1、基于单片机的无线自组网技术研究*本 科 毕 业 设 计（论文） 学 院 电子信息学院 专 业 * 学生姓名 * 班级学号 * 指导教师 * 二零一三年六月*大学本科毕业论文基于单片机的无线自组网技术研究Research of Wireless Ad hoc Network Technology Based on Microcontroller 摘 要随着Internet技术的飞速发展，网络技术日趋多样，Wired Network已不能满足人们对随时、随地、可靠、快速通信的需求，无线网络技术应运而生。无线Ad Hoc网络就是新型无线网络之一。不同于其他无线网络，Ad Hoc网络并不依赖固定基础设
2、施，具有通信、自组织、自管理等特点。随着我国电子技术的不断提高，以单片机为核心处理器，进行无线自组网的技术，无疑已成为通信技术的发展趋势之一。本文采用CC430F5137作为微处理器，配合其内部集成的CC1101无线收发器以及一些基本接口电路构成节点硬件系统。网络系统包括中心节点和终端节点，介绍了无线自组网的特点以及讨论了低功耗应用方法。分别对SimpliciTI网络协议及其拓扑结构进行了分析，并在此基础上进行软件设计，最终实现了基于SimpliciTI网络协议的网络通信系统。关键词：CC430 F5137；无线自组网；低功耗；AbstractWith the rapid developmen
3、t of Internet technology, network technology increasingly becomes diverse, and Wired Network has been unable to satisfy peoples needs who want to have reliable and fast communication in anytime or anywhere. As a result ,wireless network technology came into being. Wireless Ad Hoc network is one of t
4、he new wireless networks. Unlike other wireless networks, Ad Hoc network has many features including communication, self-organization, self-management, which does not rely on fixed infrastructure.With the continuous development of Chinas electronic technology ,the communication technology of wireles
5、s ad hoc network based on the microcontroller which works as the core processor , has undoubtedly become one of the trends of Communication .In this paper，CC430F5137 is adopted as the microprocessor，coordinating with its embedded CC1101 wireless transceiver and some of the basic interfacing circuits
6、；the node hardware system is composedThe network system includes centrer node and terminal node,The characteristics of wireless Ad Hoc networks and the application method for the low-power is discussed. SimpliciTI network protocol and its topological structure are analyzed，and the software is design
7、ed based on the analysisThus，the network communication system based on SimpliciTI network protocol is implementedKeywords: CC430 F5137; Wireless ad hoc network; low-power;目 录第一章 绪 论 11.1 研究背景 11.1.1 无线自组网技术简介 11.1.2 单片机CC430系列简介 21.2 国外无线自组网的研究现状和前景 21.3 本文主要内容 3第二章 无线自组网技术 42.1 无线自组网的体系结构 42.1.1 Ad
8、 Hoc网络的拓扑结构（平面结构） 42.1.2 Ad Hoc网络的拓扑结构（分级结构） 52.2 无线自组网的关键技术 62.3 无线自组网的路由协议 62.3.1 自组网路由协议的设计 62.3.2 自组网路由协议的分类 72.4 几种典型的无线自组网路由协议 82.4.1 目的序列距离矢量路由协议DSDV 82.4.2 按需平面距离矢量路由协议AODV 82.4.3 动态源路由协议DSR 92.4.4 临时排序路由算法TORA 9第三章 SimpliciTI协议 103.1 引言 103.2 SimpliciTI协议的特点 103.3 设备类型和网络结构 113.4 SimpliciTI
9、的软件和数据结构 133.5 SimpliciTI接口 143.5.1 SimpliciTI底层接口 143.5.2 SimpliciTI应用层接口 163.6 SimpliciTI接收数据处理机制 18第四章 系统硬件的设计与介绍 194.1 系统主板组成 194.2 网络节点硬件设计 194.3 系统的核心硬件 204.3.1 单片机 CC430 F5137的简介 214.3.2 CC430 F5137主控芯片内部结构 224.4 系统的无线通信模块（RF1A） 234.4.1 RF1A模块的功能与特点 244.4.2 通信频率的选择 264.5 硬件的低功耗设计 26第五章 系统的软件设
10、计 285.1 系统的网络结构设计 285.2 系统的自组网设计 285.2.1 自组网的总体流程 285.2.2 中心节点的程序设计 305.2.3 终端节点的程序设计 325.3 实验结论 34结 论 36致 谢 37参考文献 38第一章 绪 论1.1 研究背景如今，随着信息技术的高速发展，Internet网络已融入人们生活地方方面面。特别是近年来，人们对摆脱Wired Network束缚、随时随地自由通信要求的越来越高，Wireless Network通信技术因此也得到了迅速的发展。目前有通过配有无线通信接口的笔记本电脑或PDA等实现无线网络通信的方式。然而多数无线通信方式需要有线基础设
11、施(如基站等)的支持才能实现，为了在没有固定基础设施的区域依然能够进行通信，一种新的网络技术Ad Hoc网络技术应运而生。基于单片机的无线自组网技术，对于信息时代背景下各种信息的快速采集、传递、分析、控制有着无可比拟的优势。特别是，近来迅速发展的未来网络模式物联网，对网络的要求愈加多样化，而基于MCU的无线Ad Hoc网络技术也是其重要的组网技术之一，因此有一定的研究价值。1.1.1 无线自组网技术简介无线自组网英文术语为Wireless Ad Hoc Network。无线自组织网络是一种多跳的临时性、自治性的网络，它是由一组带有无线收发装置的移动终端构成的。Ad Hoc一词起源于拉丁语，英文
12、含义为“For the specific purpse only”,将之翻译成中文，其意思为“专用的，自主的，特定的”2。Ad Hoc网络是将移动通信和计算机网络有机结合的一种新型网络，也是移动计算机通信网络的一种类型。在无线自组网中，每个用户终端兼有路由器和主机两种功能，并且可以在一定范围内随意移动。当终端作为主机时，需要运行各种面向用户的应用程序；当终端作为路由器，就需要运行相应的路由协议，并且要根据路由算法和路由表完成数据的分组转发和路由维护工作。无线自组网作为一种特殊的无线移动通信网络，网络中的每个节点地位平等，且没有也不必任何中心控制节点。在没有网络基础设施的情况下，这个特点可提供通
13、信支撑环境。由于Ad Hoc网络是这种没有严格的控制中心，所有节点地位平等的对等性网络，节点就能够可以随时加入和离开网络，而且任何节点的故障并不能影响整个网络的运行，因此就具有很强的抗毁性能。1.1.2 单片机CC430系列简介单片机就是在一块芯片上集成CPU,主要外设和内存的微型计算机。随着技术的快速发展进步，以及市场不断提升对产品功能和性能要求，单片机正朝着多选择、多功能、高速度、低功耗、低价格和大存储容量等方向发展。CC430系列是美国德州仪器公司推出的16位超低功耗、高性能产品。该系列单片机是将MSP4305xx内核与专为低功耗无线应用设计的CC1101多通道射频收发器相集成。它具有处
14、理能力强、运行速度快、资源丰富、开发方便等优异特性，有着很高的性价比。这些优势有助于打破阻碍RF实施的壁垒（如被高度限制的功耗、性能、尺寸与成本要求）、降低设计复杂性并大大简化开发，从而使得各类产品的无线连接组网成为可能。CC430系列单片机搭建的平台不仅提供了基于微处理器应用的业界最低功耗的单芯片射频解决方案，还有助于推动工业市场及消费电子类产品市场在无线网络技术大规模应用。CC430系列平台将印刷电路板尺寸与封装缩小50%，从而降低了系统的复杂性，同时又简化了RF设计，使得包括个人无线网络、RF网络、能量采集等在内的应用推向前所未有的水平。1.2 国外无线自组网的研究现状和前景由于无线自组
15、网络的特殊性，传统固定网络和移动通信网中使用的各种路由协议（如RIP、OSPF等）无法直接被使用，因此，需要为无线自组网设计专门的路由协议和算法，还要对无线自组网的应用、组网、管理等进行专门的研究。许多国家的无线通信技术研究人员在这方面展开了大量的研究工作。目前已有很多研究机构加入到了无线自组网技术的研究中，如美国加州大学克鲁兹分校JJ.Garcia-Luna_aceves教授领导的“计算机通信研究小组”；美国国家标准和技术研究所“无线通信技术小组”；IETF也专门成立了MANET工作组，负责无线自组网的路由协议标准化工作3。自20世纪90年代以来，国内的一些大学和研究所也开始关注无线自组网技
16、术，并对它进行了一些研究，如解放军理工大学、清华大学等。国家将无线自组网技术明确地列入在2006年制定的国家中长期科学的技术发展规划纲要中。而伴随着物联网这一新型网络模式的发展，基于单片机的无线自组网络的应用也会愈加丰富。1.3 本文主要内容本文主要通过对超低功耗系列单片机CC430 F5137，无线自组网技术以及TI公司的SimplicTI协议的介绍，熟练掌握器件的性能、功能及使用方法，并理解运用相关技术和软件。在此基础上，在IAR平台上应用C语言设计编程实现一个无线自组织网络系统，完成网络节点低功耗、无线收发数据和自组成网的设计要求。通过IAR来对系统程序的调试，能够加深对单片机相关模块功
17、能的理解和掌握，以便于更好的运用到以后的学习和工作中去，同时也能够寻求更好、更便捷的方法去解决相关通信领域中无线自组网的相关问题，提高工作效率和质量。 第二章 无线自组网技术2.1 无线自组网的体系结构 Ad hoc网络中节点一般都具有主机和路由两功能，根据其不同功能特点可以划分为主机、路由器和电台三个部分4。从物理结构的不同组成上来看，节点可以分为：单主机单电台、单主机多电台、多主机单电台和多主机多电台这四类。网络有四类基本拓扑结构：中心式控制结构、完全分布式控制结构、分层分布式控制结构和分层中心式控制结构。自组织网络一般为分布式的控制型网络结构，这种网络结构又有平面结构和分级结构两种分类。
18、2.1.1 Ad Hoc网络的拓扑结构（平面结构）自组织网络的平面结构的相对简单，全网节点在网络控制、路由选择上，以及在流量管理上都是平等一致的，因此这种网络拓扑结构的实质是对等式的结构。由于节点覆盖范围相对较小、节点数量有限，因此在信息的安全性能上有着一定的保障，并且比较健壮。但该网络结构的特性也同时带来了不足之处,如在维护动态路由上需要耗费大量控制信息，并且其可扩充性很差。综上所述，可以看出平面结构比较适用于中小规模的Ad Hoc网络。图2-1 平面网络结构2.1.2 Ad Hoc网络的拓扑结构（分级结构）不同于平面结构，在分级结构中，Ad Hoc网络通常被分为多个簇。每个簇由一个簇头和多
19、个簇成员组成低级网络，然后再由簇头构成较之高级的网络7。这一由簇头和网关上的节点锁构建而成的高级的网络称为虚拟骨干网络。分级结构可以分成单频分级结构和多频分级结构。在单频分级结构中，所有节点都采用同频率段进行相互的通信。图2-2 单频分级结构在多频分级结构中，不同级一般使用各自相异的数据交换的频率，以此来区分网络中的高低级。低一级的节点频率覆盖的通信范围较小，而高一级的节点的覆盖范围较之要大上许多。高一级的节点可以同时并存于多个网络级之中，此时高级节点就需要使用多个频率，通过不同的频率来区分并实现不同级间的通信。图2-3 多频分级结构2.2 无线自组网的关键技术（1）自适应技术 如何充分利用有
20、限的带宽、能量和满足服务质量的要求，最大化网络的吞吐量是自适应技术要解决的问题。解决的方法主要有：自适应编码、自适应调制、自适应功率控制、自适应资源分配等。（2）信道接入技术5Ad Hoc的无线信道术语多跳共享广播信道。多跳技术共享信道带来的直接影响就是保温冲突域节点所处的位置有关。在Ad Hoc网络中，冲突时局部事件，发送节点和接收节点感知到信道状况不一定相同。由此将带来隐藏终端盒包暴露终端等一系列特殊问题。基于这种请况。就需要Ad Hoc设计专用的信道接入协议。（3）路由协议Ad Hoc网络的拓扑结构随时都在发生变化，所以在Ad Hoc网络中的路由算法应具有快速收敛的特性，减少路由查找的开
21、销，快速发现路由，提高路由发现的性能和效率。同时，应能够跟踪和感知节点移动造成的链路状态变化，以进行动态路由维护。2.3 无线自组网的路由协议Ad Hoc网络的拓扑结构随时都在发生变化，所以在Ad Hoc网络中的路由算法应具有快速收敛的特性、减少路由查找的开销、快速发现路由、提高路由发现的性能和效率的特点。同时，要求能够跟踪和感知节点移动造成的链路状态变化，以进行动态路由维护。2.3.1 自组网路由协议的设计自组网路由协议有三种设计思路6：(1)通过修改现有的常规路由协议以适应在自组网环境工作，采用“时间驱动”，“事件驱动”； (2)基于按需路由发现的路由原则，节点是在发现没有去往目的节点的路
22、由的时候按需发起路由请求；(3)基于QoS路由，选择一条最有可能满足用户QoS的路由； 假若Ad Hoc网络的网络拓扑结构较为固定，一般认为采用常规路由协议基本就可以解决自组网路由协议；而当自组网的拓扑结构变化极为迅速时，就目前研究成果而言，采用泛洪(Flooding)协议以外的任何协议，都无法适应网络拓扑结构变化速度。2.3.2自组网路由协议的分类本文主要介绍非地理定位辅助路由（不使用GPS），则自组网路由协议分类如下图2-4所示图2-4 Ad Hoc路由协议分类同传统的路由协议的路由发现策略相似，通过周期性地广播路由信息分组、交换路由信息，主动路由中的节点来实现主动发现路由。于此同时，节点
23、也需要维护全网中以往所有已建立的节点路由。主动路由的优异特性是当一个节点需要发送数据分组时，如若仍存在去往目的节点的路由，它需要的时间拖延就会很小。其较为不理想之处是为了使得路由尽能够可能更新并跟随目前的拓扑结构的改变，主动路由往往需要付出花费开销较大的代价。然而，因为拓扑结构的剧烈变化有一定的概率将此类路由更新变成过期信息，路由协议就很可能一直保持在非收敛状态。在初期的Ad Hoc网路由协议研究中，路由协议多数是主动路由，它们主要思想是通过修改已有的有线网络的路由协议使得新的协议能够运行在新的自组网环境里。不同于主动路由，按需路由只有当无去往目的节点路由的时，才进行“按需”路由发现。它的主要
24、思想是没有必要在自组网这种动态变化的环境中，去维护别的全部节点去往的路由。因此需要按需来建立拓扑结构和路由表内容，而它可能只是全部拓扑结构信息的一个组成成分。它的路由思想一定决定了它的优点即不进行周期性地广播路由信息，从而节约了相当的网络资源。同时缺点是如若在广播数据分组时，去往目的节点的路由已改变，数据分组就必须容忍由路由发现所造成的的拖延。按需路由协议一般可分为两个过程：路由发现和路由维护。当源节点发现没有去往目的节点的路由时，触发路由发现过程。2.4 几种典型的无线自组网路由协议2.4.1目的序列距离矢量路由协议DSDVDSDV(Destination-Sequenced Distanc
25、e-Vector)是在DVA基础上进行改进设计的改进型路由表算法。DSDV以路由信息协议为基础，是无线自组网协议发展较早的一种。 DSDV的特点是采用了序列号机制用于区分路由的新旧程度，防止DVA可能产生的路由环路。它的缺点是不适应变化速度快的自组网，不支持单向信道。使用DSDV时，网络中的每一个移动节点都需要维护一个路由表。路由表表项包括目的节点、跳数和一个由目的节点注明的序列号，序列号不仅使节点能够区分有效和无效的路由信息，而且可以防止发生路由环路。标有较大序列号的路由信息总是被接收。2.4.2 按需平面距离矢量路由协议AODVAODV(Ad hoc On-demand Distance
26、Vector Routing)是在DSDV协议基础上结合类似DSR中的按需路由机制进行改进后提出的。不同之处在于使用逐跳转发分组方式的AODV为反应式的路由协议，DSR用的是源路由方式。AODV在全部的中间节点隐式存储了路由请求和应答反馈，而DSR则将反馈显式存储在路由请求和路由应答分组中。AODV源节点首先向全网广播一个路由分组（RREQ）（内部包含目的节点信息），再由邻居节点逐次向各自周围节点广播源节点的RREQ。在广播RREQ前要建立此节点到源节点的路由，直到RREQ到达目的节点或者一个中间节点。同时，在该过程中将够建一个从目的节点到源节点的路由，即从源节点到目的节点的反向路由。然后该节
27、点顺着反向路由回发一个路由分组，当路由分组抵达源节点后，就将结束该路由发现过程。所有的路由分组中都要用一个sequence ID作为唯一标识，以此来避免路由循环的发生。2.4.3 动态源路由协议DSRDSR(dynamic source routing)协议是一种基于源路由路由协议，它是基于按需路由思想的路由协议。其主要优异特性在于当分组转发时，使用源路由机制而没有采用逐跳路由方法。源路由机制起始于IEE802.5协议，它主要用于在有多个令牌而且网桥互连的环网中节点寻找路由链路。DSR协议借鉴了这种机制，并向其中添进了按需路由的思想而形成。DSR较之其他的理想之处是中间节点无须维护全网中所有去
28、往节点的路由信息，并且也有效地避免路由环路的发生。它的不理想之处是所有数据分组都包含链路信息，使得协议浪费很大。其协议的结构也决定了DSR网络的可扩展性有所欠缺，另外该路由协议也并不适用于直径较大的自组织网络。2.4.4 临时排序路由算法TORA TORA(temporally-ordered routing algorithm)协议称为临时排序路由算法，是基于有向无环图DAG(directed acyelicgraphic)算法的基础上提出的一种按需路由协议。TORA算法采用了链路反转的分布式算法，通过控制报文定位在最靠近拓扑变化的一小部分节点处，使得节点只保留邻近点的路由信息。该协议具有较
29、好的扩充性、高度自适应和高效率的优点，因此比较适用于高度动态移动的、多跳的wireless network。TORA协议包括路由的创建、路由的维护和路由的删除三个基本模块。在路由的建立和路由维护过程中，节点应用“高度”Metric来建立一个以目的节点为根的有向非循环图。这样链路根据相邻两个节点的高度值来确定向上或向下的方向。第三章 SimpliciTI协议3.1 引言SimpliciTI协议是由德州仪器公司开发的一种入门级的、免费的、基于连接的点对点通信协议，它支持两种网络拓扑结构：直接的点对点通信结构和基于星型连接的网络拓扑结构。SimpliciTI协议最大使用8 KB Flash以及1 K
30、B RAM，协议代码也相对较小，可以对长期工作在休眠模式的低功耗设备提供较好的支持，同时SimpliciTI对硬件资源要求非常低，除了程序空间所需要的flash和运行时随机变量所占用的RAM外，不需要任何其他资源。SimpliciTI包括无线自组网络的核心技术，如网络加入、网络管理、无线通信、以及抗干扰和低功耗等多种相关技术。3.2 SimpliciTI协议的特点SimpliciTI协议栈包括了BSP、MRFI、NWK、NWK APPLICATION这四个层。BSP是最基础的板级硬件，包括了LED、传感器以及一些单片机相关的函数之类的基础器件的驱动；MRFI为射频接口层，它涵盖了芯片初始化函数
31、、发送函数、接收函数等，负责提供射频芯片的选择、通信接口、配置参数以及驱动；NWK是网络层，NWKAPPLICATION是网络应用层，两者内部包含一系列复杂机制，如网络建立、网络地址分配、网络数据帧结构、数据消息队列、数据消息处理以及网络通信安全加密等，它们才是SimpliciTI协议栈真正的内容。一般用户，只需要针对各种实际工程对象来相应的修改BSP和MRFI这两层，就可以实现SimpliciTI协议的可兼容性移植和使用，另外BSP要注意时钟初始化的选择、LED或蜂鸣器数目和接口、传感器的数目和接口等；总体来讲SimpliciTI的特色是：（1）低功耗通讯支持，存储转发机制，支持休眠设备； （2）低成本，最大使用8k Byte flash以及1k byte RAM；（3）网络结构灵活，支持p2p的连接方式和星型网络；（4）使用方便，协议仅仅通过8个API借口和应用程序进行交互7；3.3 设备类型和网络结构SimpliciTI协议中规定了三种类型的设备，它们是：Access Point-相当于一个hub，负责网络的建立和数据转发等；Range extender-中继器，负责数据转发以提高通信距离；End device-终端设备，负责数据接收和发送，和传感器绑向Access point提供采集数据；SimpliciTI支持多种网络拓扑，图3
