技术，所以很难使产品在竞争激烈的全球市场中实现差异化。最后，标准解决方案很少有机会实现足够的灵活性，例如，为了确保兼容性就需要大量数据包开销，从而增加数据传输时间和功耗，无线产品的功耗降低空间就极其有限。

SimpliciTI网络协议是TI公司于2007年推出的针对简单小型无线网络的专有低功耗网络协议，目前已经发展10余个版本。该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，具有低成本、低功耗、源代码公开且免费、支持具有睡眠状态功能的设备、易于开发等特点。该协议能“开盒即用”地在CC110x／CC2500等多种RF收发器上运行［1］。

对于SimpliciTI协议的具体内容，这里不再赘述，下面主要结合无线串口桥技术，探讨一下SimpliciTI网络协议的具体应用。

2 总体架构设计

SimpliciTI网络协议专为简单的RF网络而设计，对适合网状路由与标准化配置的大型网络的ZigBee而言是一种很好的补充。协议对端到端的通信具有良好支持，其典型的拓扑结构如图1所示，这就为无线串口桥设计提供了良好基础。

图1 SimpliciTI协议典型拓扑结构

硬件设计采用CC1110无线单片机＋FT232R串口芯片设计，单个节点硬件电路原理图如图2所示。

CC1110单片机可以无缝运行SimpliciTI协议栈，并支持串口数据通信［2］，只要一个电感电容组成的匹配网络就可以实现无线通信；采用FT232R串口芯片，实现虚拟USB接口，方便与计算机连接。节点设计采用 USB供电，并设计一个工作状态指示灯，用于无线数据收发状态指示。整个节点设计具有高可靠、小型化、低成本等特点。

图2 单个节点硬件电路原理图

3 关键技术

3.1 数据帧自适应接收技术

为解决无线通信的可靠性、实时性问题，实现真正的透明传输，设计利用SimpliciTI协议提供的回调函数，实现了数据帧自动接收，大大提高了通信效率和可靠性。

SimpliciTI协议提供了一个通用的回调函数sRxCallback，该函数通过SMPL＿Init（sRxCallback）函数进行了注册，并实现了网络初始化，生成一个LinkID，这是节点在网络里的唯一标识。一旦有无线数据接收，系统进入中断服务程序调用该函数，并通过SMPL＿Receive（sLinkID2，msg，＆len））＆＆len）从射频层RX FIFO获取数据，并存储在接收帧队列，如果接收队列满，则队列里的旧帧将被丢弃，之后，中断例程被释放。回调函数运行在接收中断例程里提高了工作效率，实现了较小延迟的数据接收。

3.2 自动跳频技术

SimpliciTI协议1.2.0版已经具备了频率捷变和管理功能。自动调频技术结合CC1110单片机的CCA（Clear Channel Assessment，空闲信道评估）功能，并利用SimpliciTI协议频率捷变能力，提高了无线通信的抗干扰能力。自动跳频流程图如图3所示。

图3 自动跳频流程图

CC1110单片机的空闲信道评估功能主要通过接收信号强度RSSI实现的，CC1110无线通信的接收信号灵敏度是－110dBm，而SimpliciTI协议中，可靠的接收信号门限设置为－70dBm，提高了接收数据的可靠性。实际计算RSSI的平均值，这样才能得到有效的信道评估值［3］。如果信道评估失败，则更换信道，信道数量一般设置为4个，信道间隔多达1MHz，从而保证了信道可用［4］。

4 无线串口桥技术实现

无线串口通信系统的主要功能是实现串口数据的无线收发。PC机上的监控等指令按照一定的通信协议的格式通过RS232串口发送到无线节点，数据通过校验并经无线串口桥简单协议将数据无线发送出去。同时，另一个节点进行侦听，如收到有效数据，则将数据按照通信协议格式解包，加上帧头和校验位后，通过RS232串口发送到PC机上。

4.1 软件流程图

本系统软件开发采用基于SimpliciTI－1.2.0协议，采用IAR Embedded Workbench 7.60作为开发环境，编程采用C语言，使得系统设计十分方便。这里给出了整个系统程序设计流程图，如图4所示。

图4 软件系统流程图

两个节点各自完成初始化后，ED节点开始进行信道扫描，使用SimpliciTI协议内部自带的SMPL＿Ping（sLinkID）函数，该函数可实现对信道列表内的所有信道进行扫描，类似于TCP／IP协议的Ping功能。当另一个节点AP收到后，发送应答指令，这样ED节点就实现了信道发现并锁定，然后通过Join到Link等过程［5］，实现数据通信。

4.2 帧格式

在串口收发数据和无线收发数据时，都需要根据具体的应用来拟定数据格式。表1给出了通信的帧格式，整个帧格式实际上就是SimpliciTI协议的数据载荷，而串口通信数据帧这里没有给出具体的格式，用户可以根据具体的应用加以变化，使得串口通信实现真正的透明传输，即所发即所收。

表1 通信帧格式

4.3 测试试验

为了测试本系统的无线传输可靠性，搭建了一个简单的测试平台，对丢包率进行了测试试验。节点1为AP模块，节点2为ED模块，将两个模块分别连接计算机串口，使用串口调试助手SSCOMV3.0进行收发测试。值得注意的是，串口是全双工通信，而无线则是半双工通信，因此，同一时刻，收发测试是单向的。表2给出了误码率的测试结果，实验室测试距离为10m。发送测试数据为：99H0AH 01H01H01H00H00H00H00HA6H，共计10个字节。

表2 测试实验统计表（持续时间为5min）

测试结果表明，只要保证足够的发送间隔，数据包的送达率可达到较高水平，对于出现丢包的情况，可以通过用户应用程序重发校验机制予以解决。

结 语

采用基于SimpliciTI协议的无线串口桥通信系统，从硬件电路设计、数据自适应接收技术、自动跳频技术、帧格式及软件编程等几个方面进行了详细设计，真正实现了数据的透明传输。测试结果表明，该系统硬件结构简单、数据传输可靠、易扩展、实时性好。实际应用后，大大减小了线路连接的复杂程度，从而避免了施工布线、电线老化等问题，可广泛应用于远程控制、无线数据采集等多个领域，具有很好的应用和推广前景。

［1］李文仲，段朝玉.CC1100／CC2510无线单片机和无线自组织网络入门与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008：221－242.

［2］杨鹏云，佟云峰，宋学青.基于CC1110的点对多点无线通信系统［J］.云南大学学报：自然科学版，2009，31（S2）：304－307.

［3］杨宁，史仪凯，袁小庆.SimpliciTI网络频率捷变机制的研究［J］.传感技术学报，2011，12（24）：1739－1742.

［4］Sung Tienwen，Yang Chusing.An Adaptive Joining Mechanismfor Improving the Connection Ratio of Zigbee Wireless Sensor Net－works［J］.International Journal of Communication Systems，2010，23（2）：231－251.

［5］曾学为，孙玲玲，李少将.基于SimpliciTI协议的无线传感网络系统设计［J］.杭州电子科技大学学报，2011，12（31）：5－8.