點對多點的無線通信方案

1、    作者：聶光義    摘要：具體介紹無線通信在各種通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，單片機MCU與無線收發(fā)模塊的硬件接口設(shè)計，點對多點無線通信協(xié)議的編寫，點對多點無線通信系統(tǒng)打包與解包的軟件設(shè)計。    為無線通信系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計提供了可靠的解決方案。    要害詞：無線通信協(xié)議通用串行總線中心監(jiān)控 遠程終端    引言    現(xiàn)代世界是一個高速自動化的世界，各種各樣的設(shè)備除了可以與計算機聯(lián)機外，還可以互聯(lián)機，而最簡單的自動化

2、聯(lián)機方式就是使用串行通信。隨著時代的進步，它并沒有被取代，后倒是逐漸被廣泛應(yīng)用。如今，在許多場合有線連接的方式已經(jīng)不能滿足科技的高速發(fā)展。無線技術(shù)正以一種快速的速度進入許多產(chǎn)品，它與線相比主要有成本低，攜帶方便，省去有線布線的煩惱；非凡適用于手持設(shè)備的通信、電池供電設(shè)備、遙控、遙測、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標簽身份識別、非接觸RF智能卡、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號采集、水文氣象監(jiān)控、機器人控制、無線232數(shù)據(jù)通信、無線485/422數(shù)據(jù)通信、無線數(shù)字語音、數(shù)字圖像傳輸、智能小區(qū)不停車收費、銀行智能回單系統(tǒng)等。在如此多的無線系

3、統(tǒng)應(yīng)用中，無線通信的協(xié)議自然顯得非凡重要。無線通信協(xié)議的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的安全性、誤碼率以及系統(tǒng)運行的速度。本文以上海桑博科技有限公司的STR-2無線收發(fā)模塊為例，具體介紹無線收發(fā)模塊與各種單片機的硬件接口設(shè)計，點對多點無線通信協(xié)議的數(shù)字打包格式、解包程序以及相關(guān)軟件設(shè)計。    1  系統(tǒng)概述    1.1鏈狀點對多點系統(tǒng)    圖1所示的系統(tǒng)是由一臺中心監(jiān)控設(shè)備CMS（CentralMonitoringSystem）和多臺遠程終端設(shè)備MRTU（MultipleRemote Termial

4、Unit）構(gòu)成的點對多點的多任務(wù)無線通信系統(tǒng)。在中心監(jiān)控設(shè)備CMS與遠程終端RTU（Remote Termial Unit）之間用多臺中轉(zhuǎn)設(shè)備Tran作為中轉(zhuǎn)站，以便起到暫存數(shù)據(jù)和延伸距離的作用。中轉(zhuǎn)站之間，以單向通信方式進行傳遞數(shù)據(jù)。    （1）適用范圍    *傳輸距離遠的多點多任務(wù)數(shù)據(jù)采集；    *條件惡劣、干擾大、多點多任務(wù)數(shù)據(jù)采集；    *對時間要求不高的各種復(fù)雜無線數(shù)傳；    *智能小區(qū)水、電、煤、曖氣集中抄表系統(tǒng)，各種遠程集

5、中按防報警系統(tǒng)等。    （2）協(xié)議數(shù)據(jù)包格式    協(xié)議的第一件事就是能夠識別噪志和有效數(shù)據(jù)。噪聲是以隨機字節(jié)出現(xiàn)的，沒有明顯的結(jié)合方式；噪聲源可以產(chǎn)生任意字節(jié)的組合。在無線通信的過程中，最好能通過一種協(xié)議有效地抑制噪聲的產(chǎn)生。    通過測試和試驗發(fā)現(xiàn)，0xFF后跟0xAA、0x55在噪聲中不輕易發(fā)生。傳輸協(xié)議應(yīng)該在數(shù)據(jù)包前加開始字節(jié)，0xFF后跟0xAA、0x55發(fā)送協(xié)議的開始應(yīng)該是一個任意內(nèi)容的字節(jié)（這是因為第一個字節(jié)的數(shù)據(jù)在發(fā)送時輕易丟失），然后是0xFF后跟一個0xAA、0x55；接收協(xié)議規(guī)定

6、只接收以0xFF后跟0xAA、0x55開始的包，于是就可以很方便地把以上系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包格式定為：    Lead為引導(dǎo)字節(jié)    Leader1=0xFF；    Leader2=0xAA；    Leader2=0x55；    Header為數(shù)據(jù)包的命令字節(jié)，由此確定數(shù)據(jù)包的類型；    Length為數(shù)據(jù)包包含的Length字節(jié)之后的所有字節(jié)的長度；    HostID為主機地址；&

7、#160;   Local為本地機地址；    Destination為目標地址；    Unit為RTU地址字節(jié)；    Data為數(shù)據(jù)包字節(jié)；    Checksum為校驗字節(jié)。    1.2星狀點對多點通信    圖2系統(tǒng)是由一臺中心監(jiān)控設(shè)備CMS和多臺遠程終端設(shè)備MRTU構(gòu)成的點對多點多任務(wù)無線通信系統(tǒng)。在中心監(jiān)控設(shè)備CMS與每一臺遠程終端RTU都以雙向通信方式進行傳遞數(shù)據(jù)；非凡適用于數(shù)據(jù)

8、量大，對時間要求較高的場合。    （1）適用范圍    *傳輸距離較近的地方；    *條件惡劣、干擾大的地方；    *對時間要求高、數(shù)據(jù)量大的場合；    *智能小區(qū)水、電、煤、曖氣集中抄表系統(tǒng)，各種遠程集中安防報警系統(tǒng)等；    *智能家用集中控制系統(tǒng)；    *工業(yè)測控、工業(yè)數(shù)據(jù)采集；    *醫(yī)療器械、健身器材；   

9、; *數(shù)據(jù)倉庫、智能商場超市導(dǎo)購；    *餐飲無線點菜系統(tǒng)；    *PDA無線數(shù)傳；    *水紋氣象監(jiān)控；    *生物信號采集；    *油田環(huán)境監(jiān)控；    *銀行智能回單系統(tǒng)等。    （2）協(xié)議數(shù)據(jù)包格式    根據(jù)圖2可以把系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包格式定為：    Lead為引導(dǎo)字節(jié)    Le

10、ader1=0xFF;    Leader2=0xAA;    Leader2=0x55；    Header為數(shù)據(jù)包的命令字節(jié)，由此確定數(shù)據(jù)包的類型；    Length為數(shù)據(jù)包包含的Length字節(jié)之后的所有字節(jié)的長度；    Unit為RTU地址字節(jié)；    Data為數(shù)據(jù)包字節(jié)；    Checksum為校驗字節(jié)。    2  硬件設(shè)計&#

11、160;   上海桑博電子科技有限公司STR-2RF模塊的核心部分為nRF401，外加精心設(shè)計的內(nèi)置天線，具有體積?。?7mm×47mm），功耗低的特點；傳輸距離為200m，最大傳輸速率為20kb/s；外圍接口電路簡單，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-2RF引腳功能如下：    VCC正電源，接2.75.25V;    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433.33MH

12、z）；    DOUT數(shù)據(jù)輸出，連接MCU串口RXD；    DIN數(shù)據(jù)輸入，連接MCU串口TXD；    GND電源地；    PWR節(jié)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時模塊為發(fā)射狀態(tài)，TXN=0時模塊為接收狀態(tài)；    3  軟件設(shè)計    在系統(tǒng)中，所有STR-2RF模塊均采用433.92MHz作為

13、系統(tǒng)工作頻率。下面以星狀點對多點通信系統(tǒng)為例，具體介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計。    （1）主程序設(shè)計    為了避免同頻干擾的問題，系統(tǒng)采用時分TDMA（TimeDiveisionMultipleaccess）技術(shù)，把系統(tǒng)CMS與任意一臺RTU之間的通信采用時分的方式分開，CMS通過掃描的方式與各臺RTU設(shè)備進行單臺通信，這樣系統(tǒng)中的CMS與RTU的通信方式就成為點對點的通信方式。整個點對多點系統(tǒng)的通信就成為若干個點對點通信的組合。程序采用C51單片機語言編寫，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(shù)據(jù)分割成一定格式的數(shù)據(jù)，并增加一些額外的信息（用于糾錯），這個過程叫打包；在接收端協(xié)議去掉這些額外信息，只留下初始信息，這個過程叫解包。    打包程序如解包程序見網(wǎng)絡(luò)補