Microchip_MiWi无线网络协议栈

MiWi™ 无线网络协议是为低数据速率、短距离、低成本 网络设计的简单协议。MiWi协议基本上基于针对无线个 人局域网 （WPAN）的 IEEE 802.15.4™，为无线通信 提供了易用的备选方案。它特别针对小型应用，这些应 用的网络规模相对较小，节点间路程段较少，应用采用 Microchip 的 MRF24J40 2.4 GHz 收发器，构成符合 IEEE 802.15.4 的网络。
星型网络配置
星形网络配置 （图 1）由一个 PAN 协调器节点和一个 或多个终端设备组成。在星形网络中，所有终端设备都 只与 PAN 协调器通信。如果终端设备需要向其他终端设 备传输数据，它会向 PAN 协调器发送其数据。 PAN 协 调器再将数据转发给接收方。
图 1：
星型网络配置
AN1066
簇树网络配置
记住这点很重要：收到应答只意味着 MAC 层已正确接 收到帧。但是并不意味着该帧已得到正确处理。有可能 接收节点的 MAC 层正确收到某帧并作了应答，但因缺 少处理资源，而被上层丢弃。因此，应用的上层可能要 求其他应答响应。
设备类型
IEEE 802.15.4 是根据其总体功能定义设备的。有两种 基本设备类型，如表 2 中所示。
DS01066A_CN 第 4 页
图注 PAN 协调器 协调器 FFD 终端设备 RFD 终端设备
2007 Microchip Technology Inc.
AN1066
地址分配
MiWi 协议使用 IEEE 802.15.4 提供的地址。该规范定义 了三种不同的地址：
1. 扩展组织唯一标识符（EUI）：全球唯一的 8 字节 编号。全世界发售的每个使用 IEEE 802.15.4 规 范的设备都有一个唯一的 EUI 地址。 EUI 的前 3 个字节要从 IEEE 购买 （要购买它们，请参见参 考资料部分中的站点链接）。EUI 的后 5 个字节只 要是全球唯一的，就可以由用户根据需要使用。
F 0282h
E 0201h
图注 PAN 协调器 协调器 FFD 终端设备 RFD 终端设备 xxxxh 短地址
2007 Microchip Technology Inc.
DS01066A_CN 第 5 页
AN1066
MiWi 协议消息传递
组成网络后，下一个要考虑的重点就是如何通过网络发 送消息。作为 MiWi 协议网络成员的任何设备都会用其 短地址通过网络通信。这一短地址有助于网络中的其他 设备确定节点位置，以及如何路由到该设备。但是，和 其他设备形成 P2P 关系的设备会用它们的长地址通信。
AN1066
MiWi™ 无线网络协议栈
作者： David Flowers 和 Yifeng Yang Microchip Technology Inc.
简介
用无线网络实现应用已很普遍。从消费产品到工业应用 都有一种日益增长的期望，就是我们的设备无需硬件有 线连接即可内置相互对话功能。挑战在于选择合适的无 线网络协议，并以经济高效的方式实现它。
IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC
MiWi 协议对介质访问层 （MAC）和物理层 （PHY）规 范使用 IEEE 标准 802.15.4。 IEEE 802.15.4 定义了三 个工作频带：2.4 GHz、915 MHz 和 868 MHz。每个频 带都提供固定数量的通道，具有不同的最大位速率 （见 表 1）。请注意，由于数据包开销和处理延时，实际数 据流量将小于规定的位速率。
MiWi 协议使用短地址中的 16 个可用位协助路由和交换 节点信息。地址中的位域如图 4 中所示。
“父节点编号”字段（bit 10-8）对于网络上的每个协调 器来说，都是唯一的，包括 PAN 协调器。因为 “父节 点编号”字段只有 3 位长，这就使网络中的协调器数量 只能为 8 个。
网络上任何协调器的 “子节点编号”字段 （bit 6-0）都 是 00h。这表示它们用作协调器。该字段的其他值是由 设备类型（FFD 或 RFD）以及它在 PAN 中的功能决定 的。图 5 给出了如何确定短地址的一般方法。
在支持 beacon 的网络中，只允许节点在预定义时隙中 发送。PAN 协调器会定期以一个超帧开始，该帧标记为 beacon 帧，网络中的所有节点都应与该帧同步。每个节 点都会指派给超帧中的特定时隙，在该时隙中节点可发 送和接收其数据。超帧还包含公共时隙，其间所有节点 会竞争对通道的访问权。
在支持 non-beacon 的网络中，只要通道空闲，网络中 的所有节点任何时候都可以发送消息。 Microchip MiWi 无线网络协议栈的当前版本只支持 non-beacon 网络。
最新的协议栈限制列表，请参见随协议栈一起下载的自 述文件。
术语
描述 MiWi 协议时，经常使用从 IEEE 标准借用的两个特 定术语。
第一个术语是簇，指组成网络的一组节点。 MiWi 协议 簇最多可有 3 节点深，由簇头控制。在 MiWi 协议的当 前实现中，簇头总是 PAN 协调器。（更多信息，请参 见第 2 页的表 3。）
RxOffWhenIdle 字段 （bit 7）是 IEEE 802.15.4 定义 的 RxOnWhenIdle 属性的取反。该位置 1 时，表示该 设备空闲时会关闭收发器，且无法接收数据包。除了该 设备的父节点以外的任何设备都应将该位置 1 的任何数 据包路由到该设备的父节点。目标设备的父节点会缓冲 子节点的消息，直到它唤醒并请求数据。如果设备地址 中该位未置 1，则该设备总能接收数据包。
表 1：
IEEE 802.15.4™ 中可用的通道
频带
可用通道数 最大数据流量
（通道编号）
（kbps）
868 MHz 915 MHz 2.4 GHz
1 （0）
20
10 （1-10）
40
16 （11-26）
250
IEEE 802.15.4 MAC 数据包的最大长度为 127 字节，包 含一个 16 位 CRC 值。16 位 CRC 值会验证帧完整性。
图 2：
簇树拓扑
图注 PAN 协调器 FFD 终端设备 RFD 终端设备
2007 Microchip Technology Inc.
图注 PAN 协调器 协调器 FFD 终端设备 RFD 终端设备
DS01066A_CN 第 3 页
AN1066
网状网络配置
除了 FFD 无需沿着树型结构即可直接将消息路由到其 他 FFD 外，网状网络（图 3）和簇树配置类似。至 RFD 的消息仍需经过 RFD 的父节点。该拓扑结构的优点在 于能减少消息延时，增加可靠性。象簇树网络一样，网 状网络是多路程段的。
2. PAN 标识符 （PANID）：PANID 是定义一组节 点的 16 位地址。 PAN 中所有节点都共用一个公 共 PANID。设备选择加入 PAN 时将以 PANID 表 示网络。
3. 短地址：也称为设备地址，是父节点分配给设备 的 16 位 （2 字节）地址。这一短地址在 PAN 内 是唯一的，用于网络内的寻址和消息传递。IEEE 指定 PAN 协调器的地址总是 0000h。从那点开 始，地址分配取决于 PAN 协调器。
特性
MiWi 协议的当前实现有以下特性：
• 利用 MRF24J40 收发器支持 2.4 GHz 频率范围 • 支持所有 IEEE 802.15.4 设备类型 • 可在 PIC16、PIC18、PIC24 和 dsPIC33 器件之间
移植 • RTOS 及应用独立 • 自带对 MPLAB® C18 和 C30 编译器的支持 • 易于使用的 API
本应用笔记涵盖了 MiWi 无线网络协议栈的定义以及工 作原理。本文档中涵盖了示例协议栈实现数据结构、用 法和 API，以及该实现的资源要求。为完整起见，本文 档还介绍了无线网络的几个方面，以及 IEEE 802.15.4 的主要特性。不过，我们假定用户已熟悉 C 编程语言和 IEEE 802.15.4。强烈建议您在使用 Microchip MiWi 无 线网络协议栈之前先详阅规范。
设备类型
提供的服务
全功能设备 （FFD） 精简功能设备 （RFD）
全部或多数 受限
典型电源 主电源 电池
典型接收器空闲配置 打开 关闭
表 3：
MiWi™ 协议设备类型
设备类型
IEEE 设备类型
PAN 协调器
FFD协调器FFD来自终端设备FFD 或 RFD
典型功能
每个网络一个。组成网络，分配网络地址，保存绑定表。 可选的。扩展网络的物理范围。允许更多节点加入网络。还可以 执行监视和 / 或控制功能。 执行监视和 / 或控制功能。
簇树网络中（图 2）仍只有一个 PAN 协调器；但是其他 协调器可加入网络。这就构成了类似树型的结构，其中 PAN 协调器是树根，协调器是树枝，终端设备是树叶。 在簇树网络中，所有通过网络发送的消息都会沿着树型 结构的路径传送。由于消息可以通过多个节点路由到达 其最终目的地，簇树网络有时被称为多路程段网络。
第二个术语是套接字，指两个设备之间的虚拟连接。和 设备间使用专用硬件有线连接不同，具有多种套接字的 众多设备共用一个公共通信介质，使用一些通用方法关 联应用和设备。新设备或应用添加到网络时，需要进行 配置才能与其他设备或应用对话。使用套接字，网络中 的节点无需知道通信对象的任何信息也能动态查找它 们。
在本实现中， Bit 15-11 总是 0。
图 4：
MiWi™ 协议短地址的位域安排
RxOffWhenIdle
保留
父节点编号
子节点编号
00000xxxxxxxxxxx
bit 15
bit 0
图 5：
在典型的 MiWi™ 协议网络中分配短地址
B 0100h
A 0000h
D 0300h
G 0381h
C 0200h