关键性技术介绍与分析

2016-05-18 15:09:08

关键性技术介绍与分析

2.2.1 SWSN 无线传感器网络技术

本系统有很多的功能节点,这些功能节点是通过成本很低和可靠性相对较高的 SWSN(Simple Wireless Senor Network)无线传感器通信技术实现数据传输的。SWSN 协议是我们利用射频芯片 CC1101 开发的一个无线传感器网络,这个网络是我们自己组建的,是用于智能家电控制系统的一种面向小型化应用、低功耗的无线通信网络。SWSN 网络支持点对点的通信结构和星型拓扑结构我们可以根据家庭的实际情况设计出一种适合智能家电控制系统的网络拓扑结构。可以在很短的时间内,利用 SWSN 网络协议建立一个面向不用应用的网络布局。SWSN 协议栈分为应用层、网络层和物理层。下面分别介绍 SWSN 协议栈。


2.2.1.1 SWSN 应用层SWSN 

网络协议的应用层是提供用户开发的,该层主要负责用户命令的处理、信息数据的采集和网络设备的管理等。应用层由两部分组成:应用层管理和应用层服务数据管理。应用层管理主要管理网络中的终端,例如查询网络节点的个数、判断节点是否在网络中、查询网络内节点的地址等。应用层数据管理负责管理网络用户发送的指令处理和处理采集节点的数据信息。


2.2.1.2 SWSN 网络层SWSN 

网络层由数据服务管理、网络层管理和网络安全管理三部分组成。数据服务管理主要用于对应用层数据发送到指定目的地址的管理;接收并解析底层消息序列,判断这一消息是在本层处理解决,还是发送到应用层处理,由应用层处理,网络链接号指定数据的通信。网络管理的工作主要有网络建立、网络参数管理、节点加入、地址管理、休眠节点数据存储等功能。在对网络安全要求比较高的情况下,网络安全管理可以对网络进行加密算法管理,从而实现网络数据通信的安全,保证信息的安全。


2.2.1.3 SWSN 物理层SWSN 

协议栈的物理层由射频接口和协议处理的板级支持包 BSP 组成。板级支持包是实现 SWSN 软件的“工具”,是射频层和网络层之间的桥梁,支持射频模块和网络之间的通信。BSP 除了处理 SWSN 网络协议外,还预留了一些接口(如串口),用于连接需要处理的节点,还一些必要的外围设备,如 LEDS、KEYS、GPIO 的引脚定义等。用户还可以根据之间的需求定做 BSP 满足实际的需要。射频接口部分对消息帧的基本读/写进行了抽象。射频芯片的不同,具体实施的方式也不相同,但是 SWSN 协议提供的基本接口是一样的。所以不同的射频芯片,SWSN 可以提供不同的支持。另外,物理层可以封装射频接口,可以消除硬件的差异。


2.2.1.4 SWSN 网络应用分析

SWSN无线网络协议是按帧格式进行数据的收发操作,实现无线数据传输的。硬件上主要是由一个射频收发芯片(CC1101)和微控制器(MSP430F149)构成,协议字节命令是由软件程序控制的,这些程序运行在微控制器上,微控制器控制着射频芯片的发送与接收。CC1101 芯片有几种工作状态(用于收发数据的发射状态和接收状态,用于节能的休眠状态和没有数据传输的空闲状态等)。该芯片的不同工作状态之间是可以进行切换的,切换的方式主要是通过操作芯片的外部引脚和内部寄存器来实现的。CC1101 芯片无线模块上电后,大约 10ms 的时间,芯片开始进入休眠状态。在休眠状态下,CC1101 芯片的工作电流是400n A,这么小的电流保证了无线模块的低功耗。虽然 CC1101 芯片在休眠状态已经停止继续工作,不过该芯片的内部寄存器的值不像掉电那样,是不会丢失的。通过把 CC1101 芯片的CSn 引脚拉低,经过 1.5ms 的时间后,它的工作状态就从休眠模式转换到空闲模式。在空闲模式下,CC1101 芯片可以进行数据的读写和状态间的切换。之后便可对发送 STX 位或接收SRX 位进行写操作,芯片开始发送或接受数据。CC1101 芯片是用 SPI 接口和 MCU(MSP430F149)单片机进行通信的,CC1101 芯片支持低速率的数据传输,所以无线传输的数据可以低速写入 CC1101。SWSN 网络中的设备信息交互是按数据包的形式,数据包是按照一定帧格式进行收发的。每个数据包的长度是 23+n个字节,n 是来自网络应用层传输的有效数据,最大为 50,最小为 0。SWSN 数据帧由四部分组成:物理层数据帧、射频接口数据帧、网络层数据帧、应用层数据帧。 



SWSN 数据帧可以分为安全使能数据帧(如图 2.3)和无安全使能数据帧(如图 2.4)。SWSN 协议数据帧结构中各字段的含义如表 2-1 所示。