點(diǎn)對多點(diǎn)的多任務(wù)無(wú)線(xiàn)通信

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)通信 協(xié)議 通用串行總線(xiàn) 中央監控 遠程終端

引言

現代世界是一個(gè)高速自動(dòng)化的世界，各種各樣的設備除了可以與計算機聯(lián)機外，還可以互聯(lián)機，而最簡(jiǎn)單的自動(dòng)化聯(lián)機方式就是使用串行通信。隨著(zhù)時(shí)代的進(jìn)步，它并沒(méi)有被取代，后倒是逐漸被廣泛應用。如今，在許多場(chǎng)合有線(xiàn)連接的方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足科技的高速發(fā)展。無(wú)線(xiàn)技術(shù)正以一種快速的速度進(jìn)入許多產(chǎn)品，它與線(xiàn)相比主要有成本低，攜帶方便，省去有線(xiàn)布線(xiàn)的煩惱；特別適用于手持設備的通信、電池供電設備、遙控、遙測、小型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)抄表、門(mén)禁系統、小區傳呼、工業(yè)數據采集系統、無(wú)線(xiàn)標簽身份識別、非接觸RF智能卡、小型無(wú)線(xiàn)數據終端、安全防火系統、無(wú)線(xiàn)遙控系統、生物信號采集、水文氣象監控、機器人控制、無(wú)線(xiàn)232數據通信、無(wú)線(xiàn)485/422數據通信、無(wú)線(xiàn)數字語(yǔ)音、數字圖像傳輸、智能小區不停車(chē)收費、銀行智能回單系統等。在如此多的無(wú)線(xiàn)系統應用中，無(wú)線(xiàn)通信的協(xié)議自然顯得特別重要。無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的好壞直接關(guān)系到系統的安全性、誤碼率以及系統運行的速度。本文以上海桑博科技有限公司的STR-2無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊為例，詳細介紹無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊與各種單片機的硬件接口設計，點(diǎn)對多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的數字打包格式、解包程序以及相關(guān)軟件設計。

1 系統概述

1.1 鏈狀點(diǎn)對多點(diǎn)系統

圖1所示的系統是由一臺中央監控設備CMS（Central Monitoring System）和多臺遠程終端設備MRTU（Multiple Remote Termial Unit）構成的點(diǎn)對多點(diǎn)的多任務(wù)無(wú)線(xiàn)通信系統。在中央監控設備CMS與遠程終端RTU（Remote Termial Unit）之間用多臺中轉設備Tran作為中轉站，以便起到暫存數據和延伸距離的作用。中轉站之間，以單向通信方式進(jìn)行傳遞數據。

（1）適用范圍

*傳輸距離遠的多點(diǎn)多任務(wù)數據采集；

*條件惡劣、干擾大、多點(diǎn)多任務(wù)數據采集；

*對時(shí)間要求不高的各種復雜無(wú)線(xiàn)數傳；

*智能小區水、電、煤、曖氣集中抄表系統，各種遠程集中按防報警系統等。

（2）協(xié)議數據包格式

協(xié)議的第一件事就是能夠識別噪志和有效數據。噪聲是以隨機字節出現的，沒(méi)有明顯的結合方式；噪聲源可以產(chǎn)生任意字節的組合。在無(wú)線(xiàn)通信的過(guò)程中，最好能通過(guò)一種協(xié)議有效地抑制噪聲的產(chǎn)生。

通過(guò)測試和試驗發(fā)現，0xFF后跟0xAA、0x55在噪聲中不容易發(fā)生。傳輸協(xié)議應該在數據包前加開(kāi)始字節，0xFF后跟0xAA、0x55發(fā)送協(xié)議的開(kāi)始應該是一個(gè)任意內容的字節（這是因為第一個(gè)字節的數據在發(fā)送時(shí)容易丟失），然后是0xFF后跟一個(gè)0xAA、0x55；接收協(xié)議規定只接收以0xFF后跟0xAA、0x55開(kāi)始的包，于是就可以很方便地把以上系統的數據包格式定為：

Lead為引導字節

Leader1=0xFF；

Leader2=0xAA；

Leader2=0x55；

Header為數據包的命令字節，由此確定數據包的類(lèi)型；

Length為數據包包含的Length字節之后的所有字節的長(cháng)度；

HostID為主機地址；

Local為本地機地址；

Destination為目標地址；

Unit為RTU地址字節；

Data為數據包字節；

Checksum為校驗字節。

1.2 星狀點(diǎn)對多點(diǎn)通信

圖2系統是由一臺中央監控設備CMS和多臺遠程終端設備MRTU構成的點(diǎn)對多點(diǎn)多任務(wù)無(wú)線(xiàn)通信系統。在中央監控設備CMS與每一臺遠程終端RTU都以雙向通信方式進(jìn)行傳遞數據；特別適用于數據量大，對時(shí)間要求較高的場(chǎng)合。

（1）適用范圍

*傳輸距離較近的地方；

*條件惡劣、干擾大的地方；

*對時(shí)間要求高、數據量大的場(chǎng)合；

*智能小區水、電、煤、曖氣集中抄表系統，各種遠程集中安防報警系統等；

*智能家用集中控制系統；

*工業(yè)測控、工業(yè)數據采集；

*醫療器械、健身器材；

*數據倉庫、智能商場(chǎng)超市導購；

*餐飲無(wú)線(xiàn)點(diǎn)菜系統；

*PDA無(wú)線(xiàn)數傳；

*水紋氣象監控；

*生物信號采集；

*油田環(huán)境監控；

*銀行智能回單系統等。

（2）協(xié)議數據包格式

根據圖2可以把系統的數據包格式定為：

Lead為引導字節

Leader1=0xFF;

Leader2=0xAA;

Leader2=0x55；

Header為數據包的命令字節，由此確定數據包的類(lèi)型；

Length為數據包包含的Length字節之后的所有字節的長(cháng)度；

Unit為RTU地址字節；

Data為數據包字節；

Checksum為校驗字節。

2 硬件設計

上海桑博電子科技有限公司STR-2 RF模塊的核心部分為nRF401，外加精心設計的內置天線(xiàn)，具有體積?。?7mm47mm），功耗低的特點(diǎn)；傳輸距離為200m，最大傳輸速率為20kb/s；外圍接口電路簡(jiǎn)單，可直接與單片機的通用串行口（UART）口連接。圖3所示為硬件框圖。

STR-2 RF引腳功能如下：

VCC――正電源，接2.7～5.25V;

CS――頻道選擇，CS=0為選擇工作頻道1（即433.92MHz），CS=1為選擇工作頻道2（即433.33MHz）；

DOUT――數據輸出，連接MCU串口RXD；

DIN――數據輸入，連接MCU串口TXD；

GND――電源地；

PWR――節能控制，PWR=1為正常工作狀態(tài)，PWR=0為低功耗狀態(tài)；

TXN――發(fā)射接收控制，TXN=1時(shí)模塊為發(fā)射狀態(tài)，TXN=0時(shí)模塊為接收狀態(tài)；

3 軟件設計

在系統中，所有STR-2 RF模塊均采用433.92MHz作為系統工作頻率。下面以星狀點(diǎn)對多點(diǎn)通信系統為例，詳細介紹系統的軟件設計。

（1）主程序設計

為了避免同頻干擾的問(wèn)題，系統采用時(shí)分TDMA（Time Diveision Multiple Access）技術(shù)，把系統CMS與任意一臺RTU之間的通信采用時(shí)分的方式分開(kāi)，CMS通過(guò)掃描的方式與各臺RTU設備進(jìn)行單臺通信，這樣系統中的CMS與RTU的通信方式就成為點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式。整個(gè)點(diǎn)對多點(diǎn)系統的通信就成為若干個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)通信的組合。程序采用C51單片機語(yǔ)言編寫(xiě)，其主控程序流程如圖4、圖5所示。

（2）打包與解包

協(xié)議將主要數據分割成一定格式的數據，并增加一些額外的信息（用于糾錯），這個(gè)過(guò)程叫打包；在接收端協(xié)議去掉這些額外信息，只留下初始信息，這個(gè)過(guò)程叫解包。

打包程序如解包程序見(jiàn)網(wǎng)絡(luò )補充版（http://www.dpj.com.cn）。

解包子程序流程如圖6所示。

結語(yǔ)

本文中的無(wú)線(xiàn)硬件設計、軟件設計解決方案已被多次運用于多種產(chǎn)品、多種系統。目前各種產(chǎn)品、系統運行穩定，無(wú)線(xiàn)通信誤碼率低、可靠性高、安全性好。文中的軟、硬件設計方案，可適用于各種單片機，對于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在我國推廣和廣泛的運用有著(zhù)重要的參考價(jià)值。