引言

在現(xiàn)代生活和生產(chǎn)中，無線通信技術應用越來越廣泛。生活小區(qū)、醫(yī)院、工廠等復雜環(huán)境中的各種儀器儀表可以通過無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。工業(yè)現(xiàn)場自動化數(shù)據(jù)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(wǎng)絡。無線收發(fā)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(wǎng)絡系統(tǒng)。系統(tǒng)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(fā)芯片S14432，適用于短距離的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。系統(tǒng)采用網(wǎng)絡化管理并運用主節(jié)點備份技術和LEPS路由協(xié)議保證系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)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(tǒng)響應，同時可應對動態(tài)和靜態(tài)功率限制的挑戰(zhàn)。

系統(tǒng)中采用STM32L152芯片，48腳LQFP封裝。該芯片擁有128KB Flash、16KB RAM、4096字節(jié)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(wǎng)絡系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)是由主節(jié)點和多個從節(jié)點組成的樹型拓撲網(wǎng)絡。主節(jié)點組建和管理整個無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)向從節(jié)點傳送控制指令和接收從節(jié)點的數(shù)據(jù)信息。從節(jié)點實現(xiàn)接收主節(jié)點傳達的控制指令和將數(shù)據(jù)信息向主節(jié)點的傳送。

3 系統(tǒng)硬件設計

無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主節(jié)點、備份主節(jié)點和從節(jié)點都采取同樣的硬件電路。STM32L152單片機控制SI4432實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。射頻收發(fā)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(fā)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(zhì)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(tǒng)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(nèi)部寄存器進行初始化配置，并且發(fā)送控制指令和讀寫數(shù)據(jù)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(tài)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(wǎng)絡只采用一個主節(jié)點，設計中采用硬件冗余技術。在主節(jié)點處設置一個備用主節(jié)點，備用主節(jié)點是主節(jié)點的復制品，擁有主節(jié)點同樣的控制和管理，以及同一級別的主節(jié)點地址。當控制系統(tǒng)檢測到主節(jié)點出現(xiàn)故障時，可以激活冗余主節(jié)點，以替代主節(jié)點保證整個無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的正常運行。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計分為主節(jié)點和從節(jié)點兩部分。軟件設計采用功能模塊化的設計思路，系統(tǒng)又可分為初始化模塊、應用模塊和網(wǎng)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(fā)送模塊、無線接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、工作模式模塊；網(wǎng)絡管理模塊是通過路由協(xié)議組建無線網(wǎng)絡。

4.1 系統(tǒng)初始化