摘要：運用低功耗Cortex-M3微控制器STM32L152和低功耗集成無線收發(fā)芯片S14432設(shè)計了一種無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、硬件電路、數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送流程，以及網(wǎng)絡(luò)管理機制。系統(tǒng)運用了鏈路質(zhì)量估計算法和硬件冗余技術(shù)，采用TinyOS系統(tǒng)的LEPS路由協(xié)議實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和管理。
引言
在現(xiàn)代生活和生產(chǎn)中，無線通信技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。生活小區(qū)、醫(yī)院、工廠等復(fù)雜環(huán)境中的各種儀器儀表可以通過無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。工業(yè)現(xiàn)場自動化數(shù)據(jù)的控制和采集需要傳輸距離1km左右、功耗低、簡單、可靠、價格低廉的無線通信網(wǎng)絡(luò)。無線收發(fā)芯片S14432的通信距離可達1～2km。本文設(shè)計了一種基于STM32L152和S14432的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用低功耗、高性能的Cortex-M3核32位微控制器STM32L152和高集成度、低功耗的無線收發(fā)芯片S14432，適用于短距離的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化管理并運用主節(jié)點備份技術(shù)和LEPS路由協(xié)議保證系統(tǒng)的可靠性和拓展性。
1 主控芯片
STM32L152是意法半導(dǎo)體公司提供的超低功耗、高數(shù)據(jù)安全性、高效能的ARM Cortex-M3微控制器系列芯片。STM32L15XXX系列芯片采用意法半導(dǎo)體的EnergyLite超低功耗平臺，通過6個超低功耗模式能夠在任何設(shè)定時間以最低的功耗完成任務(wù)。該控制器低功耗運行模式電流為10.4μA，工作電壓為1.8～3.6V，片上模擬功能的最低工作電壓為1.8V，數(shù)字功能的最低工作電壓為1.65V。工作溫度范圍為-40～+85℃，在32MHz頻率下的處理性能達到33 DMOPS(最大值)，擁有靈活的欠壓復(fù)位、片上閃存支持糾錯碼(ECC)、存儲器保護單元(MPU)和JTAG熔斷器。它采用的ARM Cortex-M3處理器可提供出色的計算性能和對事件的卓越系統(tǒng)響應(yīng)，同時可應(yīng)對動態(tài)和靜態(tài)功率限制的挑戰(zhàn)。
系統(tǒng)中采用STM32L152芯片，48腳LQFP封裝。該芯片擁有128KB Flash、16KB RAM、4096字節(jié)的E2PROM以及8個16位定時器；片上集成了豐富的外圍模塊，包括12位ADC、12位DAC、比較器、SPI、I2C、LCD、USB等。
2 無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)是由主節(jié)點和多個從節(jié)點組成的樹型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。主節(jié)點組建和管理整個無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)向從節(jié)點傳送控制指令和接收從節(jié)點的數(shù)據(jù)信息。從節(jié)點實現(xiàn)接收主節(jié)點傳達的控制指令和將數(shù)據(jù)信息向主節(jié)點的傳送。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主節(jié)點、備份主節(jié)點和從節(jié)點都采取同樣的硬件電路。STM32L152單片機控制SI4432實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。射頻收發(fā)芯片采用的是Silicon Labs公司推出的SI4432芯片。該芯片是一款高集成度、低功耗的EZRadioPRO系列無線收發(fā)芯片。其工作頻段為240～960MHz，接收靈敏度達到-117dB，可提供極佳的鏈路質(zhì)量，在擴大范圍的同時將功耗降至最低，最高輸出功率可達+20dB，傳輸距離可達2km。
主控制芯片sTM32L152選用高速外部時鐘信號(HSE)，通過BOOT0和BOOT1來選擇3種boot模式。芯片可以采用STM studio、Keil MDK-ARM等編譯工具，擁有20引腳的JTAG接口可以使用ST-LINK和ULINK2仿真器。主控制電路通過一個RS232接口與控制系統(tǒng)通信。主控制芯片硬件電路如圖3所示。
STM32L152通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口與SI4432相接。主控制芯片通過SPI接口對射頻芯片內(nèi)部寄存器進行初始化配置，并且發(fā)送控制指令和讀寫數(shù)據(jù)信息。SI4432的SDN、NIRQ、NSEL、GPIO0、GPIO1、GPIO2等與主控制芯片相連。SDN引腳為工作模式位，NIRQ引腳為中斷狀態(tài)輸出，NSEL引腳為片選信號，GPIO1和GPIO2為天線選擇位。射頻電路工作在470MHz的中心頻率段。470～510MHz為國家無線電管理部門免申請的無線計量頻段。射頻芯片硬件電路如圖4所示。
整個無線網(wǎng)絡(luò)只采用一個主節(jié)點，設(shè)計中采用硬件冗余技術(shù)。在主節(jié)點處設(shè)置一個備用主節(jié)點，備用主節(jié)點是主節(jié)點的復(fù)制品，擁有主節(jié)點同樣的控制和管理，以及同一級別的主節(jié)點地址。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到主節(jié)點出現(xiàn)故障時，可以激活冗余主節(jié)點，以替代主節(jié)點保證整個無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常運行。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為主節(jié)點和從節(jié)點兩部分。軟件設(shè)計采用功能模塊化的設(shè)計思路，系統(tǒng)又可分為初始化模塊、應(yīng)用模塊和網(wǎng)絡(luò)管理模塊。其中初始化模塊包括單片機初始化模塊、射頻芯片初始化模塊和應(yīng)用初始化模塊；應(yīng)用模塊包括無線發(fā)送模塊、無線接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、工作模式模塊；網(wǎng)絡(luò)管理模塊是通過路由協(xié)議組建無線網(wǎng)絡(luò)。
4.1 系統(tǒng)初始化
系統(tǒng)上電后，單片機根據(jù)主節(jié)點和從節(jié)點的區(qū)別對硬件和功能模塊進行初始化，設(shè)定各個引腳的功能、單片機的工作模式和資源分配，以及各個應(yīng)用功能模塊的初始化。然后，通過SPI接口對無線射頻芯片進行初始化。射頻芯片的工作模式、頻率、傳輸速度、傳輸方式等都按主從節(jié)點分別設(shè)置。
4.2 數(shù)據(jù)處理
系統(tǒng)采用類似ZMAC協(xié)議的幀格式對數(shù)據(jù)進行打包通信。數(shù)據(jù)包的格式如下：
數(shù)據(jù)包的前端加上8n位的前導(dǎo)碼，是為了使接收端進行幀同步。前導(dǎo)碼之后是幀同步字，當(dāng)接收端收到幀同步字之后，開始接收數(shù)據(jù)。包長和校驗碼是接收端用來校驗數(shù)據(jù)接收錯誤與否。數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)在發(fā)送前和接收后對數(shù)據(jù)包進行信息處理。數(shù)據(jù)包分為網(wǎng)絡(luò)維護類和信息類，通過包類型位區(qū)分，其中數(shù)據(jù)包內(nèi)數(shù)據(jù)位的信息不通。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處于組建和維護期時，數(shù)據(jù)包屬于網(wǎng)絡(luò)維護類，數(shù)據(jù)位的信息為節(jié)點的路由信息。節(jié)點的路由信息包括到匯聚節(jié)點的跳數(shù)、到相鄰節(jié)點的鏈路質(zhì)量評估信息、節(jié)點編號等。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，數(shù)據(jù)位的信息為控制指令或數(shù)據(jù)碼。節(jié)點在數(shù)據(jù)信息發(fā)送前，數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進行分類，然后向其中分別加入各種不同的位信息，形成成熟的待發(fā)送的數(shù)據(jù)包。節(jié)點在數(shù)據(jù)信息接收后，該模塊負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)包進行校驗，將數(shù)據(jù)包分類，然后對各種信息位進行分離整理。其中，在發(fā)送和接收時，通過對SI4432寄存器的配置操作，可以直接分離出配置位。配置位結(jié)構(gòu)如下：
4.3 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收
數(shù)據(jù)發(fā)送模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。當(dāng)接收到發(fā)送指令時，首先通過SPI清空射頻芯片的發(fā)送FIFO，然后向發(fā)送FIFO里寫入需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。打開射頻芯片發(fā)送完成中斷并禁止其他所有中斷。微控制器使能射頻芯片的發(fā)送功能，數(shù)據(jù)開始無線發(fā)送。將IRQ引腳拉高，并等待無線發(fā)送完成中斷。如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功，則NIRQ變低電平。
數(shù)據(jù)接收模塊負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)包。當(dāng)接收到微控制器的接收指令時，首先通過SPI清空射頻芯片的接收FIFO。打開前導(dǎo)碼接收、幀同步中斷和接收包數(shù)據(jù)有效中斷，并關(guān)閉其他中斷。準(zhǔn)備好開始接收。若引腳NIRQ變?yōu)榈碗娖�，且讀取到接收包數(shù)據(jù)有效中斷位，通過SPI讀取接收FIFO中的數(shù)據(jù)，關(guān)閉接收功能。發(fā)送和接收程序流程如圖5所示。
4.4 系統(tǒng)管理機制
無線網(wǎng)絡(luò)由主節(jié)點和從節(jié)點組成，是一個以主節(jié)點為根中心的樹形拓?fù)�。整個網(wǎng)絡(luò)的管理是通過各節(jié)點中的網(wǎng)絡(luò)管理模塊完成的。無線網(wǎng)絡(luò)采用LEPS(Link Estimation and Parent Selection)協(xié)議。LEPS協(xié)議是TinyOS系統(tǒng)的多跳路由協(xié)議。它通過節(jié)點之間的鄰居信息交換機制，考慮鏈路質(zhì)量，建立到中心節(jié)點的最短通信路徑。
從節(jié)點分為不同級別的父節(jié)點，只向自己的父節(jié)點發(fā)送信息，通過父節(jié)點逐級向上傳到主節(jié)點。從節(jié)點路由表中擁有自己子節(jié)點的編號地址。父節(jié)點處于網(wǎng)絡(luò)的中心是最高級的父節(jié)點，它的路由表中擁有整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的編號和地址。主節(jié)點的數(shù)據(jù)由其子節(jié)點逐級傳向各從節(jié)點。
無線網(wǎng)絡(luò)分為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立、路由維護和數(shù)據(jù)通信3個階段。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立階段，所有的節(jié)點周期性地廣播自己的路由信息，節(jié)點根據(jù)跳數(shù)和鏈路質(zhì)量信息建立最短條數(shù)路由，建立路由表。網(wǎng)絡(luò)將進行定期的維護，在維護的過程中，節(jié)點將再次對父節(jié)點做出評估，刷新路由表。在數(shù)據(jù)通信階段，路由協(xié)議為數(shù)據(jù)傳遞提供行進路徑。在完成組網(wǎng)后，若向網(wǎng)絡(luò)中增加節(jié)點，則只需要對網(wǎng)絡(luò)進行維護更新，更新路由表即可。
4.5 父節(jié)點選擇
所有從節(jié)點的數(shù)據(jù)都是通過父節(jié)點傳送到主節(jié)點的。父節(jié)點性能是路由協(xié)議的核心部分。父節(jié)點的選擇決定于鏈路質(zhì)量和跳數(shù)。
鏈路質(zhì)量是兩節(jié)點間的雙向鏈路通信質(zhì)量。以兩相鄰節(jié)點A、B為例。在網(wǎng)絡(luò)廣播信息中，節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送多組數(shù)據(jù)，則B節(jié)點的接收成功率為：
協(xié)議進一步采用加權(quán)唯一平均的方法計算最終的鏈路質(zhì)量估計值，進而減小鏈路質(zhì)量評估的抖動。令新的鏈路估計值為NEWEST，所占比例為μ=25%，則原先的作戰(zhàn)比例為(1-μ)，最終的鏈路質(zhì)量估計值為：
跳數(shù)HOPNU為節(jié)點到主節(jié)點的總共轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中，由于鏈路質(zhì)量的原因，節(jié)點的父節(jié)點可能丟失。在進行父節(jié)點選取時，為了保證父節(jié)點的質(zhì)量，通常選用SEDEST>0.1，RCVEST>0.1和EST>0.16的鏈路質(zhì)量，這樣不至于鏈路質(zhì)量過低而不穩(wěn)定。然后在相鄰節(jié)點中先判斷跳數(shù)最小，再判斷鏈路通信質(zhì)量選擇父節(jié)點。
結(jié)語
本系統(tǒng)采用的STM32L152主控芯片和SI4432無線收發(fā)芯片都屬于低功耗高集成芯片，降低了系統(tǒng)的功耗。其中STM32L152是Cortex-M3微控制器，提高了系統(tǒng)的性能；主節(jié)點帶有硬件備份提高了系統(tǒng)的可靠性；LPES路由協(xié)議技術(shù)提高系統(tǒng)的通信效率，使系統(tǒng)拓展方便。本系統(tǒng)適合于工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、小區(qū)數(shù)據(jù)采集、醫(yī)院病房監(jiān)控、農(nóng)業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集等一些短距離的通信應(yīng)用。功能模塊化和網(wǎng)絡(luò)可拓展化，使系統(tǒng)便于功能的更新和節(jié)點的拓展。
