點對多點多任務無線通信

　　現代世界是一個高速自動化的世界，各種各樣的設備除了可以與計算機聯機外，還可以互相聯機，而最簡單的自動化聯機方式就是使用串行通訊。隨著時代的進步，它并沒有被取代，反倒是逐漸被廣泛應用。如今，在許多的場合有線連接的方式已經不能滿足科技的高速發展。無線技術正以一種快速的速度進入許多產品，它與有線相比主要有成本低，攜帶方便，省去有線布線的煩惱。特別適用于手持設備的通信、電池供電設備、遙控、遙測、小型無線網絡、無線抄表、門禁系統、小區傳呼、工業數據采集系統、無線標簽身份識別、非接觸RF 智能卡、小型無線數據終端、安全防火系統、無線遙控系統、生物信號采集、水文氣象監控、機器人控制、無線232 數據通信、無線485/422 數據通信、無線數字語音、數字圖像傳輸、智能小區不停車收費、銀行智能回單系統等。在如此多的無線系統應用中，無線通信的協議自然顯得特別重要，無線通信協議的好壞直接關系到系統的安全性、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無線收發模塊為例，詳細介紹無線收發模塊與各種單片機的硬件接口設計，點對多點無線通信協議的數據打包格式、解包程序以及相關軟件設計。

系統概述

一．連狀點對多點系統

　　如圖1系統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)構成點對多點多任務無線通信系統。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，以單向通信方式進行傳遞數據。

1．適用范圍

a.適用于傳輸距離遠的多點多任務數據采集

b.適用于條件惡劣干擾大多點多任務數據采集

c.適用于對時間要求不高的各種復雜無線數傳

d.適用于智能小區水、電、煤、暖氣集中抄表系統，各種遠程集中安防報警系統等。

2.協議數據包格式

　　協議的笫一件事就是能夠識別噪聲和有效數椐，噪聲是以隨機字節出現的,沒有明顯的結合方式，噪聲源可能產生任意字節的組合，在無線通信的過程中最好能通過一種協議能有效的抑制噪聲的產生

　　通過測試和試驗,發現0xFF 后跟0XAA,0x55 在噪聲中不容易發生,傳輸協議應該在數據包前加開始字節0xFF 后跟0xAA,0x55發送協議的開始應該以一個任意內容的字節(這是因為第一個字節的數椐在發送時容易丟失),然后是0xFF 后跟一個0xAA,0x55;接收協議規定只接收以0xFF 后跟0xAA,0x55 開始的包.于是就可以很方便的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型

Length 為數據包包含的Length字節之后的所有字節的長度

HostID 為主機地址

Local  為本地機地址

Destination 目標地址

Unit   為RTU地址字節

Data   位數據包字節

Checksum 校驗字節

二．    星狀點對多點通信

　　如圖 2系統由一臺中央監控設備CMS和多臺遠程終端設備MRTU構成點對多點多任務無線通信系統。在中央監控設備CMS 與 每一臺遠程終端RTU(Remote Termial Unit)都以雙向通信方式進行傳遞數據。特別適用于數據量大，對時間要求較高的場合。

1． 適用范圍

a. 適用于傳輸距離較近的地方

a.適用于條件惡劣干擾大的地方

b.適用于對時間要求高、數據量大的場合

c.適用于智能小區水、電、煤、暖氣集中抄表系統，各種遠程集中安防報警系統等

d.適用于智能家用集中控制系統

e.工業測控、工業數據采集

f. 醫療器械、健身器材

g.數據倉庫、智能商場超市導購

h.餐飲無線點菜系統

i.PDA無線數傳

j.水紋氣象監控

k.生物信號采集

l.油田環境監控

m.銀行智能回單系統等

2．協議數據包格式

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型

Length 為數據包包含的Length字節之后的所有字節的長度

Unit   為RTU地址字節

Data   位數據包字節

Checksum 校驗字節

硬件設計

　
　　上海桑博電子科技有限公司STR-2 RF Module 的核心部分為nRF401,外加精心設計的內置天線，體積為37mm x 47mm，具有體積小，功耗低的特點，傳輸距離為200米，傳輸最大速率為20kbit/s，外圍接口電路簡單，可直接與單片機的通用串行總線（UART）口連接。如圖3所示STR-2 RF Module 引腳功如下：

VCC:正電源，接2.7~5.25V

CS:  頻道選擇，CS=0選擇工作頻道1即433.92MHZ，CS=1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正常工作狀態，PWR=0低功耗狀態

TXN:發射接收控制，TXN=1時模塊為發射狀態，TXN=0時模塊為接收狀態

STR-2 RF Module 接口簡單，本文將不作詳細的敘述，如果想要詳細的了解STR-2 RF Module， 請參照參考文獻 1。

{{分頁}}

軟件設計

　　在系統中所有STR-2 RF Module 均采用433.92MHZ作為系統工作頻率。下面以星狀點對多點通信系統為例，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題，系統采用分時TDMA（Time Division Multiple Access）技術，把系統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設備進行單臺通信，這樣系統中的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，其主控程序流程圖如圖4、圖5所示。

2.打包與解包

　　協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),這個過程叫打包,在接收端協議去掉這些額外信息,只留下初始信息,這個過程叫解包.

下面是一段打包程序:

#define MRTUC _DATAPOLL0xE1 //定義包類型為數據包

#define MRTUC _DATAPOLLRESPONSE    0xE2//定義包類型為應答數據包

#define MRTUC _ACTIVATE 0xF1//定義包類型為請求握手包

#define MRTUC _ACTIVATEREQUEST      0xF2//定義包類型為應答握手包

#define E$HostID  0x11  //定義目標主機地址

void SCI_Putc( unsigned char data )； //通過SCI輸出數據函數

void SCI_Puts(unsigned char *str,unsigned char length) //輸出多數據函數

{

   while ( length!=0 ){

      SCI_Putc( *str++ );                        //通過SCI發送數據

                     Length--;

}

}

void CheckActiveFunc(unsigned char unit)  //請求握手函數

{

   unsigned char buff[8];

   buff[0]=0xFF;                     //引導字節

   buff[1]=0xAA;                    //引導字節

   buff[2]=0x55;                     //引導字節

   buff[3] = MRTUC _ACTIVATE;      //數據包頭字節

   buff[4] = 0x03;                    //數據包長度

   buff[5] = E$HostID;                //主機地址

   buff[6] = unit;                     //從機地址

   buff[7] = 1 + ~(MRTUC _ACTIVATE + 0x03 + E$HostID + unit); //校驗字節

   SCI_Puts(buff,8);                  //發送數據包

}

void ResponseActiveRequestFunc(void)

{

   unsigned char buff[8];

   buff[0]=0xFF;

   buff[1]=0xAA;

   buff[2]=0x55;

   buff[3] = MRTUC _ACTIVATEREQUEST;

   buff[4] = 0x03;

   buff[5] = E$HostID;

   buff[6] = unit;

   buff[7] = 1 + ~(MRTUC _ACTIVATEREQUEST + 0x03 + E$HostID + unit);

   SCI_Puts(buff,8);

}

void DataPollFunc(unsigned char unit)

{

   unsigned char buff[8];

   buff[0]=0xFF;

   buff[1]=0xAA;

   buff[2]=0x55;

   buff[3] = MRTUC _DATAPOLL;

   buff[4] = 0x03;

   buff[5] = E$HostID;

   buff[6] = unit;

   buff[7] = 1 + ~(MRTUC _DATAPOLL + 0x03 + E$HostID + unit);

   SCI_Puts(buff,8);

}

void ResponseDataPollFunc(unsigned char unit)

{

   unsigned char buff[8];

   buff[0]=0xFF;

   buff[1]=0xAA;

   buff[2]=0x55;

   buff[3] = MRTUC _DATAPOLLRESPONSE;

   buff[4] = 0x3;

   buff[5] = E$HostID;

   buff[6] = unit;

   buff[7] = 1 + ~(MRTUC _DATAPOLLRESPONSE + 0x3 + E$HostID + unit);

   SCI_Puts(buff,8);

}

{{分頁}}

程序解包流程圖:

    解包子程序流程圖如圖6所示。

解包程序:

#define TOTAL_RESPONSE    5 //定義數據包的總數

void SCI_Getc(void);                  //從SCI buffer取數據函數

struct ResponseCodeStruct {      //定義數據包結構體

   unsigned char Code;              // 數據包的類型

   unsigned char Length;            // 數據包的長度

};

const ResponseCodeStruct ResponseCodeTable[TOTAL_RESPONSE]={

   { 0, 0 },

   {MRTUC _DATAPOLL,          3},

   {MRTUC _DATAPOLLRESPONSE,   3},

   {MRTUC _ACTIVATE,           3},

   {MRTUC _ACTIVATEREQUEST,    3},

};

unsigned char CheckResponseCode( unsigned char code )//檢查數據包類型函數

{

  unsigned char i;

  for ( i=1; i<TOTAL_RESPONSE; i++ ) {

     if ( ResponseCodeTable[i].Code == code )

        return i;

  }

  return 0;

}

void ResetReceivingStatus( void )           //復位接收狀態

{

   PacketStatus &= ~PC_START;          //數據包為開始狀態

   BufferIndex = 0;                      //復位接收頭字節標志

}

void SerialHandler( void )             //數據解包子程序

{

   unsigned char char,i,j;

   unsigned char *buff;

   if ((PacketStatus & PC_READY)==0 ) { //檢查數據包狀態

      if ( SCI_Flags & SCI_IQDIRTY ) {  //檢查SCI狀態

         char = SCI_Getc();            //從buffer取一字節數據

         if ( BufferIndex==0) {         // 檢查是否為頭字節

            if ( (CodeIndex=CheckResponseCode( char ))==0   ) {

              CodeIndex=0;      

              ResetReceivingStatus();   //復位接收狀態

              }

              return;               //如果不正確返回取下一字節

            }

            CheckSum = 0;

            PacketStatus |= PC_START; //定義開始接收數據

         }

         else if ( BufferIndex==1 ) {          

         if(char<3|| har>(SCI_IQMASK-1)|| (ResponseCodeTable[CodeIndex]. Length && ResponseCodeTable[CodeIndex].Length!=char) ) { //檢查長度

               CodeIndex=0;

               ResetReceivingStatus();

               }

               return;

            }

            PacketLength = char + 2;

         }

         else if ( BufferIndex==2 ) {           // 檢查主機地址

            if ( char!=E$HostID ) {

               CodeIndex=0;

               ResetReceivingStatus();

                }

                return;

            }

         }

         else if ( BufferIndex==3 ) {           // 檢查從機地址

            if ( char>MAX_UNIT || char==0 ) {

               return;

            }

            else {

              if(E$UNIT!=char){

                CodeIndex=0;

                ResetReceivingStatus();

                return;

              }

            }

         }

         PacketBuffer[BufferIndex++] = char;

         if ( BufferIndex>=2 ) {

            if ( BufferIndex==PacketLength ) {

               CheckSum = 1 + ~CheckSum;

               if ( char==CheckSum ) {              //校驗

                  PacketStatus |= PC_READY;

               }

               ResetReceivingStatus();

            }

         }

         CheckSum += char;

      }

      else {

         if ( (PacketStatus & PC_START) && TimeOut==0 ) {

            CodeIndex=0;

            ResetReceivingStatus();

         }

      }

   } }

結束語
　
　　本文中的無線硬件設計、軟件設計解決方案已被多次運用于多種產品、多種系統。目前各種產品、系統運行穩定，無線通信誤碼率低、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，對于無線通信技術在我國推廣和廣泛的運用有著重要的參考價值。

參考文獻

1．上海桑博  STR-2無線數據收發模塊使用手冊    上海桑博電子科技有限公司   2002

2．Nordic     nRF401 Product Specification          Nordic corporation           2000

3. 譚浩強     C程序設計                        清華大學出版社            1999