基于SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無線串口橋技術(shù)研究

孫長(zhǎng)國(guó)，王瑩，劉志宏

（解放軍92117部隊(duì)，北京100072）

引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)無線通信的需求也越來越高。為避免復(fù)雜的線路連接，人們希望通過一個(gè)小型的、短距離的無線網(wǎng)絡(luò)為簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)。

無線串口接口簡(jiǎn)單、兼容性好，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)傳輸，但只有實(shí)現(xiàn)真正透明傳輸，才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用簡(jiǎn)單，適用范圍廣泛的特點(diǎn)。

因此，無線串口通信的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。本文提出的基于SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無線串口橋技術(shù)，采用了數(shù)據(jù)幀的自適應(yīng)接收、自動(dòng)跳頻抗干擾技術(shù)、超低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了模塊的高可靠性、小型化等特點(diǎn)，通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，實(shí)時(shí)性很高。在遠(yuǎn)程控制、無線數(shù)據(jù)采集等多個(gè)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用和發(fā)展前景。

1 SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的優(yōu)勢(shì)

藍(lán)牙和ZigBee作為標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)秀的通信技術(shù)，兩者在各自定義的領(lǐng)域可以發(fā)揮重要作用。盡管如此，基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)也有缺點(diǎn)。首先，為滿足標(biāo)準(zhǔn)，在初始設(shè)計(jì)和兼容性測(cè)試中必須付出高昂費(fèi)用。其次，就其字面意義而言，標(biāo)準(zhǔn)必須是“通用性極強(qiáng)”的解決方案，但由于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也掌握相同的技術(shù)，所以很難使產(chǎn)品在競(jìng)爭(zhēng)激烈的全球市場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)差異化。最后，標(biāo)準(zhǔn)解決方案很少有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)足夠的靈活性，例如，為了確保兼容性就需要大量數(shù)據(jù)包開銷，從而增加數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和功耗，無線產(chǎn)品的功耗降低空間就極其有限。

SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是TI公司于2007年推出的針對(duì)簡(jiǎn)單小型無線網(wǎng)絡(luò)的專有低功耗網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，目前已經(jīng)發(fā)展10余個(gè)版本。該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠簡(jiǎn)化實(shí)施工作，盡可能降低微控制器的資源占用，具有低成本、低功耗、源代碼公開且免費(fèi)、支持具有睡眠狀態(tài)功能的設(shè)備、易于開發(fā)等特點(diǎn)。該協(xié)議能“開盒即用”地在CC110x／CC2500等多種RF收發(fā)器上運(yùn)行［1］。

對(duì)于SimpliciTI協(xié)議的具體內(nèi)容，這里不再贅述，下面主要結(jié)合無線串口橋技術(shù)，探討一下SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的具體應(yīng)用。

2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議專為簡(jiǎn)單的RF網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)，對(duì)適合網(wǎng)狀路由與標(biāo)準(zhǔn)化配置的大型網(wǎng)絡(luò)的ZigBee而言是一種很好的補(bǔ)充。協(xié)議對(duì)端到端的通信具有良好支持，其典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，這就為無線串口橋設(shè)計(jì)提供了良好基礎(chǔ)。

圖1 SimpliciTI協(xié)議典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

硬件設(shè)計(jì)采用CC1110無線單片機(jī)＋FT232R串口芯片設(shè)計(jì)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)硬件電路原理圖如圖2所示。

CC1110單片機(jī)可以無縫運(yùn)行SimpliciTI協(xié)議棧，并支持串口數(shù)據(jù)通信［2］，只要一個(gè)電感電容組成的匹配網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)無線通信；采用FT232R串口芯片，實(shí)現(xiàn)虛擬USB接口，方便與計(jì)算機(jī)連接。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用 USB供電，并設(shè)計(jì)一個(gè)工作狀態(tài)指示燈，用于無線數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)指示。整個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)具有高可靠、小型化、低成本等特點(diǎn)。

圖2 單個(gè)節(jié)點(diǎn)硬件電路原理圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)幀自適應(yīng)接收技術(shù)

為解決無線通信的可靠性、實(shí)時(shí)性問題，實(shí)現(xiàn)真正的透明傳輸，設(shè)計(jì)利用SimpliciTI協(xié)議提供的回調(diào)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)幀自動(dòng)接收，大大提高了通信效率和可靠性。

SimpliciTI協(xié)議提供了一個(gè)通用的回調(diào)函數(shù)sRxCallback，該函數(shù)通過SMPL＿Init（sRxCallback）函數(shù)進(jìn)行了注冊(cè)，并實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)初始化，生成一個(gè)LinkID，這是節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)里的唯一標(biāo)識(shí)。一旦有無線數(shù)據(jù)接收，系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序調(diào)用該函數(shù)，并通過SMPL＿Receive（sLinkID2，msg，＆len））＆＆len）從射頻層RX FIFO獲取數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在接收幀隊(duì)列，如果接收隊(duì)列滿，則隊(duì)列里的舊幀將被丟棄，之后，中斷例程被釋放。回調(diào)函數(shù)運(yùn)行在接收中斷例程里提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了較小延遲的數(shù)據(jù)接收。

3.2 自動(dòng)跳頻技術(shù)

SimpliciTI協(xié)議1.2.0版已經(jīng)具備了頻率捷變和管理功能。自動(dòng)調(diào)頻技術(shù)結(jié)合CC1110單片機(jī)的CCA（Clear Channel Assessment，空閑信道評(píng)估）功能，并利用SimpliciTI協(xié)議頻率捷變能力，提高了無線通信的抗干擾能力。自動(dòng)跳頻流程圖如圖3所示。

圖3 自動(dòng)跳頻流程圖

CC1110單片機(jī)的空閑信道評(píng)估功能主要通過接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI實(shí)現(xiàn)的，CC1110無線通信的接收信號(hào)靈敏度是－110dBm，而SimpliciTI協(xié)議中，可靠的接收信號(hào)門限設(shè)置為－70dBm，提高了接收數(shù)據(jù)的可靠性。實(shí)際計(jì)算RSSI的平均值，這樣才能得到有效的信道評(píng)估值［3］。如果信道評(píng)估失敗，則更換信道，信道數(shù)量一般設(shè)置為4個(gè)，信道間隔多達(dá)1MHz，從而保證了信道可用［4］。

4 無線串口橋技術(shù)實(shí)現(xiàn)

無線串口通信系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。PC機(jī)上的監(jiān)控等指令按照一定的通信協(xié)議的格式通過RS232串口發(fā)送到無線節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)通過校驗(yàn)并經(jīng)無線串口橋簡(jiǎn)單協(xié)議將數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去。同時(shí)，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行偵聽，如收到有效數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議格式解包，加上幀頭和校驗(yàn)位后，通過RS232串口發(fā)送到PC機(jī)上。

4.1 軟件流程圖

本系統(tǒng)軟件開發(fā)采用基于SimpliciTI－1.2.0協(xié)議，采用IAR Embedded Workbench 7.60作為開發(fā)環(huán)境，編程采用C語言，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分方便。這里給出了整個(gè)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖，如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)流程圖

兩個(gè)節(jié)點(diǎn)各自完成初始化后，ED節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)行信道掃描，使用SimpliciTI協(xié)議內(nèi)部自帶的SMPL＿Ping（sLinkID）函數(shù)，該函數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)信道列表內(nèi)的所有信道進(jìn)行掃描，類似于TCP／IP協(xié)議的Ping功能。當(dāng)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)AP收到后，發(fā)送應(yīng)答指令，這樣ED節(jié)點(diǎn)就實(shí)現(xiàn)了信道發(fā)現(xiàn)并鎖定，然后通過Join到Link等過程［5］，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

4.2 幀格式

在串口收發(fā)數(shù)據(jù)和無線收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，都需要根據(jù)具體的應(yīng)用來擬定數(shù)據(jù)格式。表1給出了通信的幀格式，整個(gè)幀格式實(shí)際上就是SimpliciTI協(xié)議的數(shù)據(jù)載荷，而串口通信數(shù)據(jù)幀這里沒有給出具體的格式，用戶可以根據(jù)具體的應(yīng)用加以變化，使得串口通信實(shí)現(xiàn)真正的透明傳輸，即所發(fā)即所收。

表1 通信幀格式

4.3 測(cè)試試驗(yàn)

為了測(cè)試本系統(tǒng)的無線傳輸可靠性，搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試平臺(tái)，對(duì)丟包率進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)。節(jié)點(diǎn)1為AP模塊，節(jié)點(diǎn)2為ED模塊，將兩個(gè)模塊分別連接計(jì)算機(jī)串口，使用串口調(diào)試助手SSCOMV3.0進(jìn)行收發(fā)測(cè)試。值得注意的是，串口是全雙工通信，而無線則是半雙工通信，因此，同一時(shí)刻，收發(fā)測(cè)試是單向的。表2給出了誤碼率的測(cè)試結(jié)果，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試距離為10m。發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)為：99H0AH 01H01H01H00H00H00H00HA6H，共計(jì)10個(gè)字節(jié)。

表2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表（持續(xù)時(shí)間為5min）

測(cè)試結(jié)果表明，只要保證足夠的發(fā)送間隔，數(shù)據(jù)包的送達(dá)率可達(dá)到較高水平，對(duì)于出現(xiàn)丟包的情況，可以通過用戶應(yīng)用程序重發(fā)校驗(yàn)機(jī)制予以解決。

結(jié) 語

采用基于SimpliciTI協(xié)議的無線串口橋通信系統(tǒng)，從硬件電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)自適應(yīng)接收技術(shù)、自動(dòng)跳頻技術(shù)、幀格式及軟件編程等幾個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的透明傳輸。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸可靠、易擴(kuò)展、實(shí)時(shí)性好。實(shí)際應(yīng)用后，大大減小了線路連接的復(fù)雜程度，從而避免了施工布線、電線老化等問題，可廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制、無線數(shù)據(jù)采集等多個(gè)領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用和推廣前景。

［1］李文仲，段朝玉.CC1100／CC2510無線單片機(jī)和無線自組織網(wǎng)絡(luò)入門與實(shí)踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：221－242.

［2］楊鵬云，佟云峰，宋學(xué)青.基于CC1110的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線通信系統(tǒng)［J］.云南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，31（S2）：304－307.

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［5］曾學(xué)為，孫玲玲，李少將.基于SimpliciTI協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，12（31）：5－8.