摘要:該文介紹了一種基于atmega16l單片機(jī)和nRF2401射頻收發(fā)器的無線智能家居節(jié)點,并將無線自組織思想應(yīng)用其中,改進(jìn)了DSR路由協(xié)議的規(guī)范,利用RREQ、RREP和RERR等協(xié)議幀進(jìn)行路由查找和維護(hù),實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自組織和數(shù)據(jù)的多點跳傳。
　　關(guān)鍵詞:智能家居;nRF2401;DSR;自組織路由
　　中圖分類號:TP18文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2010)07-1693-3
　　A Self-organizing Network Node Design of Smart Home on nRF2401
　　LI Min, ZHANG Yi
　　(Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)
　　Abstract: In this thesis, a kind of nodes of Smart Home network was designed with MCU Atmega16l and radio frequency transceiver nRF2401 was studied. And the wireless self-organizing technology was applied in the system. According to the DSR Route protocol specification, uses RREQ、RREP and RERR frames to discover and maintain routing.So the network was self-organization and data transmited multi-hop.
　　Key words: Smart Home; nRF2401; DSR; self-organizing routing
　　針對現(xiàn)在家庭網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)不靈活,擴(kuò)展性不好,無法自動識別新入網(wǎng)的設(shè)備,也無法實時得知已離開網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備,而且當(dāng)目的設(shè)備節(jié)點與控制節(jié)點距離超過可靠通信距離,或者天線功率不足時,會導(dǎo)致某些節(jié)點設(shè)備脫離網(wǎng)絡(luò)等弊端,本設(shè)計將自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng),從而實現(xiàn)設(shè)備之間的自組多跳傳輸,使得網(wǎng)絡(luò)更加的靈活,可靠,而且成本低,易于開發(fā)。
　　1 系統(tǒng)概述
　　隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,無線網(wǎng)絡(luò)比有線網(wǎng)絡(luò)具有通信范圍不受環(huán)境條件限制、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期短、施工成本低、易于維護(hù)、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點,逐漸取代了有線網(wǎng)絡(luò),成為智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組網(wǎng)的首選。[1]
　　比較目前存在的各種各樣的無線接入方式,射頻無線技術(shù)可以實現(xiàn)點對多點的連接,對通信的方向無限制,傳輸距離較大,成本低,而且性能高。所以本文的智能家居系統(tǒng)采用無線射頻技術(shù)。
　　該智能家居系統(tǒng)是一個基于nRF2401[2]的小型無線控制系統(tǒng),是采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系統(tǒng)化的設(shè)計,將各個無線終端和主機(jī)管理終端通過通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶,組成的管理控制系統(tǒng),該系統(tǒng)靈活配置,組態(tài)方便,具有自適應(yīng)性等特點。
　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　在各節(jié)點都有一個透明的協(xié)議實現(xiàn)智能適應(yīng)性組網(wǎng),節(jié)點之間建立無線鏈路,實現(xiàn)節(jié)點互連,而且節(jié)點之間通過自組網(wǎng)協(xié)議互相識別,協(xié)同工作。
　　每個終端節(jié)點不僅僅可以作為通信的終端,還可以作為通信的中間節(jié)點,對信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),使得整個網(wǎng)絡(luò)具有自組織性,并可實現(xiàn)多跳路由,從而增加了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)鋪蓋范圍,即使某個節(jié)點發(fā)生故障,其他節(jié)點也能實時感知,并進(jìn)行相應(yīng)的路由調(diào)整。
　　當(dāng)節(jié)點收到主控發(fā)送的命令后,該節(jié)點首先查詢其路由表,找到目的節(jié)點的路由信息,并添加到命令幀中直接發(fā)送。當(dāng)目的節(jié)點的路由信息不存在時,該節(jié)點作為源節(jié)點開始路由查詢,直到接收到目的節(jié)點返回的路由請求響應(yīng)幀,從而就可以建立從主控端到目的節(jié)點之間的通信鏈路,添加其返回的目的節(jié)點的路由信息到命令幀,然后發(fā)送。
　　當(dāng)一個新的終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)中時,在上電初始化后,就廣播其路由請求,獲得該節(jié)點到主控端的路由信息,并存儲起來,此時,就實現(xiàn)了新節(jié)點的入網(wǎng)。
　　2 終端節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　終端無線通信節(jié)點既是普通節(jié)點,又具有中繼節(jié)點的功能,在主控端通信距離之內(nèi)時,可直接與主控端進(jìn)行通信,當(dāng)距離太遠(yuǎn),則需要其他在通信范圍內(nèi)的節(jié)點作為中繼節(jié)點,轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)通信。
　　節(jié)點構(gòu)成圖如圖2 ,它包括處理器與無線傳輸模塊。
　　2.1 單片機(jī)部分
　　本設(shè)計采用的是Atmel公司的atmega16l[3]單片機(jī),用于對無線終端節(jié)點設(shè)備的控制、任務(wù)調(diào)度以及功能協(xié)調(diào)。
　　Atmega16l是一種高性能、低功耗的8位AVR微處理器,具有以下優(yōu)點:1) 接口豐富;2) 速度快:由于AVR絕大部分的指令是單周期指令,所以幾乎可以獲得1MIPS的指令速度;3) 支持IAP:即系統(tǒng)自編程,方便系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級、維護(hù);4) 一般都內(nèi)置EEPROM,便于調(diào)電存儲;5) 中高檔芯片調(diào)試方便:使用了簡化的JTAG協(xié)議,可以用支持的JTAG仿真器在線仿真,能夠真實的反映系統(tǒng)情況。
　　2.2 無線通信模塊
　　其中的無線通信模塊選擇使用Nordic公司推出的無線收發(fā)一體芯片nRF2401[1]用于節(jié)點間的數(shù)據(jù)收發(fā),它具有外圍電路簡單,通信速率高,通信質(zhì)量可靠穩(wěn)定、成本低,開發(fā)周期快、短、而且沒有復(fù)雜的通信協(xié)議,對用戶透明,而且同種產(chǎn)品之間可以自由通信、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點。
　　而且nRF2401只需要通過CS、CLK1和DATA三個引腳完成所有配置工作的,設(shè)計簡單,易于編程。
　　3 軟件設(shè)計
　　3.1 通信協(xié)議
　　應(yīng)用于自組織網(wǎng)絡(luò)[4]中的路由算法,主要可以分為驅(qū)動路由算法,如目的序號距離矢量算法、無線路由協(xié)議等;按需驅(qū)動路由算法,如Ad hoc按需距離適量算法、臨時排序路由算法、動態(tài)源路由算法、基于關(guān)聯(lián)性的路由算法、動態(tài)源路由算法等。
　　本文選用DSR路由協(xié)議,這是一種重要的按需路由協(xié)議,針對智能家居網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定,可移動性較差的特點,對DSR協(xié)議進(jìn)行了簡化和改進(jìn)。
　　改進(jìn)后的DSR 路由協(xié)議定義了三種消息類型: 路由請求RREQ, 路由應(yīng)答RREP, 路由錯誤RERR。改進(jìn)后的幀格式如圖3~5所示。
　　底層nRF2401的數(shù)據(jù)幀格式如圖6所示。
　　其中,PRE-AMBLE段為數(shù)據(jù)包頭, ADDRESS段為接收方通道硬件地址段,只有符合本機(jī)硬件地址的數(shù)據(jù)幀才會被接收,CRC段為數(shù)據(jù)校驗段,PAYLOAD段為待發(fā)送數(shù)據(jù)段。
　　3.2 程序設(shè)計
　　3.2.1 底層無線數(shù)據(jù)收發(fā)軟件設(shè)計[5]
　　在發(fā)送數(shù)據(jù)時, CE置為高電平且CS為低電平,系統(tǒng)為數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài),將數(shù)據(jù)按時序的規(guī)定輸入,待所有的數(shù)據(jù)輸入完成后,將CE置為低電平,nRF2401對輸入的數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)置的要求進(jìn)行調(diào)制,添加CRC校驗和前導(dǎo)碼,并且從天線端發(fā)送出去。其發(fā)送代碼流程如圖7所示。
　　在接收數(shù)據(jù)時,工作使能管腳CE置為高電平,等待數(shù)據(jù)的到來,節(jié)點開始對空中的信號進(jìn)行自動捕捉,當(dāng)收到與本節(jié)點地址相同的數(shù)據(jù)時,接收數(shù)據(jù),并自動校驗CRC,如果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤,這些數(shù)據(jù)就被存放在nRF2401的接收緩沖區(qū)中,然后控制中斷引腳DR1,使之置1,通知MCU可以接收數(shù)據(jù)。這時,MCU就可以根據(jù)時規(guī)定從nRF2401中讀出數(shù)據(jù)。其接收代碼流程如圖8所示。
　　3.2.2 路由部分程序設(shè)計
　　DSR協(xié)議自組織互聯(lián)[6]的具體實現(xiàn)過程,可分為路由發(fā)現(xiàn)過程和路由維護(hù)過程:
　　1) 路由發(fā)現(xiàn)過程:某節(jié)點要向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),查詢該節(jié)點到目的節(jié)點的路由信息,如果沒有,則廣播發(fā)送路由請求幀,每個收到路由請求幀的節(jié)點作為中間節(jié)點將自己的地址加入到路由請求幀的中繼節(jié)點地址里,重新廣播,直到路由請求幀到達(dá)目的節(jié)點,這時,目的節(jié)點就得到了到達(dá)請求節(jié)點的完整路由。然后,目的節(jié)點將所得到的路由信息包含在路由響應(yīng)幀,沿著反向路由,將路由相應(yīng)幀發(fā)送回請求節(jié)點。該請求節(jié)點在收到路由響應(yīng)幀以后,將路由信息存入路由存儲器中,添加到發(fā)送數(shù)據(jù)命令的頭部。
　　2) 路由維護(hù)過程:在數(shù)據(jù)逐跳傳輸過程中,如果發(fā)現(xiàn)鏈路失效,中繼節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送路由錯誤幀,源節(jié)點收到路由錯誤幀以后刪除失敗路由,重新進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)。
　　節(jié)點通信流程為:新節(jié)點入網(wǎng)上電初始化后,發(fā)送路由請求到目的節(jié)點,如果沒有收目的節(jié)點的路由應(yīng)答,則該節(jié)點廣播路由請求,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點接收到路由請求幀后,如果沒有超過規(guī)定的跳數(shù),則返回路由響應(yīng)幀給源節(jié)點,新節(jié)點在接收到路由響應(yīng)幀后,就建立起了從新節(jié)點到目的節(jié)點的路由。當(dāng)路由無效時,節(jié)點就會收到路由錯誤幀,然后刪除路由表,并開始新的路由請求,建立新路由。
　　流程圖如圖9所示。
　　
　　4 結(jié)束語
　　在本設(shè)計中,將DSR協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)簡化,將其應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)中,實現(xiàn)了家電互連,擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)鋪蓋范圍,節(jié)點自行組網(wǎng),提高了網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性和健壯性。
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