3 系統硬件設計
無線網絡系統的硬件結構如圖2所示。主節點、備份主節點和從節點都采取同樣的硬件電路。STM32L152單片機控制SI4432實現無線數據的收發。射頻收發芯片采用的是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系列無線收發芯片。其工作頻段為240～960 MHz，接收靈敏度達到-117 dB，可提供極佳的鏈路質量，在擴大范圍的同時將功耗降至最低，最高輸出功率可達+20 dB，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接口對射頻芯片內部寄存器進行初始化配置，并且發送控制指令和讀寫數據信息。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470 MHz的中心頻率段。470～510 MHz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。
整個無線網絡只采用一個主節點，設計中采用硬件冗余技術。在主節點處設置一個備用主節點，備用主節點是主節點的復制品，擁有主節點同樣的控制和管理，以及同一級別的主節點地址。當控制系統檢測到主節點出現故障時，可以激活冗余主節點，以替代主節點保證整個無線網絡系統的正常運行。
4 系統軟件設計
系統的軟件設計分為主節點和從節點兩部分。軟件設計采用功能模塊化的設計思路，系統又可分為初始化模塊、應用模塊和網絡管理模塊。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送模塊、無線接收模塊、數據處理模塊、工作模式模塊；網絡管理模塊是通過路由協議組建無線網絡。
4．1 系統初始化
系統上電后，單片機根據主節點和從節點的區別對硬件和功能模塊進行初始化，設定各個引腳的功能、單片機的工作模式和資源分配，以及各個應用功能模塊的初始化。然后，通過SPI接口對無線射頻芯片進行初始化。射頻芯片的工作模式、頻率、傳輸速度、傳輸方式等都按主從節點分別設置。
4．2 數據處理
系統采用類似ZMAC協議的幀格式對數據進行打包通信。數據包的格式如下：
數據包的前端加上8n位的前導碼，是為了使接收端進行幀同步。前導碼之后是幀同步字，當接收端收到幀同步字之后，開始接收數據。包長和校驗碼是接收端用來校驗數據接收錯誤與否。數據處理模塊負責在發送前和接收后對數據包進行信息處理。數據包分為網絡維護類和信息類，通過包類型位區分，其中數據包內數據位的信息不通。當網絡系統處于組建和維護期時，數據包屬于網絡維護類，數據位的信息為節點的路由信息。節點的路由信息包括到匯聚節點的跳數、到相鄰節點的鏈路質量評估信息、節點編號等。當網絡系統處于工作狀態時，數據位的信息為控制指令或數據碼。節點在數據信息發送前，數據處理模塊負責將需要發送的數據信息進行分類，然后向其中分別加入各種不同的位信息，形成成熟的待發送的數據包。節點在數據信息接收后，該模塊負責對數據包進行校驗，將數據包分類，然后對各種信息位進行分離整理。其中，在發送和接收時，通過對SI4432寄存器的配置操作，可以直接分離出配置位。配置位結構如下：
4．3 數據發送和接收
數據發送模塊負責將數據包發送出去。當接收到發送指令時，首先通過SPI清空射頻芯片的發送FIFO，然后向發送FIFO里寫入需要發送的數據。打開射頻芯片發送完成中斷并禁止其他所有中斷。微控制器使能射頻芯片的發送功能，數據開始無線發送。將IRQ引腳拉高，并等待無線發送完成中斷。如果數據發送成功，則NIRQ變低電平。
數據接收模塊負責接收數據包。當接收到微控制器的接收指令時，首先通過SPI清空射頻芯片的接收FIFO。打開前導碼接收、幀同步中斷和接收包數據有效中斷，并關閉其他中斷。準備好開始接收。若引腳NIRQ變為低電平，且讀取到接收包數據有效中斷位，通過SPI讀取接收FIFO中的數據，關閉接收功能。發送和接收程序流程如圖5所示。
4．4 系統管理機制
無線網絡由主節點和從節點組成，是一個以主節點為根中心的樹形拓撲。整個網絡的管理是通過各節點中的網絡管理模塊完成的。無線網絡采用LEPS(Link Estimation and Parent Selection)協議。LEPS協議是TinyOS系統的多跳路由協議。它通過節點之間的鄰居信息交換
機制，考慮鏈路質量，建立到中心節點的最短通信路徑。
從節點分為不同級別的父節點，只向自己的父節點發送信息，通過父節點逐級向上傳到主節點。從節點路由表中擁有自己子節點的編號地址。父節點處于網絡的中心是最高級的父節點，它的路由表中擁有整個網絡節點的編號和地址。主節點的數據由其子節點逐級傳向各從節點。
無線網絡分為拓撲結構的建立、路由維護和數據通信3個階段。在拓撲結構的建立階段，所有的節點周期性地廣播自己的路由信息，節點根據跳數和鏈路質量信息建立最短條數路由，建立路由表。網絡將進行定期的維護，在維護的過程中，節點將再次對父節點做出評估，刷新路由表。在數據通信階段，路由協議為數據傳遞提供行進路徑。在完成組網后，若向網絡中增加節點，則只需要對網絡進行維護更新，更新路由表即可。
4．5 父節點選擇
所有從節點的數據都是通過父節點傳送到主節點的。父節點性能是路由協議的核心部分。父節點的選擇決定于鏈路質量和跳數。
鏈路質量是兩節點間的雙向鏈路通信質量。以兩相鄰節點A、B為例。在網絡廣播信息中，節點A向節點B發送多組數據，則B節點的接收成功率為：
協議進一步采用加權唯一平均的方法計算最終的鏈路質量估計值，進而減小鏈路質量評估的抖動。令新的鏈路估計值為NEWEST，所占比例為μ=25％，則原先的作戰比例為(1-μ)，最終的鏈路質量估計值為：
跳數HOPNU為節點到主節點的總共轉發次數。在網絡中，由于鏈路質量的原因，節點的父節點可能丟失。在進行父節點選取時，為了保證父節點的質量，通常選用SEDEST>0．1，RCVEST>0．1和EST>0．16的鏈路質量，這樣不至于鏈路質量過低而不穩定。然后在相鄰節點中先判斷跳數最小，再判斷鏈路通信質量選擇父節點。
結語
本系統采用的STM32L152主控芯片和SI4432無線收發芯片都屬于低功耗高集成芯片，降低了系統的功耗。其中STM32L152是Cortex-M3微控制器，提高了系統的性能；主節點帶有硬件備份提高了系統的可靠性；LPES路由協議技術提高系統的通信效率，使系統拓展方便。本系統適合于工業現場數據采集、小區數據采集、醫院病房監控、農業現場數據采集等一些短距離的通信應用。功能模塊化和網絡可拓展化，使系統便于功能的更新和節點的拓展。