CC1101的遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

康芳于，李允俊，金華

（延邊大學(xué) 工學(xué)院，延吉133002）

引 言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，無線通信技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域。目前應(yīng)用較為廣泛的是藍(lán)牙、Zig-Bee和WiFi等短距離無線傳輸技術(shù)，但是它們的傳輸距離短，無法滿足工農(nóng)業(yè)與監(jiān)控等領(lǐng)域?qū)鬏斁嚯x和覆蓋范圍的需求，因此本文設(shè)計(jì)一種基于CC1101芯片的遠(yuǎn)距離無線傳輸協(xié)議。CC1101芯片，具有低成本、低功耗、小體積、使用簡(jiǎn)單、操作靈活等特點(diǎn)，其傳輸距離一般為400～800 m，具有很好的數(shù)據(jù)包處理機(jī)制和充足的發(fā)射/接收緩沖區(qū)，適用于無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[1-2]。

物聯(lián)網(wǎng)細(xì)分為5層結(jié)構(gòu)：感知層、接入層、網(wǎng)絡(luò)層、支撐層和應(yīng)用層。本文基于CC1101無線收發(fā)芯片，設(shè)計(jì)一種無線傳輸協(xié)議，完成物聯(lián)網(wǎng)5層體系構(gòu)架中從感知層到網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)交換，是相對(duì)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸在接入層的一種新的傳輸方式[3]。本文通過設(shè)計(jì)基于CC1101芯片的無線傳輸協(xié)議，擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)感知層到網(wǎng)絡(luò)層的傳輸距離，豐富接入層無線傳輸?shù)姆绞?，彌補(bǔ)了CC1101芯片針對(duì)遠(yuǎn)距離無線傳輸協(xié)議的不足。

1 協(xié)議的整體架構(gòu)

本文將物理節(jié)點(diǎn)劃分為3種類型：中心節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的匯聚中心，負(fù)責(zé)形成和維護(hù)整個(gè)傳輸系統(tǒng)的路由結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)與控制，完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)。路由節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的傳輸系統(tǒng)，負(fù)責(zé)完成整個(gè)系統(tǒng)命令的下達(dá)和數(shù)據(jù)的傳輸，是整個(gè)協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪\(yùn)輸樞紐。終端節(jié)點(diǎn)作為中心節(jié)點(diǎn)命令的執(zhí)行者，是最底層節(jié)點(diǎn)，可與傳感器相連，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。3種節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系如圖1所示。

從整體上看，中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)維護(hù)所有路由節(jié)點(diǎn)，而路由節(jié)點(diǎn)管理其范圍內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)通過解析中心節(jié)點(diǎn)的命令，將執(zhí)行命令后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點(diǎn)上交給中心節(jié)點(diǎn)處理。因此，三者各司其職，共同完成整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)[4-5]。

圖1 3種節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系

根據(jù)3種節(jié)點(diǎn)的關(guān)系可構(gòu)建“一全多局”路由表，路由表負(fù)責(zé)記錄整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)穆肪€，并據(jù)此提出一種二次攜帶信息廣播協(xié)議，來提高回應(yīng)節(jié)點(diǎn)的完整性。本文基于TCP/IP協(xié)議分層的設(shè)計(jì)思想，綜合CC1101無線收發(fā)芯片的特征，按照傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)牧鞒?，將傳輸協(xié)議結(jié)構(gòu)細(xì)分為5層結(jié)構(gòu)，完成“一全多局”路由表的組建和數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間的相互傳輸。

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和多節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，本文在8位地址濾波接收模式的CC1101無線收發(fā)芯片中添加接收/發(fā)送放大器，最遠(yuǎn)可以傳輸800 m，最多可以帶255個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過芯片節(jié)點(diǎn)的3種劃分方式，以CC1101發(fā)送和接收距離500 m為單位，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)到100 km以上，節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以增加到6萬個(gè)。

2 協(xié)議路由

2.1 路由表

本文設(shè)計(jì)一種“一全多局”的路由信息表?！耙蝗敝钢行墓?jié)點(diǎn)擁有全局拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)的路徑信息，即所有路由節(jié)點(diǎn)與其相鄰節(jié)點(diǎn)的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系；“多局”指路由節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)與其相鄰的路由節(jié)點(diǎn)的信息。路由信息表結(jié)構(gòu)如表1所列，該表有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一是占用空間小，第二是可快速檢索一條最短路徑。

表1 路由信息表結(jié)構(gòu)

2.2 路由表構(gòu)建

本文基于路由表的結(jié)構(gòu)，采用一從多主的方式構(gòu)建路由表信息。即一個(gè)從節(jié)點(diǎn)（中心節(jié)點(diǎn)）用于隨時(shí)接收路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的路由信息，多個(gè)主節(jié)點(diǎn)（路由節(jié)點(diǎn)）用于定時(shí)向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送其相鄰的路由信息。所有的路由節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)一個(gè)隨機(jī)定時(shí)器，每隔隨機(jī)的時(shí)間就會(huì)發(fā)送一次廣播，獲得其相鄰節(jié)點(diǎn)的信息，然后發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)收到信息幀之后，構(gòu)建路由表。這種方法構(gòu)建的路由表信息更新速度更快，應(yīng)用更靈活。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸路徑

根據(jù)“一全多局”路由表，以一種組網(wǎng)方式為例，截取部分全局路由表信息如表2所列。例如從中心節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)給路由節(jié)點(diǎn)4（1到4），首先可以快速定位到ID等于4的位置，并獲得其父鏈表中的一個(gè)父節(jié)點(diǎn)ID為2，再定位到ID等于2的位置，并獲得其父鏈表中一個(gè)父節(jié)點(diǎn)ID為6，然后定位到ID等于6的位置，得到其父節(jié)點(diǎn)1，1為中心節(jié)點(diǎn)，所以其路徑為1—6—2—4。由于定位在數(shù)組中，省略遍歷路由表的時(shí)間，加快路徑確定的速度。另外，從表2中可以看出，4節(jié)點(diǎn)所在的層次為3，說明1—6—2—4為最短跳變，從而證明全局路由表設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

2.4 二次攜帶信息廣播協(xié)議

路由表負(fù)責(zé)記錄整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)穆肪€，因此路由表的完整性和準(zhǔn)確性關(guān)系到數(shù)據(jù)傳輸速度和協(xié)議運(yùn)行的效率。而廣播作為路由表的生成基礎(chǔ)，直接影響路由表的完整性和準(zhǔn)確性。

本文提出一種二次攜帶信息廣播協(xié)議，來提高回應(yīng)節(jié)點(diǎn)的完整性。

二次攜帶信息廣播：源節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送一次廣播命令并啟動(dòng)一個(gè)廣播定時(shí)器，收到廣播命令的節(jié)點(diǎn)，按照防碰撞算法進(jìn)行廣播命令的回應(yīng)。源節(jié)點(diǎn)在廣播定時(shí)器超時(shí)之后，將收到的回應(yīng)信息節(jié)點(diǎn)地址放入到第二次廣播命令幀中，進(jìn)行第二次攜帶信息廣播，收到該廣播命令的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)首先在廣播命令幀中查找自己的地址，如果找到，則不進(jìn)行廣播回應(yīng)，否則按照防碰撞算法進(jìn)行廣播回應(yīng)。二次攜帶信息廣播的過程如圖2所示。

表2 部分全局路由表信息

圖2 二次攜帶信息廣播過程

按照二次攜帶信息廣播的過程，其廣播命令幀的格式如下：

發(fā)送幀 目的地址源地址廣播標(biāo)志更新序列自身層次節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù) 節(jié)點(diǎn) CRC 幀尾回應(yīng)幀 目的地址源地址廣播標(biāo)志更新序列自身層次CRC 幀尾

根據(jù)二次攜帶信息廣播的原理和過程，設(shè)計(jì)如圖3所示的流程。因?yàn)閺V播處在協(xié)議層次中的鏈路層，因此，此圖的左半部分表示鏈路層程序流程，右半部分為二次攜帶信息廣播的程序流程。

3 協(xié)議層次結(jié)構(gòu)

協(xié)議劃分的5層從底層到高層依次是物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、解析層和應(yīng)用層。每層負(fù)責(zé)解析自身層次數(shù)據(jù)幀，對(duì)其他層的數(shù)據(jù)格式不可見。各層的層次說明如表3所列。

圖3 廣播流程

表3 協(xié)議層功能表

根據(jù)以上5層結(jié)構(gòu)中各層不同的功能，協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程如圖4所示，可以得出，在源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流過5層，然而在中間路由節(jié)點(diǎn)，只需要經(jīng)過協(xié)議的底3層，即中間路由節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是不可見的。

圖4 協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸過程

各個(gè)協(xié)議層的功能如下：

①物理層是協(xié)議層中的最底層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸之前監(jiān)測(cè)信道是否空閑，防止數(shù)據(jù)碰撞的發(fā)生，以便保證點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

②鏈路層主要在相鄰節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤的傳輸，使上層不用擔(dān)心幀丟失、干擾和錯(cuò)誤等問題，向上層提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)包。

③協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層主要提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?，使?shù)據(jù)能夠按照最短路徑完成傳輸，并向上層提供簡(jiǎn)單靈活、無連接、盡最大努力交付的數(shù)據(jù)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量關(guān)系到數(shù)據(jù)包傳輸?shù)乃俣群途W(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性，是分層傳遞的關(guān)鍵技術(shù)。

當(dāng)處理節(jié)點(diǎn)不可達(dá)信息回傳時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)死循環(huán)現(xiàn)象，因此本文規(guī)定：如果數(shù)據(jù)幀向下層節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)不可達(dá)節(jié)點(diǎn)，則把節(jié)點(diǎn)不可達(dá)信息返回給中心節(jié)點(diǎn)，以便中心節(jié)點(diǎn)為完成數(shù)據(jù)幀傳輸做出進(jìn)一步處理；但是，如果數(shù)據(jù)幀向上層節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)不可達(dá)信息，則直接丟棄數(shù)據(jù)幀，等待中心節(jié)點(diǎn)超時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)超時(shí)沒有收到回應(yīng)信息，就會(huì)重傳，重傳超時(shí)會(huì)更新路由表或選擇其他線路完成數(shù)據(jù)的傳輸。

④解析層主要為應(yīng)用層提供一個(gè)統(tǒng)一的接口，應(yīng)用層可以通過該接口，完成命令幀的封裝和發(fā)送。除此之外，解析層將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)放在Linux內(nèi)核內(nèi)存空間，為了快速響應(yīng)應(yīng)用層對(duì)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求命令，為應(yīng)用層訪問路由表信息提供一組路由相關(guān)的命令接口。

⑤應(yīng)用層相當(dāng)于用戶在協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過調(diào)用解析層提供的接口，完成對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)和控制。開發(fā)人員只要了解相關(guān)的接口和需要實(shí)現(xiàn)的功能，即使不懂協(xié)議，也可以完成程序開發(fā)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

全局路由表是整個(gè)協(xié)議的核心內(nèi)容，它的準(zhǔn)確性是整個(gè)系統(tǒng)是否能夠正常、快速運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，可以通過部署不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、比較網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與路由表記錄的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而驗(yàn)證協(xié)議路由表映射的準(zhǔn)確性。本文設(shè)計(jì)單層、雙層交叉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)協(xié)議全局路由表進(jìn)行層次性測(cè)試，通過開發(fā)板輸出的全局路由表結(jié)構(gòu)與實(shí)際路由節(jié)點(diǎn)部署對(duì)比，驗(yàn)證各種層次結(jié)構(gòu)路由協(xié)議運(yùn)行的準(zhǔn)確性。

路由表單層測(cè)試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5（a）所示，單層模式下開發(fā)板輸出全局路由表測(cè)試結(jié)果如圖5（b）所示。從輸出結(jié)果可以看出，ID為01的節(jié)點(diǎn)層次為0，父節(jié)點(diǎn)為-1，說明該節(jié)點(diǎn)是中心節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)層次都為1且父節(jié)點(diǎn)都只有01，從而可以證明，全局拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)為以01節(jié)點(diǎn)為中心的單層結(jié)構(gòu)。此結(jié)論與圖5（a）中的單層結(jié)構(gòu)圖相符，證明了協(xié)議單層結(jié)構(gòu)中運(yùn)行的準(zhǔn)確性和全局路由表的完整性。

圖5 單層模式與路由信息

在實(shí)際環(huán)境部署節(jié)點(diǎn)的過程中，節(jié)點(diǎn)路徑不可能都是簡(jiǎn)單的無交叉分支結(jié)構(gòu)，其分支必定存在一定程度的交叉。因此，本文設(shè)計(jì)了雙父節(jié)點(diǎn)雙層結(jié)構(gòu)測(cè)試模式，其整體節(jié)點(diǎn)部署如圖6（a）所示，圖6（b）為該模式下節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)完成后的全局路由表。從輸出的結(jié)果可以看出，第二次路由節(jié)點(diǎn)包括09、0C和0D，09有兩個(gè)父節(jié)點(diǎn)0B和0E，0C和0D分別是0B和0E的子節(jié)點(diǎn)，0B和0E位于第一層，其父節(jié)點(diǎn)為01。其結(jié)果顯示與實(shí)際路由分布一致，從而證明，在雙父節(jié)點(diǎn)雙層結(jié)構(gòu)模式下協(xié)議運(yùn)行正確。

圖6 雙層交叉模式與路由信息

結(jié) 語

本文通過設(shè)計(jì)一種遠(yuǎn)距離無線傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了基于CC1101無線芯片的遠(yuǎn)距離、大面積范圍的數(shù)據(jù)傳輸。首先構(gòu)建了協(xié)議的整體構(gòu)架，然后設(shè)計(jì)了記錄網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的路由信息表并根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸過程對(duì)協(xié)議進(jìn)行層次劃分，最后詳細(xì)分析了協(xié)議在各個(gè)協(xié)議層間的工作過程及協(xié)議原理。此協(xié)議彌補(bǔ)了CC1101芯片針對(duì)遠(yuǎn)距離無線傳輸協(xié)議的不足，可應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集以及監(jiān)控等領(lǐng)域。

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