基于SimpliciTI網絡協議的無線串口橋技術研究

孫長國，王瑩，劉志宏

（解放軍92117部隊，北京100072）

引 言

隨著網絡和通信技術的高速發展，人們對無線通信的需求也越來越高。為避免復雜的線路連接，人們希望通過一個小型的、短距離的無線網絡為簡單的數據傳輸提供服務。

無線串口接口簡單、兼容性好，能夠實現點對點的無線數據傳輸，但只有實現真正透明傳輸，才能實現應用簡單，適用范圍廣泛的特點。

因此，無線串口通信的設計就顯得尤為重要。本文提出的基于SimpliciTI網絡協議的無線串口橋技術，采用了數據幀的自適應接收、自動跳頻抗干擾技術、超低功耗設計技術等實現了模塊的高可靠性、小型化等特點，通信系統結構簡單，操作方便，實時性很高。在遠程控制、無線數據采集等多個領域具有很好的應用和發展前景。

1 SimpliciTI網絡協議的優勢

藍牙和ZigBee作為標準、優秀的通信技術，兩者在各自定義的領域可以發揮重要作用。盡管如此，基于國際標準的技術也有缺點。首先，為滿足標準，在初始設計和兼容性測試中必須付出高昂費用。其次，就其字面意義而言，標準必須是“通用性極強”的解決方案，但由于競爭對手也掌握相同的技術，所以很難使產品在競爭激烈的全球市場中實現差異化。最后，標準解決方案很少有機會實現足夠的靈活性，例如，為了確保兼容性就需要大量數據包開銷，從而增加數據傳輸時間和功耗，無線產品的功耗降低空間就極其有限。

SimpliciTI網絡協議是TI公司于2007年推出的針對簡單小型無線網絡的專有低功耗網絡協議，目前已經發展10余個版本。該網絡協議能夠簡化實施工作，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、支持具有睡眠狀態功能的設備、易于開發等特點。該協議能“開盒即用”地在CC110x／CC2500等多種RF收發器上運行［1］。

對于SimpliciTI協議的具體內容，這里不再贅述，下面主要結合無線串口橋技術，探討一下SimpliciTI網絡協議的具體應用。

2 總體架構設計

SimpliciTI網絡協議專為簡單的RF網絡而設計，對適合網狀路由與標準化配置的大型網絡的ZigBee而言是一種很好的補充。協議對端到端的通信具有良好支持，其典型的拓撲結構如圖1所示，這就為無線串口橋設計提供了良好基礎。

圖1 SimpliciTI協議典型拓撲結構

硬件設計采用CC1110無線單片機＋FT232R串口芯片設計，單個節點硬件電路原理圖如圖2所示。

CC1110單片機可以無縫運行SimpliciTI協議棧，并支持串口數據通信［2］，只要一個電感電容組成的匹配網絡就可以實現無線通信；采用FT232R串口芯片，實現虛擬USB接口，方便與計算機連接。節點設計采用 USB供電，并設計一個工作狀態指示燈，用于無線數據收發狀態指示。整個節點設計具有高可靠、小型化、低成本等特點。

圖2 單個節點硬件電路原理圖

3 關鍵技術

3.1 數據幀自適應接收技術

為解決無線通信的可靠性、實時性問題，實現真正的透明傳輸，設計利用SimpliciTI協議提供的回調函數，實現了數據幀自動接收，大大提高了通信效率和可靠性。

SimpliciTI協議提供了一個通用的回調函數sRxCallback，該函數通過SMPL＿Init（sRxCallback）函數進行了注冊，并實現了網絡初始化，生成一個LinkID，這是節點在網絡里的唯一標識。一旦有無線數據接收，系統進入中斷服務程序調用該函數，并通過SMPL＿Receive（sLinkID2，msg，＆len））＆＆len）從射頻層RX FIFO獲取數據，并存儲在接收幀隊列，如果接收隊列滿，則隊列里的舊幀將被丟棄，之后，中斷例程被釋放。回調函數運行在接收中斷例程里提高了工作效率，實現了較小延遲的數據接收。

3.2 自動跳頻技術

SimpliciTI協議1.2.0版已經具備了頻率捷變和管理功能。自動調頻技術結合CC1110單片機的CCA（Clear Channel Assessment，空閑信道評估）功能，并利用SimpliciTI協議頻率捷變能力，提高了無線通信的抗干擾能力。自動跳頻流程圖如圖3所示。

圖3 自動跳頻流程圖

CC1110單片機的空閑信道評估功能主要通過接收信號強度RSSI實現的，CC1110無線通信的接收信號靈敏度是－110dBm，而SimpliciTI協議中，可靠的接收信號門限設置為－70dBm，提高了接收數據的可靠性。實際計算RSSI的平均值，這樣才能得到有效的信道評估值［3］。如果信道評估失敗，則更換信道，信道數量一般設置為4個，信道間隔多達1MHz，從而保證了信道可用［4］。

4 無線串口橋技術實現

無線串口通信系統的主要功能是實現串口數據的無線收發。PC機上的監控等指令按照一定的通信協議的格式通過RS232串口發送到無線節點，數據通過校驗并經無線串口橋簡單協議將數據無線發送出去。同時，另一個節點進行偵聽，如收到有效數據，則將數據按照通信協議格式解包，加上幀頭和校驗位后，通過RS232串口發送到PC機上。

4.1 軟件流程圖

本系統軟件開發采用基于SimpliciTI－1.2.0協議，采用IAR Embedded Workbench 7.60作為開發環境，編程采用C語言，使得系統設計十分方便。這里給出了整個系統程序設計流程圖，如圖4所示。

圖4 軟件系統流程圖

兩個節點各自完成初始化后，ED節點開始進行信道掃描，使用SimpliciTI協議內部自帶的SMPL＿Ping（sLinkID）函數，該函數可實現對信道列表內的所有信道進行掃描，類似于TCP／IP協議的Ping功能。當另一個節點AP收到后，發送應答指令，這樣ED節點就實現了信道發現并鎖定，然后通過Join到Link等過程［5］，實現數據通信。

4.2 幀格式

在串口收發數據和無線收發數據時，都需要根據具體的應用來擬定數據格式。表1給出了通信的幀格式，整個幀格式實際上就是SimpliciTI協議的數據載荷，而串口通信數據幀這里沒有給出具體的格式，用戶可以根據具體的應用加以變化，使得串口通信實現真正的透明傳輸，即所發即所收。

表1 通信幀格式

4.3 測試試驗

為了測試本系統的無線傳輸可靠性，搭建了一個簡單的測試平臺，對丟包率進行了測試試驗。節點1為AP模塊，節點2為ED模塊，將兩個模塊分別連接計算機串口，使用串口調試助手SSCOMV3.0進行收發測試。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，同一時刻，收發測試是單向的。表2給出了誤碼率的測試結果，實驗室測試距離為10m。發送測試數據為：99H0AH 01H01H01H00H00H00H00HA6H，共計10個字節。

表2 測試實驗統計表（持續時間為5min）

測試結果表明，只要保證足夠的發送間隔，數據包的送達率可達到較高水平，對于出現丟包的情況，可以通過用戶應用程序重發校驗機制予以解決。

結 語

采用基于SimpliciTI協議的無線串口橋通信系統，從硬件電路設計、數據自適應接收技術、自動跳頻技術、幀格式及軟件編程等幾個方面進行了詳細設計，真正實現了數據的透明傳輸。測試結果表明，該系統硬件結構簡單、數據傳輸可靠、易擴展、實時性好。實際應用后，大大減小了線路連接的復雜程度，從而避免了施工布線、電線老化等問題，可廣泛應用于遠程控制、無線數據采集等多個領域，具有很好的應用和推廣前景。

［1］李文仲，段朝玉.CC1100／CC2510無線單片機和無線自組織網絡入門與實踐［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008：221－242.

［2］楊鵬云，佟云峰，宋學青.基于CC1110的點對多點無線通信系統［J］.云南大學學報：自然科學版，2009，31（S2）：304－307.

［3］楊寧，史儀凱，袁小慶.SimpliciTI網絡頻率捷變機制的研究［J］.傳感技術學報，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］曾學為，孫玲玲，李少將.基于SimpliciTI協議的無線傳感網絡系統設計［J］.杭州電子科技大學學報，2011，12（31）：5－8.