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點(diǎn)對多點(diǎn)的多任務(wù)無線通信
摘要：詳細(xì)介紹無線通信在各種通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，單片機(jī)MCU與無線收發(fā)模塊的硬件接口設(shè)計(jì)，點(diǎn)對多點(diǎn)無線通信協(xié)議的編寫，點(diǎn)對多點(diǎn)無線通信系統(tǒng)打包與解包的軟件設(shè)計(jì)。為無線通信系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)提供了可靠的解決方案。關(guān)鍵詞：無線通信 協(xié)議 通用串行總線 中央監(jiān)控 遠(yuǎn)程終端
引言
現(xiàn)代世界是一個(gè)高速自動(dòng)化的世界，各種各樣的設(shè)備除了可以與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)外，還可以互聯(lián)機(jī)，而最簡單的自動(dòng)化聯(lián)機(jī)方式就是使用串行通信。隨著時(shí)代的進(jìn)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(jìn)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；特別適用于手持設(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(biāo)簽身份識(shí)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(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)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(fèi)、銀行智能回單系統(tǒng)等。在如此多的無線系統(tǒng)應(yīng)用中，無線通信的協(xié)議自然顯得特別重要。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(yùn)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，詳細(xì)介紹無線收發(fā)模塊與各種單片機(jī)的硬件接口設(shè)計(jì)，點(diǎn)對多點(diǎn)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(jì)。
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1 系統(tǒng)概述
1.1 鏈狀點(diǎn)對多點(diǎn)系統(tǒng)
圖1所示的系統(tǒng)是由一臺(tái)中央監(jiān)控設(shè)備CMS（Central Monitoring System）和多臺(tái)遠(yuǎn)程終端設(shè)備MRTU（Multiple Remote Termial Unit）構(gòu)成的點(diǎn)對多點(diǎn)的多任務(wù)無線通信系統(tǒng)。在中央監(jiān)控設(shè)備CMS與遠(yuǎn)程終端RTU（Remote Termial Unit）之間用多臺(tái)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(jìn)行傳遞數(shù)據(jù)。
（1）適用范圍
*傳輸距離遠(yuǎn)的多點(diǎn)多任務(wù)數(shù)據(jù)采集；
*條件惡劣、干擾大、多點(diǎn)多任務(wù)數(shù)據(jù)采集；
*對時(shí)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(yuǎn)程集中按防報(bào)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(shí)別噪志和有效數(shù)據(jù)。噪聲是以隨機(jī)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(yàn)發(fā)現(xiàn)，0xFF后跟0xAA、0x55在噪聲中不容易發(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(gè)任意內(nèi)容的字節(jié)（這是因?yàn)榈谝粋�(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)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(guī)定只接收以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：
Lead1 Lead2 Lead2 Header Length HostID Loca Destination Unit Data1 Data2 … Datan ChecksumLead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(jī)地址；
Local為本地機(jī)地址；
Destination為目標(biāo)地址；
Unit為RTU地址字節(jié)；
Data為數(shù)據(jù)包字節(jié)；
Checksum為校驗(yàn)字節(jié)。
1.2 星狀點(diǎn)對多點(diǎn)通信
圖2系統(tǒng)是由一臺(tái)中央監(jiān)控設(shè)備CMS和多臺(tái)遠(yuǎn)程終端設(shè)備MRTU構(gòu)成的點(diǎn)對多點(diǎn)多任務(wù)無線通信系統(tǒng)。在中央監(jiān)控設(shè)備CMS與每一臺(tái)遠(yuǎn)程終端RTU都以雙向通信方式進(jìn)行傳遞數(shù)據(jù)；特別適用于數(shù)據(jù)量大，對時(shí)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(shí)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(yuǎn)程集中安防報(bào)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；
*數(shù)據(jù)倉庫、智能商場超市導(dǎo)購；
*餐飲無線點(diǎn)菜系統(tǒng)；
*PDA無線數(shù)傳；
*水紋氣象監(jiān)控；
*生物信號(hào)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：
Lead1 Lead2 Lead2 Header Length Unit Data1 Data2 … Datan ChecksumLead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；
Unit為RTU地址字節(jié)；
Data為數(shù)據(jù)包字節(jié)；
Checksum為校驗(yàn)字節(jié)。
2 硬件設(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)的內(nèi)置天線，具有體積�。�37mm×47mm），功耗低的特點(diǎn)；傳輸距離為200m，最大傳輸速率為20kb/s；外圍接口電路簡單，可直接與單片機(jī)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(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(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(shè)計(jì)
在系統(tǒng)中，所有STR-2 RF模塊均采用433.92MHz作為系統(tǒng)工作頻率。下面以星狀點(diǎn)對多點(diǎn)通信系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。
（1）主程序設(shè)計(jì)
為了避免同頻干擾的問題，系統(tǒng)采用時(shí)分TDMA（Time Diveision Multiple Access）技術(shù)，把系統(tǒng)CMS與任意一臺(tái)RTU之間的通信采用時(shí)分的方式分開，CMS通過掃描的方式與各臺(tái)RTU設(shè)備進(jìn)行單臺(tái)通信，這樣系統(tǒng)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(tǒng)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(jī)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(cuò)），這個(gè)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(gè)過程叫解包。
打包程序如解包程序見網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版（http://www.baimashangsha.com收集整理）。
解包子程序流程如圖6所示。
結(jié)語
本文中的無線硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)解決方案已被多次運(yùn)用于多種產(chǎn)品、多種系統(tǒng)。目前各種產(chǎn)品、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，無線通信誤碼率低、可靠性高、安全性好。文中的軟、硬件設(shè)計(jì)方案，可適用于各種單片機(jī)，對于無線通信技術(shù)在我國推廣和廣泛的運(yùn)用有著重要的參考價(jià)值。
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