3 系统硬件设计

　　无线网络系统的硬件结构如图2所示。主节点、备份主节点和从节点都采取同样的硬件电路。STM32L152单片机控制SI4432实现无线数据的收发。射频收发芯片采用的是Silicon Labs公司推出的SI4432芯片。该芯片是一款高集成度、低功耗的EZRadioPRO系列无线收发芯片。其工作频段为240～960 MHz，接收灵敏度达到-117 dB，可提供极佳的链路质量，在扩大范围的同时将功耗降至最低，最高输出功率可达+20 dB，传输距离可达2km。

　　主控制芯片sTM32L152选用高速外部时钟信号(HSE)，通过BOOT0和BOOT1来选择3种boot模式。芯片可以采用STM studio、Keil MDK-ARM等编译工具，拥有20引脚的JTAG接口可以使用ST-LINK和ULINK2仿真器。主控制电路通过一个RS232接口与控制系统通信。主控制芯片硬件电路如图3所示。

　　STM32L152通过标准的SPI接口与SI4432相接。主控制芯片通过SPI接口对射频芯片内部寄存器进行初始化配置，并且发送控制指令和读写数据信息。SI4432的SDN、NIRQ、NSEL、GPIO0、GPIO1、GPIO2等与主控制芯片相连。SDN引脚为工作模式位，NIRQ引脚为中断状态输出，NSEL引脚为片选信号，GPIO1和GPIO2为天线选择位。射频电路工作在470 MHz的中心频率段。470～510 MHz为国家无线电管理部门免申请的无线计量频段。射频芯片硬件电路如图4所示。

　　整个无线网络只采用一个主节点，设计中采用硬件冗余技术。在主节点处设置一个备用主节点，备用主节点是主节点的复制品，拥有主节点同样的控制和管理，以及同一级别的主节点地址。当控制系统检测到主节点出现故障时，可以激活冗余主节点，以替代主节点保证整个无线网络系统的正常运行。

　　4 系统软件设计

　　系统的软件设计分为主节点和从节点两部分。软件设计采用功能模块化的设计思路，系统又可分为初始化模块、应用模块和网络管理模块。其中初始化模块包括单片机初始化模块、射频芯片初始化模块和应用初始化模块；应用模块包括无线发送模块、无线接收模块、数据处理模块、工作模式模块；网络管理模块是通过路由协议组建无线网络。

　　4．1 系统初始化

　　系统上电后，单片机根据主节点和从节点的区别对硬件和功能模块进行初始化，设定各个引脚的功能、单片机的工作模式和资源分配，以及各个应用功能模块的初始化。然后，通过SPI接口对无线射频芯片进行初始化。射频芯片的工作模式、频率、传输速度、传输方式等都按主从节点分别设置。

　　4．2 数据处理

　　系统采用类似ZMAC协议的帧格式对数据进行打包通信。数据包的格式如下：

　　数据包的前端加上8n位的前导码，是为了使接收端进行帧同步。前导码之后是帧同步字，当接收端收到帧同步字之后，开始接收数据。包长和校验码是接收端用来校验数据接收错误与否。数据处理模块负责在发送前和接收后对数据包进行信息处理。数据包分为网络维护类和信息类，通过包类型位区分，其中数据包内数据位的信息不通。当网络系统处于组建和维护期时，数据包属于网络维护类，数据位的信息为节点的路由信息。节点的路由信息包括到汇聚节点的跳数、到相邻节点的链路质量评估信息、节点编号等。当网络系统处于工作状态时，数据位的信息为控制指令或数据码。节点在数据信息发送前，数据处理模块负责将需要发送的数据信息进行分类，然后向其中分别加入各种不同的位信息，形成成熟的待发送的数据包。节点在数据信息接收后，该模块负责对数据包进行校验，将数据包分类，然后对各种信息位进行分离整理。其中，在发送和接收时，通过对SI4432寄存器的配置操作，可以直接分离出配置位。配置位结构如下：

　　4．3 数据发送和接收

　　数据发送模块负责将数据包发送出去。当接收到发送指令时，首先通过SPI清空射频芯片的发送FIFO，然后向发送FIFO里写入需要发送的数据。打开射频芯片发送完成中断并禁止其他所有中断。微控制器使能射频芯片的发送功能，数据开始无线发送。将IRQ引脚拉高，并等待无线发送完成中断。如果数据发送成功，则NIRQ变低电平。

　　数据接收模块负责接收数据包。当接收到微控制器的接收指令时，首先通过SPI清空射频芯片的接收FIFO。打开前导码接收、帧同步中断和接收包数据有效中断，并关闭其他中断。准备好开始接收。若引脚NIRQ变为低电平，且读取到接收包数据有效中断位，通过SPI读取接收FIFO中的数据，关闭接收功能。发送和接收程序流程如图5所示。

　　4．4 系统管理机制

　　无线网络由主节点和从节点组成，是一个以主节点为根中心的树形拓扑。整个网络的管理是通过各节点中的网络管理模块完成的。无线网络采用LEPS(Link Estimation and Parent Selection)协议。LEPS协议是TinyOS系统的多跳路由协议。它通过节点之间的邻居信息交换

　　机制，考虑链路质量，建立到中心节点的最短通信路径。

　　从节点分为不同级别的父节点，只向自己的父节点发送信息，通过父节点逐级向上传到主节点。从节点路由表中拥有自己子节点的编号地址。父节点处于网络的中心是最高级的父节点，它的路由表中拥有整个网络节点的编号和地址。主节点的数据由其子节点逐级传向各从节点。

　　无线网络分为拓扑结构的建立、路由维护和数据通信3个阶段。在拓扑结构的建立阶段，所有的节点周期性地广播自己的路由信息，节点根据跳数和链路质量信息建立最短条数路由，建立路由表。网络将进行定期的维护，在维护的过程中，节点将再次对父节点做出评估，刷新路由表。在数据通信阶段，路由协议为数据传递提供行进路径。在完成组网后，若向网络中增加节点，则只需要对网络进行维护更新，更新路由表即可。

　　4．5 父节点选择

　　所有从节点的数据都是通过父节点传送到主节点的。父节点性能是路由协议的核心部分。父节点的选择决定于链路质量和跳数。

　　链路质量是两节点间的双向链路通信质量。以两相邻节点A、B为例。在网络广播信息中，节点A向节点B发送多组数据，则B节点的接收成功率为：

　　协议进一步采用加权唯一平均的方法计算最终的链路质量估计值，进而减小链路质量评估的抖动。令新的链路估计值为NEWEST，所占比例为μ=25％，则原先的作战比例为(1-μ)，最终的链路质量估计值为：

　　跳数HOPNU为节点到主节点的总共转发次数。在网络中，由于链路质量的原因，节点的父节点可能丢失。在进行父节点选取时，为了保证父节点的质量，通常选用SEDEST>0．1，RCVEST>0．1和EST>0．16的链路质量，这样不至于链路质量过低而不稳定。然后在相邻节点中先判断跳数最小，再判断链路通信质量选择父节点。

　　结语

　　本系统采用的STM32L152主控芯片和SI4432无线收发芯片都属于低功耗高集成芯片，降低了系统的功耗。其中STM32L152是Cortex-M3微控制器，提高了系统的性能；主节点带有硬件备份提高了系统的可靠性；LPES路由协议技术提高系统的通信效率，使系统拓展方便。本系统适合于工业现场数据采集、小区数据采集、医院病房监控、农业现场数据采集等一些短距离的通信应用。功能模块化和网络可拓展化，使系统便于功能的更新和节点的拓展。