点对多点的多任务无线通信

    作者：聂光义

    摘要：具体介绍无线通信在各种通信系统中的应用，单片机MCU与无线收发模块的硬件接口设计，点对多点无线通信协议的编写，点对多点无线通信系统打包与解包的软件设计。

    为无线通信系统的软硬件设计提供了可靠的解决方案。

    要害词：无线通信协议通用串行总线中心监控 远程终端

    引言

    现代世界是一个高速自动化的世界，各种各样的设备除了可以与计算机联机外，还可以互联机，而最简单的自动化联机方式就是使用串行通信。随着时代的进步，它并没有被取代，后倒是逐渐被广泛应用。如今，在许多场合有线连接的方式已经不能满足科技的高速发展。无线技术正以一种快速的速度进入许多产品，它与线相比主要有成本低，携带方便，省去有线布线的烦恼；非凡适用于手持设备的通信、电池供电设备、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、无线数字语音、数字图像传输、智能小区不停车收费、银行智能回单系统等。在如此多的无线系统应用中，无线通信的协议自然显得非凡重要。无线通信协议的好坏直接关系到系统的安全性、误码率以及系统运行的速度。本文以上海桑博科技有限公司的STR-2无线收发模块为例，具体介绍无线收发模块与各种单片机的硬件接口设计，点对多点无线通信协议的数字打包格式、解包程序以及相关软件设计。

    1  系统概述

    1.1链状点对多点系统

    图1所示的系统是由一台中心监控设备CMS（CentralMonitoringSystem）和多台远程终端设备MRTU（MultipleRemote Termial Unit）构成的点对多点的多任务无线通信系统。在中心监控设备CMS与远程终端RTU（Remote Termial Unit）之间用多台中转设备Tran作为中转站，以便起到暂存数据和延伸距离的作用。中转站之间，以单向通信方式进行传递数据。

    （1）适用范围

    *传输距离远的多点多任务数据采集；

    *条件恶劣、干扰大、多点多任务数据采集；

    *对时间要求不高的各种复杂无线数传；

    *智能小区水、电、煤、暧气集中抄表系统，各种远程集中按防报警系统等。

    （2）协议数据包格式

    协议的第一件事就是能够识别噪志和有效数据。噪声是以随机字节出现的，没有明显的结合方式；噪声源可以产生任意字节的组合。在无线通信的过程中，最好能通过一种协议有效地抑制噪声的产生。

    通过测试和试验发现，0xFF后跟0xAA、0x55在噪声中不轻易发生。传输协议应该在数据包前加开始字节，0xFF后跟0xAA、0x55发送协议的开始应该是一个任意内容的字节（这是因为第一个字节的数据在发送时轻易丢失），然后是0xFF后跟一个0xAA、0x55；接收协议规定只接收以0xFF后跟0xAA、0x55开始的包，于是就可以很方便地把以上系统的数据包格式定为：

    Lead为引导字节

    Leader1=0xFF；

    Leader2=0xAA；

    Leader2=0x55；

    Header为数据包的命令字节，由此确定数据包的类型；

    Length为数据包包含的Length字节之后的所有字节的长度；

    HostID为主机地址；

    Local为本地机地址；

    Destination为目标地址；

    Unit为RTU地址字节；

    Data为数据包字节；

    Checksum为校验字节。

    1.2星状点对多点通信

    图2系统是由一台中心监控设备CMS和多台远程终端设备MRTU构成的点对多点多任务无线通信系统。在中心监控设备CMS与每一台远程终端RTU都以双向通信方式进行传递数据；非凡适用于数据量大，对时间要求较高的场合。

    （1）适用范围

    *传输距离较近的地方；

    *条件恶劣、干扰大的地方；

    *对时间要求高、数据量大的场合；

    *智能小区水、电、煤、暧气集中抄表系统，各种远程集中安防报警系统等；

    *智能家用集中控制系统；

    *工业测控、工业数据采集；

    *医疗器械、健身器材；

    *数据仓库、智能商场超市导购；

    *餐饮无线点菜系统；

    *PDA无线数传；

    *水纹气象监控；

    *生物信号采集；

    *油田环境监控；

    *银行智能回单系统等。

    （2）协议数据包格式

    根据图2可以把系统的数据包格式定为：

    Lead为引导字节

    Leader1=0xFF;

    Leader2=0xAA;

    Leader2=0x55；

    Header为数据包的命令字节，由此确定数据包的类型；

    Length为数据包包含的Length字节之后的所有字节的长度；

    Unit为RTU地址字节；

    Data为数据包字节；

    Checksum为校验字节。

    2  硬件设计

    上海桑博电子科技有限公司STR-2RF模块的核心部分为nRF401，外加精心设计的内置天线，具有体积小（37mm×47mm），功耗低的特点；传输距离为200m，最大传输速率为20kb/s；外围接口电路简单，可直接与单片机的通用串行口（UART）口连接。图3所示为硬件框图。

    STR-2RF引脚功能如下：

    VCC——正电源，接2.7～5.25V;

    CS——频道选择，CS=0为选择工作频道1（即433.92MHz），CS=1为选择工作频道2（即433.33MHz）；

    DOUT——数据输出，连接MCU串口RXD；

    DIN——数据输入，连接MCU串口TXD；

    GND——电源地；

    PWR——节能控制，PWR=1为正常工作状态，PWR=0为低功耗状态；

    TXN——发射接收控制，TXN=1时模块为发射状态，TXN=0时模块为接收状态；

    3  软件设计

    在系统中，所有STR-2RF模块均采用433.92MHz作为系统工作频率。下面以星状点对多点通信系统为例，具体介绍系统的软件设计。

    （1）主程序设计

    为了避免同频干扰的问题，系统采用时分TDMA（TimeDiveisionMultipleaccess）技术，把系统CMS与任意一台RTU之间的通信采用时分的方式分开，CMS通过扫描的方式与各台RTU设备进行单台通信，这样系统中的CMS与RTU的通信方式就成为点对点的通信方式。整个点对多点系统的通信就成为若干个点对点通信的组合。程序采用C51单片机语言编写，其主控程序流程如图4、图5所示。

    （2）打包与解包

    协议将主要数据分割成一定格式的数据，并增加一些额外的信息（用于纠错），这个过程叫打包；在接收端协议去掉这些额外信息，只留下初始信息，这个过程叫解包。

    打包程序如解包程序见网络补充版（http://www.dpj.com.cn）。

    解包子程序流程如图6所示。

    结语

    本文中的无线硬件设计、软件设计解决方案已被多次运用于多种产品、多种系统。目前各种产品、系统运行稳定，无线通信误码率低、可靠性高、安全性好。文中的软、硬件设计方案，可适用于各种单片机，对于无线通信技术在我国推广和广泛的运用有着重要的参考价值。