远程无线抄表系统设计方案V2.0.doc
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1、无线抄表系统总体设计方案 Version 2.0上海XX信息技术开发中心版权所有序言41术语定义52适用范围53系统组成64网络结构65协议模型75.1硬件层85.2数据连接子层85.3Broadcast广播95.3.1Package Identity field95.3.2Command Type field95.3.3Group ID field105.3.4Source ID field105.3.5Target ID field105.3.6Command Code field105.3.7CRC field115.4数据包115.4.1Package Identify field11
2、5.4.2Group ID field115.4.3Source ID field115.4.4Target ID field115.4.5Data Length field125.4.6Data field125.4.7CRC field125.5Response回复125.5.1Package Type field125.5.2Group ID field135.5.3Source ID field135.5.4Target ID field135.5.5Data Length field135.5.6Data field135.5.7CRC field135.6链路管理145.7MAC子
3、层145.7.1CSMA145.7.2监听算法155.7.3CSMA-CA155.8网络路由166网络拓扑发现166.1一对多176.1.1建立链路176.1.2防碰撞186.2ad-hoc196.2.1构建路由树196.2.2防碰撞调度机制216.2.3新节点入网过程216.2.4节点失效异常处理227应用层228附录1:包格式238.1Interrogator发出的路由广播238.2Interrogator发出的检索广播238.3Interrogator发出的特定检索广播238.4Tag发出数据后无法收到回复时发出的广播248.5数据包248.6回复包24序言本协议的主要目的是为远程无线收
4、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RFID Tag,系统由一个Interrogator和多个RFID Tag(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Interrog
5、ator和RFID Tag在出厂时都已经分配好一个全球唯一的48bit ID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RFID Tag- 从所有的RFID Tag中读取数据- 从指定的RFID Tag中读取数据- 获得每个RFID Tag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
6、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
7、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
8、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
9、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RFID tag之间、RFID tag与RFID tag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1
10、50Kbaud5.2 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data byte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。PrefixData ByteCRC0xFF31最长 132bytes2 bytesMSB LSB数据包最长132bytes。5.3 Broadcast广播Broadcast广播报文固定总长度为22 bytes,格式如下:PrefixPackage IdentityCo
11、mmand TypeGroup IDSource IDTarget IDCommand CodeCRC0xFF310x E71 byte3 bytes6 bytes6 bytes1bytes2 bytesBroadcast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
12、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。5.3.1 Package Identity field0xE7表示该包属于广播包。5.3.2 Command Type field76543210ReservedReservedReservedReservedBroadcast TypeIf ReplySource TypeDate Type0 bit:数据包中Data field的类型0 - Data field为tag发送的采集数据1 - Data field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)1 bit:广播发起者的类型0
13、- Interrogator1- Tag2 bit:是否需要回复0 - 需要回复1 - 不需要回复3 bit:Broadcast广播类型0 - Broadcast 1对多(此时后续字段Target ID没有意义,可忽略)1 - point to point 点对点4 bit - 7 bit: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If Reply字段设置为0,即不需要回复。5.3.3 Group ID field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Group ID的Int
14、errogator和tag之间、tag和tag之间才能够进行通讯。Group ID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Group ID标志的tag都将该Group ID拷贝作为自身的Group ID。5.3.4 Source ID field该字段共6bytes,为发送广播的tag或者interrogator的id。Tag ID和Interrogator ID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。5.3.5 Targe
15、t ID field该字段共6bytes,为接收广播的tag或者interrogator的id。Tag ID和Interrogator ID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。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。5.3.6 Command Code field该字段共1byte,表示具体的命令,根据命令需要进行不同的操作。已定义的命令操作如下:命令代码命令名命令类型包类型说明
16、0x10DiscoveryBroadcast命令包确定网络中所有激活的tag,接收到该命令的tag需要回复自身采集的数据。0x11Discovery with IDBroadcast命令包用于检查网络中所有激活的tag,接收到该命令的tag需要回复返回自身的tag id0x12RediscoveryBroadcast命令包当路由出现问题(父节点无法返回数据确认)时tag需要发出该命令,接收到该命令的tag需要做出回复确认0x20LocationPoint to point命令包用于确定具体的tag是否在网络中存在,接收到该命令的tag需要回复确认0x31禁止使用,其余未作出规定的命令代码均作为
17、保留使用。5.3.7 CRC fieldCRC校验字段,共2 bytes。5.4 数据包数据包的格式如下,用于在Tag和Tag之间,Tag和Interrogator之间传输数据,数据包长度为(21+N)byte。PrefixPackage IdentifyGroup ID Source ID Target IDData LengthDataCRC0xFF310x 073 bytes6 bytes6 bytes1 byteN bytes2 bytes5.4.1 Package Identify field0x07表示该包属于数据包。5.4.2 Group ID field该字段共3bytes,用
18、于唯一标志Interrogator和tag所属的网络,只有同属于同一个Group ID的Interrogator和tag之间、tag和tag之间才能够进行通讯。Group ID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Group ID标志的tag都将该Group ID拷贝作为自身的Group ID。5.4.3 Source ID field该字段共6bytes,为发送广播的tag或者interrogator的id。Tag ID和Interrogator ID用于唯一标志每一个Tag和Interrogator,每一个tag和inter
19、rogator的id在出厂都已经确定写入ROM中,该id都固定无法修改。5.4.4 Target ID field该字段共6 bytes,为接收广播的Tag或者Interrogator的ID。Tag ID和Interrogator ID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。如果广播形式为一对多的方式,则该字段没有意义,其值可能为任何值。5.4.5 Data Length field该字段共一个字节,表示后续Data字段的字节数,所以Data字段最多只能有28 = 256 bytes,但
20、是受限于整个数据包最多只能有132 bytes,所以本字段最大取值只能为(132 21 = 111)。5.4.6 Data field具体的数据。5.4.7 CRC field2 bytes,用于CRC校验。5.5 Response回复当Interrogator或者Tag收到需要回复的命令时进行回复时采用该种数据格式,包总长度为(22 + N)bytes。PrefixPackage IdentifyPackage TypeGroup ID Source ID Target IDData LengthDataCRC0xFF310x EA1 byte3 bytes6 bytes6 bytes1 b
21、yteN bytes2 bytes5.5.1 Package Type field76543210ReservedReservedReservedReservedReserved回复模式数据确认数据确认:表示收到到数据正确与否。- 0表示收到的数据正确- 1 表示收到的数据有错误,需要重发-回复模式:01表示回复的对象是数据10表示回复的对象是重新路由广播00,11保留使用5.5.2 Group ID field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Group ID的Interrogator和Tag之间、Tag和Tag之间才能够进行通讯。
22、Group ID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Group ID标志的Tag都将该Group ID拷贝作为自身的Group ID。5.5.3 Source ID field该字段共6bytes,为发送广播的tag或者interrogator的id。Tag ID和Interrogator ID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。5.5.4 Target ID field该字段共6bytes,为接收广播的tag或者i
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