远程无线抄表系统设计方案V20 精品Word下载.docx

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5.4数据包11

5.4.1PackageIdentifyfield11

5.4.2GroupIDfield11

5.4.3SourceIDfield11

5.4.4TargetIDfield11

5.4.5DataLengthfield12

5.4.6Datafield12

5.4.7CRCfield12

5.5Response回复12

5.5.1PackageTypefield12

5.5.2GroupIDfield13

5.5.3SourceIDfield13

5.5.4TargetIDfield13

5.5.5DataLengthfield13

5.5.6Datafield13

5.5.7CRCfield13

5.6链路管理14

5.7MAC子层14

5.7.1CSMA14

5.7.2监听算法15

5.7.3CSMA-CA15

5.8网络路由16

6网络拓扑发现16

6.1一对多17

6.1.1建立链路17

6.1.2防碰撞18

6.2ad-hoc19

6.2.1构建路由树19

6.2.2防碰撞调度机制21

6.2.3新节点入网过程21

6.2.4节点失效异常处理22

7应用层22

8附录1：

包格式23

8.1Interrogator发出的路由广播23

8.2Interrogator发出的检索广播23

8.3Interrogator发出的特定检索广播23

8.4Tag发出数据后无法收到回复时发出的广播24

8.5数据包24

8.6回复包24

序言

本协议的主要目的是为远程无线收集RFID数据和状态而设计，为上层应用屏蔽下层具体硬件细节，为系统提供面向连接的服务。

整个系统网络包括两种设备：

Interrogator和RFIDTag，系统由一个Interrogator和多个RFIDTag（Tag的数量可多至上百个）组成，Interrogator与Tag之间、Tag与Tag之间都通过无线网络传输命令和数据。

Interrogator为整个网络的根节点，整个网络的初始化（确定网络号和路由）开始由Interrogator发起；

Tag既可作为最底层的子节点也可作为下一层Tag的父节点，Tag可以发起广播（在该Tag已经初始化之后）或者向自身的父节点发送数据。

每个Interrogator和RFIDTag在出厂时都已经分配好一个全球唯一的48bitID作为该设备的唯一标志，并且该标志一旦确定便无法更改。

根据本协议实现的系统应该可以完成如下功能：

-自动完成网络分组

-识别网络内的RFIDTag

-从所有的RFIDTag中读取数据

-从指定的RFIDTag中读取数据

-获得每个RFIDTag的状态

1术语定义

RFID：

射频识别

Tag：

标签

Interrogator：

阅读器

2适用范围

本协议是专门为远程无线抄表系统设计，用于远程无线收集数据量比较少的数字信息。

通过无线网络接收有源RFID发送的电表信息，每一个RFID节点每一次需要传送的数据都可以通过一个数据包发送完成。

3系统组成

一个典型的应用系统必须包括如下几个组件：

-一个MCU作为主控制器

-一个射频发射/接收模块

-一个天线，可以是单极天线或者PCB上的微带天线

图1系统硬件平台

图1所示，我们选择TI公司的MSP430作为主控制MCU，CHIPCON公司的CC1020作为射频发射/接收模块。

MSP430通过SPI总线和一些离散控制信号与CC1020相连，MSP430作为Master，CC1020为Slave。

MSP430实现了我们需要的协议栈和一些需要的应用逻辑，通过SPI接口与CC1020交换数据，通过一些离散的控制信号对CC1020进行控制。

协议栈封装了对CC1020的操作，上层应用程序不需要直接控制CC1020。

CC1020是一个可工作在多个频段的窄带射频发送/接收芯片，我们设定其工作频点为433MHz，调制方式为FSK，并支持FHSS。

4网络结构

网络拓扑结构如下所示：

图2网络拓扑结构

Tag1,Tag2,Tag3,Tag7是第一级节点

Tag17是Tag3的第二级节点

Tag9是Tag7的第二级节点

Tag12,Tag15是Tag2的第二级节点

Tag19是Tag9的第三级节点

Tag13,Tag21是Tag15的第三级节点

网络初始化由Interrogator发出第一个广播命令包开始，Interrogator开始计时，在Interrogator广播范围内的所有tag收到此广播后初始化自身的网络ID和父节点ID；

然后开始第二级广播，在第二级广播范围内的所有tag收到此广播后初始化自身的网络ID和父节点ID；

然后开始第三级广播。

在Interrogator计时到默认广播时间结束后，即认为网络内的所有Tag都已经初始化完毕并准备好发送数据。

5协议模型

基于我们的应用场合比较简单，因此将通用的网络协议栈模型根据我们的需要做了相应的修改和简化，以使整个协议栈更加简单高效。

整个协议栈如下图所示：

图3协议模型

-应用层：

调用网络层和数据链接层完成具体的应用逻辑，包括收集数据，查询数据。

-网络层：

通过广播机制，快速进行网络拓扑发现，从而确定一个树形的路由路径。

-数据链路层：

该层分为两个子层：

数据连接子层和MAC子层。

数据连接子层负责数据传输和链路管理，每一个数据包都包括具体数据和一些必要的控制信息。

MAC子层负责邻居节点的多址接入和信道分配工作。

采用的技术包括CSMA或TDMA。

-硬件层：

负责将数据链路层提供的二进制数据调制并发送出去。

支持FSK和FHSS方式。

5.1硬件层

Interrogator与RFIDtag之间、RFIDtag与RFIDtag之间的通过无线连接，射频参数如下：

-载波频率：

433MHz

-调制类型：

FSK并支持FHSS

-调制宽度：

±

25KHz

-纠错编码：

BCH（31,21）

-数据处理：

交织（Interleave）

-波特率：

最高150Kbaud

5.2数据连接子层

在网络中interrogator与tag之间以及tag与tag之间的数据传输都已数据包的格式进行传输，每个数据包包括包前缀prefix、数据databyte和CRC校验三部分。

数据包分为三种形式的数据包，广播Broadcast包、数据包和回复Response包，不同的包通过不同的包前缀来识别。

Prefix

DataByte

CRC

0xFF31

最长132bytes

2bytes

MSBLSB

数据包最长132bytes。

5.3Broadcast广播

Broadcast广播报文固定总长度为22bytes，格式如下：

PackageIdentity

CommandType

GroupID

SourceID

TargetID

CommandCode

0xE7

1byte

3bytes

6bytes

1bytes

Broadcast广播报文格式固定，每个合法的Broadcast广播包都必须符合上述的语法格式。

Broadcast广播的发起者可以是Interrogator和Tag其中任意一个。

在网络初始化阶段，Interrogator发出第一个广播包之后就开始进行网络拓扑结构的发现和建立，每一个tag在接收处理完Interrogator或者Tag发出的广播包之后（确认自身的父节点，确定路由）发出一个它自己的广播包；

Tag在监测到广播命令包后根据命令的类型需要完成相应的操作或者简单地将该广播包丢弃。

PackageIdentityfield

0xE7表示该包属于广播包。

CommandTypefield

7

6

5

4

3

2

1

Reserved

BroadcastType

IfReply

SourceType

DateType

0bit：

数据包中Datafield的类型

0----Datafield为tag发送的采集数据

1----Datafield不是数据（可能是命令或者用户定义的有特殊意义的任何数据）

1bit：

广播发起者的类型

0----Interrogator

1----Tag

2bit：

是否需要回复

0----需要回复

1----不需要回复

3bit：

Broadcast广播类型

0----Broadcast1对多（此时后续字段TargetID没有意义，可忽略）

1----pointtopoint点对点

4bit---7bit：

保留，为0。

当网络处于初始化阶段，由Interrogator和Tag发出的Broadcast广播命令包建议IfReply字段设置为0，即不需要回复。

GroupIDfield

该字段共3bytes，用于唯一标志Interrogator和tag所属的网络，只有同属于同一个GroupID的Interrogator和tag之间、tag和tag之间才能够进行通讯。

GroupID在Interrogator发出第一个用于确定网络拓扑结构的命令广播时确定，以后每一个监测到该广播并且没有GroupID标志的tag都将该GroupID拷贝作为自身的GroupID。

SourceIDfield

该字段共6bytes，为发送广播的tag或者interrogator的id。

TagID和InterrogatorID用于唯一标志每一个Tag和Interrogator，每一个tag和interrogator的id在出厂都已经确定写入ROM中，该id都固定无法修改。

TargetIDfield

该字段共6bytes，为接收广播的tag或者interrogator的id。

如果广播形式为1对多的方式，则该字段没有意义，其值可能为任何值。

如果广播形式为1对多的形式，则字段没有意义，为固定值0XFFFFFFFFFFFF。

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