CC1101的远距离无线数据传输协议设计

摘要：本文设计了一种基于CC1101的远距离无线传输协议，通过构筑网络拓扑结构实现了对节点的分层管理，确保数据在多层节点间有序准确的传输，使传输距离最远可达到100km以上，节点数量可以增加到6万个，实现远距离、多节点的数据传输。

关键词：CC1101芯片;无线传输协议;网络拓扑

引言

随着通信技术的不断发展和完善，无线通信技术已经广泛应用于很多领域。目前应用较为广泛的是蓝牙、ZigBee和WiFi等短距离无线传输技术，但是它们的传输距离短，无法满足工农业与监控等领域对传输距离和覆盖范围的需求，因此本文设计一种基于CC1101芯片的远距离无线传输协议。CC1101芯片，具有低成本、低功耗、小体积、使用简单、操作灵活等特点，其传输距离一般为400～800 m，具有很好的数据包处理机制和充足的发射/接收缓冲区，适用于无线远程数据传输系统。

物联网细分为5层结构：感知层、接入层、网络层、支撑层和应用层。本文基于CC1101无线收发芯片，设计一种无线传输协议，完成物联网5层体系构架中从感知层到网络层的数据交换，是相对远距离的数据传输在接入层的一种新的传输方式。本文通过设计基于CC1101芯片的无线传输协议，扩大物联网感知层到网络层的传输距离，丰富接入层无线传输的方式，弥补了CC1101芯片针对远距离无线传输协议的不足。

1 协议的整体架构

本文将物理节点划分为3种类型：中心节点、路由节点和终端节点。中心节点是整个网络协议的汇聚中心，负责形成和维护整个传输系统的路由结构，实现对终端节点的检测与控制，完成对采集数据的处理和存储。路由节点是整个网络协议的传输系统，负责完成整个系统命令的下达和数据的传输，是整个协议数据传输的运输枢纽。终端节点作为中心节点命令的执行者，是最底层节点，可与传感器相连，负责数据的采集。3种节点间的关系如图1所示。

从整体上看，中心节点负责维护所有路由节点，而路由节点管理其范围内的终端节点，终端节点通过解析中心节点的命令，将执行命令后产生的数据通过路由节点上交给中心节点处理。因此，三者各司其职，共同完成整个系统的任务。

根据3种节点的关系可构建“一全多局”路由表，路由表负责记录整个系统的网络拓扑结构，控制数据帧传输的路线，并据此提出一种二次携带信息广播协议，来提高回应节点的完整性。本文基于TCP/IP协议分层的设计思想，综合CC1101无线收发芯片的特征，按照传输协议数据帧传输的流程，将传输协议结构细分为5层结构，完成一全多局”路由表的组建和数据在节点间的相互传输。

为了实现远距离和多节点的数据采集，本文在8位地址滤波接收模式的CC1101无线收发芯片中添加接收/发送放大器，最远可以传输800 m，最多可以带255个节点，通过芯片节点的3种划分方式，以CC1101发送和接收距离500 m为单位，传输距离最远可达到100 km以上，节点数量可以增加到6万个。

2 协议路由

2.1 路由表

本文设计一种“一全多局”的路由信息表。“一全”指中心节点拥有全局拓扑网络路由节点的路径信息，即所有路由节点与其相邻节点的层次结构关系;“多局”指路由节点存储与其相邻的路由节点的信息。路由信息表结构如表1所列，该表有两个优点：第一是占用空间小，第二是可快速检索一条最短路径。

2.2 路由表构建

本文基于路由表的结构，采用一从多主的方式构建路由表信息。即一个从节点(中心节点)用于随时接收路由节点发送的路由信息，多个主节点(路由节点)用于定时向中心节点发送其相邻的路由信息。所有的路由节点启动一个随机定时器，每隔随机的时间就会发送一次广播，获得其相邻节点的信息，然后发送给中心节点，中心节点收到信息帧之后，构建路由表。这种方法构建的路由表信息更新速度更快，应用更灵活。

2.3 数据传输路径

根据“一全多局”路由表，以一种组网方式为例，截取部分全局路由表信息如表2所列。例如从中心节点传递数据给路由节点4(1到4)，首先可以快速定位到 ID等于4的位置，并获得其父链表中的一个父节点ID为2，再定位到ID等于2的位置，并获得其父链表中一个父节点ID为6，然后定位到ID等于6的位置，得到其父节点1，1为中心节点，所以其路径为1—6—2—4。由于定位在数组中，省略遍历路由表的时间，加快路径确定的速度。另外，从表2中可以看出，4节点所在的层次为3，说明1—6—2—4为最短跳变，从而证明全局路由表设计的准确性。

2.4 二次携带信息广播协议

路由表负责记录整个系统的网络拓扑结构，控制数