摘要：運用低功耗Cortex-M3微控制器STM32L152和低功耗集成無線收發芯片S14432設計了一種無線網絡系統。介紹了系統的體系結構、硬件電路、數據的接收和發送流程，以及網絡管理機制。系統運用了鏈路質量估計算法和硬件冗余技術，采用TinyOS系統的LEPS路由協議實現無線網絡的構建和管理。
引言
在現代生活和生產中，無線通信技術應用越來越廣泛。生活小區、醫院、工廠等復雜環境中的各種儀器儀表可以通過無線網絡進行數據采集和監控。工業現場自動化數據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絡。無線收發芯片S14432的通信距離可達1～2km。本文設計了一種基于STM32L152和S14432的無線網絡系統。系統采用低功耗、高性能的Cortex-M3核32位微控制器STM32L152和高集成度、低功耗的無線收發芯片S14432，適用于短距離的現場數據采集和監控。系統采用網絡化管理并運用主節點備份技術和LEPS路由協議保證系統的可靠性和拓展性。
1 主控芯片
STM32L152是意法半導體公司提供的超低功耗、高數據安全性、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定時間以最低的功耗完成任務。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響應，同時可應對動態和靜態功率限制的挑戰。
系統中采用STM32L152芯片，48腳LQFP封裝。該芯片擁有128KB Flash、16KB RAM、4096字節的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 無線網絡系統的體系結構
無線網絡系統的體系結構如圖1所示。系統是由主節點和多個從節點組成的樹型拓撲網絡。主節點組建和管理整個無線網絡，實現向從節點傳送控制指令和接收從節點的數據信息。從節點實現接收主節點傳達的控制指令和將數據信息向主節點的傳送。
3 系統硬件設計
無線網絡系統的硬件結構如圖2所示。主節點、備份主節點和從節點都采取同樣的硬件電路。STM32L152單片機控制SI4432實現無線數據的收發。射頻收發芯片采用的是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接口與控制系統通信。主控制芯片硬件電路如圖3所示。
STM32L152通過標準的SPI接口與SI4432相接。主控制芯片通過SPI接口對射頻芯片內部寄存器進行初始化配置，并且發送控制指令和讀寫數據信息。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。
整個無線網絡只采用一個主節點，設計中采用硬件冗余技術。在主節點處設置一個備用主節點，備用主節點是主節點的復制品，擁有主節點同樣的控制和管理，以及同一級別的主節點地址。當控制系統檢測到主節點出現故障時，可以激活冗余主節點，以替代主節點保證整個無線網絡系統的正常運行。
4 系統軟件設計
系統的軟件設計分為主節點和從節點兩部分。軟件設計采用功能模塊化的設計思路，系統又可分為初始化模塊、應用模塊和網絡管理模塊。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用初始化模塊；應用模塊包括無線發送模塊、無線接收模塊、數據處理模塊、工作模式模塊；網絡管理模塊是通過路由協議組建無線網絡。
4.1 系統初始化
系統上電后，單片機根據主節點和從節點的區別對硬件和功能模塊進行初始化，設定各個引腳的功能、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點分別設置。
4.2 數據處理
系統采用類似ZMAC協議的幀格式對數據進行打包通信。數據包的格式如下：
數據包的前端加上8n位的前導碼，是為了使接收端進行幀同步。前導碼之后是幀同步字，當接收端收到幀同步字之后，開始接收數據。包長和校驗碼是接收端用來校驗數據接收錯誤與否。數據處理模塊負責在發送前和接收后對數據包進行信息處理。數據包分為網絡維護類和信息類，通過包類型位區分，其中數據包內數據位的信息不通。當網絡系統處于組建和維護期時，數據包屬于網絡維護類，數據位的信息為節點的路由信息。節點的路由信息包括到匯聚節點的跳數、到相鄰節點的鏈路質量評估信息、節點編號等。當網絡系統處于工作狀態時，數據位的信息為控制指令或數據碼。節點在數據信息發送前，數據處理模塊負責將需要發送的數據信息進行分類，然后向其中分別加入各種不同的位信息，形成成熟的待發送的數據包。節點在數據信息接收后，該模塊負責對數據包進行校驗，將數據包分類，然后對各種信息位進行分離整理。其中，在發送和接收時，通過對SI4432寄存器的配置操作，可以直接分離出配置位。配置位結構如下：
4.3 數據發送和接收
數據發送模塊負責將數據包發送出去。當接收到發送指令時，首先通過SPI清空射頻芯片的發送FIFO，然后向發送FIFO里寫入需要發送的數據。打開射頻芯片發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送功能，數據開始無線發送。將IRQ引腳拉高，并等待無線發送完成中斷。如果數據發送成功，則NIRQ變低電平。
數據接收模塊負責接收數據包。當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。打開前導碼接收、幀同步中斷和接收包數據有效中斷，并關閉其他中斷。準備好開始接收。若引腳NIRQ變為低電平，且讀取到接收包數據有效中斷位，通過SPI讀取接收FIFO中的數據，關閉接收功能。發送和接收程序流程如圖5所示。
4.4 系統管理機制
無線網絡由主節點和從節點組成，是一個以主節點為根中心的樹形拓撲。整個網絡的管理是通過各節點中的網絡管理模塊完成的。無線網絡采用LEPS(Link Estimation and Parent Selection)協議。LEPS協議是TinyOS系統的多跳路由協議。它通過節點之間的鄰居信息交換機制，考慮鏈路質量，建立到中心節點的最短通信路徑。
從節點分為不同級別的父節點，只向自己的父節點發送信息，通過父節點逐級向上傳到主節點。從節點路由表中擁有自己子節點的編號地址。父節點處于網絡的中心是最高級的父節點，它的路由表中擁有整個網絡節點的編號和地址。主節點的數據由其子節點逐級傳向各從節點。
無線網絡分為拓撲結構的建立、路由維護和數據通信3個階段。在拓撲結構的建立階段，所有的節點周期性地廣播自己的路由信息，節點根據跳數和鏈路質量信息建立最短條數路由，建立路由表。網絡將進行定期的維護，在維護的過程中，節點將再次對父節點做出評估，刷新路由表。在數據通信階段，路由協議為數據傳遞提供行進路徑。在完成組網后，若向網絡中增加節點，則只需要對網絡進行維護更新，更新路由表即可。
4.5 父節點選擇
所有從節點的數據都是通過父節點傳送到主節點的。父節點性能是路由協議的核心部分。父節點的選擇決定于鏈路質量和跳數。
鏈路質量是兩節點間的雙向鏈路通信質量。以兩相鄰節點A、B為例。在網絡廣播信息中，節點A向節點B發送多組數據，則B節點的接收成功率為：
協議進一步采用加權唯一平均的方法計算最終的鏈路質量估計值，進而減小鏈路質量評估的抖動。令新的鏈路估計值為NEWEST，所占比例為μ=25%，則原先的作戰比例為(1-μ)，最終的鏈路質量估計值為：
跳數HOPNU為節點到主節點的總共轉發次數。在網絡中，由于鏈路質量的原因，節點的父節點可能丟失。在進行父節點選取時，為了保證父節點的質量，通常選用SEDEST>0.1，RCVEST>0.1和EST>0.16的鏈路質量，這樣不至于鏈路質量過低而不穩定。然后在相鄰節點中先判斷跳數最小，再判斷鏈路通信質量選擇父節點。
結語
本系統采用的STM32L152主控芯片和SI4432無線收發芯片都屬于低功耗高集成芯片，降低了系統的功耗。其中STM32L152是Cortex-M3微控制器，提高了系統的性能；主節點帶有硬件備份提高了系統的可靠性；LPES路由協議技術提高系統的通信效率，使系統拓展方便。本系統適合于工業現場數據采集、小區數據采集、醫院病房監控、農業現場數據采集等一些短距離的通信應用。功能模塊化和網絡可拓展化，使系統便于功能的更新和節點的拓展。
