ANT低功耗无线网络设计

引言

信息技术的不断进步使越来越多的随身电子设备和信息家电出现在人们的日常生活中。这些设备给人们的生活带来便利，但凌乱的线缆和频繁的插拔也造成了诸多的使用不便。为了摆脱物理连接上的限制，使各种设备能够自由地互联、随时随地地接入网络，人们不断探索新的短距离无线通信技术。常见的短距离无线通信技术包括红外、W1-F1、蓝牙、UWB和ZigBee等，它们的技术特点各有不同，但尚没有一种技术可以满足所有的应用需求。其中，蓝牙和ZigBee都是针对低功耗应用提出的无线通信协议。但到目前为止，它们还难以支持电池供电的设备工作数年，低功耗性能不尽如人意。

ANT协议是由Dynastream、Nordic等公司推出的2.4GHz短距离无线网络标准，已经在健康、医疗和运动等领域得到成功应用。与Wi-Fi、蓝牙和ZigBee等同样工作于2.4GHz的短距离无线通信和组网技术相比，ANT协议在功耗、系统成本和开发周期等方面的性能都具备较大的竞争优势心。

1ANT协议

1.1ANT协议概述

ANT网络的配置和控制很方便，图1所示是ANT协议栈的OSI模型。生产厂商预先将ANT协议栈封装在芯片内部,其中包括物理层、数据链路层、网络层和传输层的处理，以及低级别的网络安全机制。开发者设计的应用层软件只需简单配置ANT芯片，就可完成组网和通信等操作o

ANT采用对等网络模型，每个节点都具有相同的电路结构和网络功能，根据配置的不同在网络中承担不同的任务。ANT支持点对点、星形和树形网络拓扑。在设计之初，ANT就不像ZigBee那样以构造复杂的网状拓扑为目标。一方面是因为构造复杂的网状网络需要消耗较多的运算和能量资源,这对依靠电池供电的应用来说是难以承受的；另一方面，以点对点、星形和树形拓扑为基础构造的拓扑结构足以解决实际应用中的组网问题。ANT网络的主要技术特点包括：

(1)超低功耗。ANT节点在工作和休眠时的电流平均值仅为10μA和0.5μA，可采用小型纽扣电池供电并持续工作数年。

（2）系统成本低。由于无线网络协议栈集成在ANT芯片内部，ANT节点的运行仅需要2KB的外部处理器资源，可以采用低成本的单片机作为外部处理器。

（3）开发效率高。开发者不需了解ANT协议的实现细节,按要求简单配置即可构造不同类型的网络。

（4）可靠性高。采用跳频通信技术避免其他2.4GHz无线通信设备的干扰，使用基于时分多址的自适应信道接入技术保证信道内无线通信的可靠性。

（5）组网容量大。最多可同时支持2个节点。

1.2接口

外部处理器与ANT芯片的硬件通信接口可以采用同步或异步串行接口，乃至普通I/O口来实现叫而在软件接口方面,处理器则通过消息驱动的方式与ANT芯片进行通信。具体来说，处理器向ANT芯片发送规定格式的命令来配置网络和发送数据；而当接收到其他节点发送的射频数据时，ANT芯片也会按照规定格式将数据帧发送给处理器。

ANT串行数据帧采用低位前导的方式传输字节，均以同步码开始、校验码结束，其基本格式如图2所示。

数据帧各组成部分含义如下：

同步码(1字节)：串行数据帧的发送方向。0xA5表示处理器向ANT芯片发送数据，ANT芯片向处理器发送的数据则以0xA4作为同步帧头。

帧长(1字节)：用户数据的字节个数，最多不超过9个字节。

数据(N字节)：用户定义的通信数据。

校验码(1字节)：等于之前所有数据字节的异或值。

1.3通道

ANT基于通道(channel)进行网络管理和通信控制。ANT节点需要配置正确的通道参数才能进行通信，因此可将通道看作节点在ANT网络中进行数据交换的通信路径。ANT网络有独立和共享2种通道：独立通道包括1个主节点和1个从节点，共享通道则可由1个主节点和多个从节点组成。

ANT网络中的某个节点可以同时属于多个网络通道，且在不同的通道上担任不同的网络角色。通过这种组网方式,ANT节点既可以作为数据包的主动发送方，也可以是被动接收方，或者成为中继数据包的路由节点。ANT节点可以随时加入或离开网络，而不会对网络拓扑和数据传输造成影响。

ANT网络的通道参数包括：

(1)通道类型：包括单发送通道、单接收通道、双向通道或共享双向通道，规定了通道中数据的基本传输方向。单发送/接收通道只能传输前向数据，即主机向从机发送消息，不能反向传输。双向通道可以进行双向数据传输。例如，设置从节点的通道类型为双向通道，那么该从节点主要接收通道主机发送的数据，但也可以通过此通道向主机发送数据。共享双向通道是双向通道的扩展类型，可用于一个主节点需要与多个从节点进行双向数据传输的情况。

⑵通道ID：规定了通道的传输类型、设备类型和设备号,是一个通道的最基本的特性。为建立一个通道，主机必须指定通道ID,而加入该通道的从机必须设置与主机相匹配的通道ID,才能与主机通信。

工作频率：规定了通道无线通信的中心频率。ANT共支持125个工作频率。在没有使用跳频工作模式的情况下,一个通道在设定工作频率后将持续工作于固定的工作频率。如果在运行过程中改变通道工作频率，那么该通道上的主、从机必须同时变更到新的工作频率上才能继续正常通信。工作频率设定公式如下：

1(MHz)

通道周期：规定了通道中主机定时发送数据的周期。

ANT通道的数据传输频率范围为0.5~200Hz,具体上限根据

ANT芯片的不同而有所区别。通道周期的计算公式如下：

例如，在一个应用中要求每秒传输4次数据，即通道的数据传输频率为4Hz,通道周期就应设为8192。一般来说,数据传输频率越高，通信延迟越小，但消耗的能量也会增加。

网络类型：设置ANT网络是私有的、受管理的还是公开的。通过规定网络号和网络密钥来限制ANT通道的访问范围，以针对用户的不同需求来增加网络的互操作性，或加强网络的私密性。

1.4数据类型

ANT支持3种类型的数据的传输，分别是广播数据、带应答数据和突发数据。

广播数据是ANT网络的基本数据类型，是单向通道唯一可用的数据类型。在每个通道时隙由主机发送给从机，从机不进行应答。广播数据适用于对功耗要求高、可靠性要求较低的应用。

带应答数据是具有确认机制的数据类型。发送节点的处理器会被通知数据是否发送成功，如果失败，发送节点可以重传数据。带应答数据适用于对通信可靠性和数据完整性要求高的应用。

突发数据由一系列快速连续带应答的数据帧组成，最大数据吞吐量为20Kb/s。突发数据适用于需要快速传输大量信息的应用。

1.5配对

在开启一个通道后，主机会定时在通道时隙广播通道ID。为了与通道主机建立通信联系，从机在开机后要根据其通道ID配置来捜索相匹配的主机。在没有配置或部分配置通道参数的情况下，从机可以利用配对机制，使用通配字符串在网络特定范围内捜索主机，并获得主机的通道参数。

从机使用通配符匹配可能在其通信范围内捜索到多个主机。在这种情况下，从机首先捜索到的主机也许并非目标主机。从机可以通过ANT的邻近捜索功能标明捜索到的最近到最远的10个主机，以方便从中选择合适的主机进行通信。

根据应用的需要，节点配对可以是暂时、半永久性或永久的。暂时配对的持续时间取决于获取数据所需的时间。半永久性配对的持续时间取决于通道的维持时间。如果需要永久配对，从机应将主机的通道ID保存在非易失性存储器中,用于断电后重新开启通信通道。

2ANT网络设计

2.1硬件设计

图3所示是ANT节点电路的结构框图。基本的ANT节点由处理器、ANT网络芯片、信息显示、时钟、调试及通信接口构成。根据实际应用的要求，为ANT节点配置传感器或控制器，可以实现环境参数的监测和家用电器的控制。

ANT节点的处理器选用了TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F5418A冏。它的外设功能丰富，集成UART、SPI、I2C等通信接口，便于与外部系统互联。ANT网络芯片采用了Nordic公司推出的第二代单片ANT解决方案产品nRF24AP2[9]。它集成了数据接口、电源管理、片内振荡器、超低功耗射频收发器和ANT协议栈，兼容第一代ANT解决方案产品nRF24AP1，支持不同厂家的ANT产品的互通。nRF24AP2按支持通道数的不同，可分为两种型号：单通道芯片nRF24AP2-1CH可以用于网络末端节点；而8通道芯片nRF24AP2-8CH可以用于网络中心节点，从8个ANT通道中获取节点数据。单片机MSP430F5418A通过异步串口与ANT芯片nRF24AP2通信，其电路接口如图4所示。

2.2软件设计

该系统的网络拓扑如图5所示。6个节点构成ANT实验网络，可实现传感器和家用电器等设备的互联。其中，节点G作为ANT网络的网关，与电脑或手机等设备相连接，一方面接收用户指令并下发给节点以执行相应的操作，另一方面把ANT节点采集到的传感器数据上传到因特网上。节点R、N1和N2可以直接与节点G通信。节点N3和N4则位于节点G的通信范围以外，它们与节点G的通信需要通过路由节点R进行中继。因此，网络中的节点可按功能分为网关节点G、路由节点R以及终端节点N1~N4。在网关节点G发送命令时，路由节点R除了响应针对自己的命令，还要在网关节点G和终端节点N3、N4之间进行命令和应答的中继转发。

3ANT网络设计

3.1通道设置流程

本网络采用两个通道进行设计。在通道1中，节点G为主机，节点R、N1和N2为从机;在通道2中，节点R为主机,N3和N4为从机。通道配置流程如图6所示。

图6通道设置流程

ANT网络类型采用公共网络及公共网络密钥，设置值均为0。通道类型采用共享双向通道，主机设置为共享双向发送，从机设置为共享双向接收。对于通道ID,主机的传输类型、设备类型和设备号分别为3、4和4,工作于通道1和通道2的从机的设置分别与其所在通道的主机相同；而对于通道周期，考虑到智能家居应用对通信延时的要求较低，为了降低功耗，信息传输频率设为0.5Hz。为了保证网络通信覆盖范围，发射功率采用nRF24AP2芯片的最大发射功率0dBm；而工作频率则采用ANT网络的默认工作频率2466MHz。对于数据类型，无论是前向和反向传输，均采用广播数据类型。

3.2低功耗设计

nRF24AP2在异步串行通信模式下的电源功耗状态如表1所列。处于激活状态时，nRF24AP2可以与单片机进行串口通信，但工作电流较大。nRF24AP2在空闲、睡眠和挂起状态时的工作电流相近，但ANT通道在空闲和挂起状态是关闭的,这就意味着当处于空闲和挂起状态时，nRF24AP2不能接收其他ANT节点从射频通道发送的数据。在空闲和睡眠状态时nRF24AP2能保存通道设置的参数，而进入挂起和深度睡眠状态将导致ANT复位，从而丢失未保存的通道参数。

为了获得理想的低功耗性能，ANT节点采用睡眠-唤醒的工作机制。单片机和ANT芯片在不工作时分别处于LPM3低功耗和睡眠状态，由定时、串口通信等外部中断触发单片机进入工作状态。当有数据需要发送时，单片机激活nRF24AP2并进行串口通信。完成通信后，单片机使nRF24AP2进入睡眠状态，然后退出中断处理程序，返回低功耗LPM3状态。3.3软件流程

网关节点G的工作流程如图7(a)所示。上电后，首先进行单片机的初始化：配置时钟、异步串口的波特率，使能串口和定时器中断等。初始化完成后，网关节点G还需对nRF24AP2进行操作：上电复位、配置通道参数并使其进入睡眠状态。完成ANT配置后，单片机进入低功耗状态。网关节点G会定时轮询网络中节点的工作状态。其中，节点R、N1和N2位于节点G的通信范围内，因此节点G可以唤醒ANT芯片nRF24AP2,直接通过通道1向它们发送命令。节点N3和N4位于节点G的通信范围之外，因此在向它们发送命令时节点G需要先在通道1上把命令发送给路由节点R,再由节点R在通道2上将命令转发给节点N3和N4。接收到上位机命令和ANT串行数据会触发单片机进入不同的串口中断处理程序。当接收到上位机命令时，节点G先对数据帧进行解析处理,得到目的地址后向节点发送命令。当接收到ANT串行数据时,节点G则根据应答节点地址更新其状态信息。

路由节点R的工作流程如图7(b)所示。单片机在完成初始化和对nRF24AP2的配置后进入低功耗状态。由于路由节点R同时工作在通道1和2上,因此它会接收到来自2个通道的数据。如果接收到网关节点G从通道1发送的命令，节点R应答后接着判断命令的目的地址，如果是发送给节点N3或N4的，则在通道2上分别向节点N3或N4转发命令；如果命令是发送给自己的，贝谜出中断处理。如果接收到终端节点N3和N4从通道2发送的应答数据，节点R会更新它们的本地状态。

终端节点N1~N4的功能比较简单。在进行单片机初始化和nRF24AP2配置后，单片机和ANT芯片就分别处于低功耗和睡眠状态。nRF24AP2接收到主机数据后回到激活状态,并发送串行数据触发单片机进入串口中断处理程序。单片机应答主机并按命令进行相应操作后，再次返回低功耗状态。

4测试及性能分析

4.1可靠性

通过数据传输的丢包情况来测试网络通信的可靠性。在测试中，网关节点G连接到上位机，将上位机输出的开/关命令发送给不同节点。如果指定节点不能按照上位机命令调整其LED指示灯的状态，说明网络通信出现丢包的情况。反之,则说明数据通信可靠。丢包率的测试结果如表2所列。测试结果说明，ANT网络的通信可靠，这也是它能在医疗、健康等领域得到广泛应用的原因。

4.2功耗估计

ANT节点的功耗主要用于维持单片机和ANT芯片的工作。MSP430F5418A的工作电流和低功耗LPM3电流分别为330nA和2.1pA。nRF24AP2芯片的平均工作电流可利用Dynastream公司提供的功耗预测工具［10］估计得到。当串口波特率为9600b/s时，网关节点G、路由节点R和终端节点Nx的nRF24AP2芯片的平均工作电流分别为103nA、168pA和68nA。假设网关节点G的每次轮询持续1min,ANT节点在不同轮询周期下的平均工作电流估计如表3所列。结果表明，ANT网络具有极低的工作功耗。

5结语

本文介绍了ANT协议及其基本概念，同时基于MSP430F5418A和nRF24AP2进行了ANT节点和多跳无线网络的设计。测试和分析结果证明，ANT无线网络可靠性高、功耗低，适合应用于体域网、个域网和无线传感器网络等强调低功耗和低成本的领域。

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