關(guān)鍵性技術(shù)介紹與分析

2.2.1 SWSN 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)

本系統有很多的功能節點(diǎn)，這些功能節點(diǎn)是通過(guò)成本很低和可靠性相對較高的 SWSN（Simple Wireless Senor Network）無(wú)線(xiàn)傳感器通信技術(shù)實(shí)現數據傳輸的。SWSN 協(xié)議是我們利用射頻芯片 CC1101 開(kāi)發(fā)的一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，這個(gè)網(wǎng)絡(luò )是我們自己組建的，是用于智能家電控制系統的一種面向小型化應用、低功耗的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )。SWSN 網(wǎng)絡(luò )支持點(diǎn)對點(diǎn)的通信結構和星型拓撲結構我們可以根據家庭的實(shí)際情況設計出一種適合智能家電控制系統的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構?？梢栽诤芏痰臅r(shí)間內，利用 SWSN 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議建立一個(gè)面向不用應用的網(wǎng)絡(luò )布局。SWSN 協(xié)議棧分為應用層、網(wǎng)絡(luò )層和物理層。下面分別介紹 SWSN 協(xié)議棧。

2.2.1.1 SWSN 應用層SWSN 

網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的應用層是提供用戶(hù)開(kāi)發(fā)的，該層主要負責用戶(hù)命令的處理、信息數據的采集和網(wǎng)絡(luò )設備的管理等。應用層由兩部分組成：應用層管理和應用層服務(wù)數據管理。應用層管理主要管理網(wǎng)絡(luò )中的終端，例如查詢(xún)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的個(gè)數、判斷節點(diǎn)是否在網(wǎng)絡(luò )中、查詢(xún)網(wǎng)絡(luò )內節點(diǎn)的地址等。應用層數據管理負責管理網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)發(fā)送的指令處理和處理采集節點(diǎn)的數據信息。

2.2.1.2 SWSN 網(wǎng)絡(luò )層SWSN 

網(wǎng)絡(luò )層由數據服務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò )層管理和網(wǎng)絡(luò )安全管理三部分組成。數據服務(wù)管理主要用于對應用層數據發(fā)送到指定目的地址的管理；接收并解析底層消息序列，判斷這一消息是在本層處理解決，還是發(fā)送到應用層處理，由應用層處理，網(wǎng)絡(luò )鏈接號指定數據的通信。網(wǎng)絡(luò )管理的工作主要有網(wǎng)絡(luò )建立、網(wǎng)絡(luò )參數管理、節點(diǎn)加入、地址管理、休眠節點(diǎn)數據存儲等功能。在對網(wǎng)絡(luò )安全要求比較高的情況下，網(wǎng)絡(luò )安全管理可以對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行加密算法管理，從而實(shí)現網(wǎng)絡(luò )數據通信的安全，保證信息的安全。

2.2.1.3 SWSN 物理層SWSN 

協(xié)議棧的物理層由射頻接口和協(xié)議處理的板級支持包 BSP 組成。板級支持包是實(shí)現 SWSN 軟件的“工具”，是射頻層和網(wǎng)絡(luò )層之間的橋梁，支持射頻模塊和網(wǎng)絡(luò )之間的通信。BSP 除了處理 SWSN 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議外，還預留了一些接口（如串口），用于連接需要處理的節點(diǎn)，還一些必要的外圍設備，如 LEDS、KEYS、GPIO 的引腳定義等。用戶(hù)還可以根據之間的需求定做 BSP 滿(mǎn)足實(shí)際的需要。射頻接口部分對消息幀的基本讀/寫(xiě)進(jìn)行了抽象。射頻芯片的不同，具體實(shí)施的方式也不相同，但是 SWSN 協(xié)議提供的基本接口是一樣的。所以不同的射頻芯片，SWSN 可以提供不同的支持。另外，物理層可以封裝射頻接口，可以消除硬件的差異。

2.2.1.4 SWSN 網(wǎng)絡(luò )應用分析

SWSN無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議是按幀格式進(jìn)行數據的收發(fā)操作，實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據傳輸的。硬件上主要是由一個(gè)射頻收發(fā)芯片（CC1101）和微控制器（MSP430F149）構成，協(xié)議字節命令是由軟件程序控制的，這些程序運行在微控制器上，微控制器控制著(zhù)射頻芯片的發(fā)送與接收。CC1101 芯片有幾種工作狀態(tài)（用于收發(fā)數據的發(fā)射狀態(tài)和接收狀態(tài)，用于節能的休眠狀態(tài)和沒(méi)有數據傳輸的空閑狀態(tài)等）。該芯片的不同工作狀態(tài)之間是可以進(jìn)行切換的，切換的方式主要是通過(guò)操作芯片的外部引腳和內部寄存器來(lái)實(shí)現的。CC1101 芯片無(wú)線(xiàn)模塊上電后，大約 10ms 的時(shí)間，芯片開(kāi)始進(jìn)入休眠狀態(tài)。在休眠狀態(tài)下，CC1101 芯片的工作電流是400n A，這么小的電流保證了無(wú)線(xiàn)模塊的低功耗。雖然 CC1101 芯片在休眠狀態(tài)已經(jīng)停止繼續工作，不過(guò)該芯片的內部寄存器的值不像掉電那樣，是不會(huì )丟失的。通過(guò)把 CC1101 芯片的CSn 引腳拉低，經(jīng)過(guò) 1.5ms 的時(shí)間后，它的工作狀態(tài)就從休眠模式轉換到空閑模式。在空閑模式下，CC1101 芯片可以進(jìn)行數據的讀寫(xiě)和狀態(tài)間的切換。之后便可對發(fā)送 STX 位或接收SRX 位進(jìn)行寫(xiě)操作，芯片開(kāi)始發(fā)送或接受數據。CC1101 芯片是用 SPI 接口和 MCU（MSP430F149）單片機進(jìn)行通信的，CC1101 芯片支持低速率的數據傳輸，所以無(wú)線(xiàn)傳輸的數據可以低速寫(xiě)入 CC1101。SWSN 網(wǎng)絡(luò )中的設備信息交互是按數據包的形式，數據包是按照一定幀格式進(jìn)行收發(fā)的。每個(gè)數據包的長(cháng)度是 23+n個(gè)字節，n 是來(lái)自網(wǎng)絡(luò )應用層傳輸的有效數據，最大為 50,最小為 0。SWSN 數據幀由四部分組成：物理層數據幀、射頻接口數據幀、網(wǎng)絡(luò )層數據幀、應用層數據幀。 

SWSN 數據幀可以分為安全使能數據幀（如圖 2.3）和無(wú)安全使能數據幀（如圖 2.4）。SWSN 協(xié)議數據幀結構中各字段的含義如表 2-1 所示。