STM32L152和S14432的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、stm32l152和s14432的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。主節(jié)點(diǎn)、備份主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)都采取同樣的硬件電路。 stm32l152單片機(jī)控制si4432實(shí)現(xiàn)無(wú)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(wú)線收 發(fā)芯片。其工作頻段為240960 mhz,接收靈敏度達(dá)到-117 db,可提供極佳的鏈路質(zhì)量, 在擴(kuò)大范圍的同時(shí)將功耗降至最低，最高輸出功率可達(dá)+20 db,傳輸距離可達(dá)2km。主控制芯片stm32l152選用高速外部時(shí)鐘信號(hào)(hse),通過(guò)b00t0和b00t1來(lái)選

2、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(guò)一個(gè)rs232接口與控制系 統(tǒng)通信。主控制芯片硬件電路。stm32l152通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的spi接口與si4432相接。主控制芯片通過(guò)spi接口對(duì)射頻芯片 內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化配置，并且發(fā)送控制指令和讀寫(xiě)數(shù)據(jù)信息。si4432的sdn、nirq、 nsel、gpioo. gpiok gpi02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(hào)，gpi01和gpi02為天線選擇位。

3、射頻電路工作在 470 mhz的中心頻率段。470510 mhz為國(guó)家無(wú)線電管理部門(mén)免申請(qǐng)的無(wú)線計(jì)量頻段。射 頻芯片硬件電路。整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)只采用一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)中采用硬件冗余技術(shù)。在主節(jié)點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)備 用主節(jié)點(diǎn)，備用主節(jié)點(diǎn)是主節(jié)點(diǎn)的復(fù)制品，擁有主節(jié)點(diǎn)同樣的控制和管理，以及同一級(jí)別 的主節(jié)點(diǎn)地址。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，可以激活冗余主節(jié)點(diǎn)，以替代主節(jié) 點(diǎn)保證整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)兩部分。軟件設(shè)計(jì)采用功能模塊化的設(shè)計(jì)思路， 系統(tǒng)乂可分為初始化模塊、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(jī)初始化 模塊、射頻芯片初始化模塊和應(yīng)用初始

4、化模塊；應(yīng)用模塊包括無(wú)線發(fā)送模塊、無(wú)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(guò)路由協(xié)議組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。 4. 1系統(tǒng)初始化系統(tǒng)上電后，單片機(jī)根據(jù)主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)的區(qū)別對(duì)硬件和功能模塊進(jìn)行初始化，設(shè)定 各個(gè)引腳的功能、單片機(jī)的工作模式和資源分配，以及各個(gè)應(yīng)用功能模塊的初始化。然后, 通過(guò)spi接口對(duì)無(wú)線射頻芯片進(jìn)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(diǎn)分別設(shè)置。4. 2數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用類(lèi)似zmac協(xié)議的幀格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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，

5、開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。包長(zhǎng)和校驗(yàn)碼是接收端用來(lái)校驗(yàn)數(shù)據(jù) 接收錯(cuò)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(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行信息處理。數(shù)據(jù)包分為 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)類(lèi)和信息類(lèi)，通過(guò)包類(lèi)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(hù)期時(shí)，數(shù)據(jù)包屬于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)類(lèi)，數(shù)據(jù)位的信息為節(jié)點(diǎn)的路由信息。節(jié)點(diǎn)的路由信息 包括到匯聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)、到相鄰節(jié)點(diǎn)的鏈路質(zhì)量評(píng)估信息、節(jié)點(diǎn)編號(hào)等。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處于 工作狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)位的信息為控制指令或數(shù)據(jù)碼。節(jié)點(diǎn)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(jìn)行分類(lèi)，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(diǎn)在數(shù)據(jù)信息接收后，該模塊負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行校

6、驗(yàn)，將數(shù)據(jù)包分 類(lèi)，然后對(duì)各種信息位進(jìn)行分離整理。其中，在發(fā)送和接收時(shí)，通過(guò)對(duì)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(shí)，首先通過(guò)spi清空射頻 芯片的發(fā)送fifo,然后向發(fā)送fifo里寫(xiě)入需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。打開(kāi)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(kāi)始無(wú)線發(fā)送。將irq引 腳拉高，并等待無(wú)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(shí)，首先通過(guò)spi清空 射頻芯片的接收f(shuō)ifo。打開(kāi)前導(dǎo)碼接

7、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(kāi)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(guò)spi讀取接收f(shuō)ifo中的數(shù)據(jù)，關(guān)閉接收功能。發(fā)送和接收程序流程。4. 4系統(tǒng)管理機(jī)制無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)組成，是一個(gè)以主節(jié)點(diǎn)為根中心的樹(shù)形拓?fù)?。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的 管理是通過(guò)各節(jié)點(diǎn)中的網(wǎng)絡(luò)管理模塊完成的。無(wú)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(guò)節(jié)點(diǎn)之間的鄰 居信息交換機(jī)制，考慮鏈路質(zhì)量，建立到中心節(jié)點(diǎn)的最短通信路徑。從節(jié)點(diǎn)分為不同級(jí)別的父節(jié)點(diǎn)，只向自己的

8、父節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，通過(guò)父節(jié)點(diǎn)逐級(jí)向上傳 到主節(jié)點(diǎn)。從節(jié)點(diǎn)路由表中擁有自己子節(jié)點(diǎn)的編號(hào)地址。父節(jié)點(diǎn)處于網(wǎng)絡(luò)的中心是最高級(jí) 的父節(jié)點(diǎn)，它的路由表中擁有整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和地址。主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)由其子節(jié)點(diǎn)逐級(jí) 傳向各從節(jié)點(diǎn)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立、路由維護(hù)和數(shù)據(jù)通信3個(gè)階段。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立階 段，所有的節(jié)點(diǎn)周期性地廣播自己的路由信息，節(jié)點(diǎn)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(jìn)行定期的維護(hù)，在維護(hù)的過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)將再次對(duì)父節(jié)點(diǎn)做 出評(píng)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(jìn)路徑。在完成組網(wǎng)后，若向網(wǎng)絡(luò)中增加節(jié)點(diǎn)，則只需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)更新，更新路由表即可。4.

9、5父節(jié)點(diǎn)選擇所有從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都是通過(guò)父節(jié)點(diǎn)傳送到主節(jié)點(diǎn)的。父節(jié)點(diǎn)性能是路由協(xié)議的核心部 分。父節(jié)點(diǎn)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(diǎn)間的雙向鏈路通信質(zhì)量。以?xún)上噜徆?jié)點(diǎn)a、b為例。在網(wǎng)絡(luò)廣播信 息中，節(jié)點(diǎn)a向節(jié)點(diǎn)b發(fā)送多組數(shù)據(jù)，則b節(jié)點(diǎn)的接收成功率為：協(xié)議進(jìn)一步采用加權(quán)唯一平均的方法計(jì)算最終的鏈路質(zhì)量估計(jì)值，進(jìn)而減小鏈路質(zhì)量 評(píng)估的抖動(dòng)。令新的鏈路估計(jì)值為newest,所占比例為u=25%,則原先的作戰(zhàn)比例為 (1-p)，最終的鏈路質(zhì)量估計(jì)值為：跳數(shù)hopnu為節(jié)點(diǎn)到主節(jié)點(diǎn)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(diǎn) 的父節(jié)點(diǎn)可能丟失。在進(jìn)行父節(jié)點(diǎn)選取時(shí)，為了保證父節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量，通常選用 sedest0. 1, rcvest0. 1和est0. 16的鏈路質(zhì)量,這樣不至于鏈路質(zhì)量過(guò)低而不穩(wěn)定。 然后在相鄰節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。結(jié)語(yǔ)本系統(tǒng)采用的stm32l152主控芯片和si4432無(wú)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