基于CC1101的時(shí)分多址接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

在終端節(jié)點(diǎn)眾多，通訊傳輸范圍較大的基于CC1101的 低功耗無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，由于無(wú)線信道的共享特性，當(dāng)相鄰 的鏈路上同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時(shí)，鏈路之間易相互干擾而產(chǎn)生 沖突。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中通道防沖突的能力直接依賴于媒體接入控制 (Medium Access Control，MAC)協(xié)議如何管理信道資源。為 了實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠長(zhǎng)期有效的工作，如何在為終端節(jié)點(diǎn)提供 足夠的、長(zhǎng)期的能量的前提下進(jìn)行防沖突設(shè)計(jì)成為重中之重。

1時(shí)分多址技術(shù)

時(shí)分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)技術(shù)， 是把通信系統(tǒng)的工作時(shí)間分割成周期性互不重疊的時(shí)間段, 再將每個(gè)時(shí)間段的時(shí)間劃分成若干個(gè)小段，每小段稱為一個(gè) 時(shí)隙，每一個(gè)用戶都在指定的時(shí)隙里接通信道，其他的用戶 在另外的所指定的時(shí)隙里接通信道。TDMA方式最初用于 衛(wèi)星通信中，現(xiàn)在也逐漸使用于其它的各種通信場(chǎng)合，可大大 提高網(wǎng)絡(luò)的通訊速率，可靠性和網(wǎng)絡(luò)容納量。

將時(shí)分多址的技術(shù)引入到低功耗無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中, 由集中器將工作時(shí)間分割成周期性互不重疊的時(shí)間段，再將 每個(gè)時(shí)間段劃分成若干時(shí)隙，終端節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)間段的所分 配的固定時(shí)隙加入網(wǎng)絡(luò)或者上報(bào)數(shù)據(jù)，可提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通 訊速率、可靠性和網(wǎng)絡(luò)容納性。

2系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由上位機(jī)(遠(yuǎn)程監(jiān)控終端)、集中器和 終端節(jié)點(diǎn)所組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。其中，終端節(jié)點(diǎn)可 以作為傳感器節(jié)點(diǎn)(采集溫度、濕度、電池電量、或地磁等信息) 通過(guò)自組網(wǎng)的方式捜索加入合適的集中器的網(wǎng)絡(luò)后，定時(shí)或節(jié) 點(diǎn)滿足一定上報(bào)條件時(shí)在自身上報(bào)時(shí)隙內(nèi)向網(wǎng)內(nèi)集中器上報(bào)數(shù)據(jù)，集中器接收網(wǎng)內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)上報(bào)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理，在收到 上位機(jī)的輪詢命令后，再將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)進(jìn)行處理、記 錄和顯示。系統(tǒng)中包含無(wú)線和485有線通訊網(wǎng)絡(luò)，其中集中器 同上位機(jī)之間采用485總線進(jìn)行通信，而集中器同終端節(jié)點(diǎn)之 間則是使用CC1101射頻模塊通過(guò)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行通信。

3硬件設(shè)計(jì)

集中器和終端節(jié)點(diǎn)的微處理器均選用MSP430G2553作 為核心控制單元。MSP430G2553是一款16位超低功耗、具 有精簡(jiǎn)指令集的混合信號(hào)處理器，休眠模式下僅0.5 uA，外 設(shè)功能豐富，而且具有UART、SPI、I2C等接口，便于通信模 塊與外部系統(tǒng)互聯(lián)，并具有24個(gè)IO 口、10位AD、定時(shí)器， 以及16 KB的FLASH,滿足用戶對(duì)通信模塊的擴(kuò)展需求, 適于用戶根據(jù)需求定制或編寫通信協(xié)議。

集中器和終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通訊的無(wú)線模塊選用TI公司 的無(wú)線射頻芯片CC1101，該無(wú)線通訊模塊具有高靈敏度、低 功耗、低成本、低誤碼率、支持無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)勢(shì)。除 了微處理器模塊和無(wú)線收發(fā)模塊外，系統(tǒng)中還包括有電源和 電源管理模塊，以及485轉(zhuǎn)換模塊等，這里不再贅述。

4軟件設(shè)計(jì)

集中器同終端節(jié)點(diǎn)之間采用時(shí)分多址的方式進(jìn)行通訊，其具體過(guò)程是 ：集中器定時(shí)向外廣播發(fā)送一幀網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)（周期為 T），根據(jù)時(shí)分多址將信標(biāo)周期 T 等分為 n 個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙為Δt，將第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙Δt 預(yù)留下來(lái)給未入網(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)交互，其余的Δt 分配給已加入網(wǎng)絡(luò)分配有網(wǎng)絡(luò)編號(hào)的終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身網(wǎng)絡(luò)編號(hào)（網(wǎng)絡(luò)編號(hào)是在終端節(jié)點(diǎn)加入集中器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，集中器所分配的）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。圖 2 所示為不同頻點(diǎn)的集中器按照時(shí)分多址的方式同終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊的示意圖。

另外，根據(jù)自組網(wǎng)通訊方式的設(shè)計(jì)，可以通過(guò)增加集中器的個(gè)數(shù)，擴(kuò)充系統(tǒng)的規(guī)模。系統(tǒng)中可設(shè)置多個(gè)集中器，每個(gè)集中器的無(wú)線通訊的頻段不同，終端節(jié)點(diǎn)可通過(guò)掃頻的方式搜索加入合適規(guī)模的集中器的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)由不同頻段集中器組建的通訊網(wǎng)絡(luò)都是互不干擾的，即使通訊中有終端節(jié)點(diǎn)由于意外脫離了網(wǎng)絡(luò)，也可以通過(guò)掃頻重新加入網(wǎng)絡(luò)。圖3所示為終端節(jié)點(diǎn)的工作流程圖，圖4所示則是時(shí)分多址的相關(guān)流程圖，集中器的工作流程相對(duì)簡(jiǎn)單，這里不再贅述。事實(shí)上，這里的節(jié)點(diǎn)工作的流程也進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，所有的處理都是在秒中斷、無(wú)線接收中斷和時(shí)隙定時(shí)器中斷子程序中進(jìn)行的，節(jié)點(diǎn)大絕大多數(shù)時(shí)間都處于低功耗3的狀態(tài)下，這樣可以大大的降低節(jié)點(diǎn)的功耗。

時(shí)分多址應(yīng)用設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于Δt和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸率Data·rate的選擇。在Δt時(shí)間內(nèi)，需要完成終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)幀或上報(bào)數(shù)據(jù)幀給集中器，以及集中器接收到數(shù)據(jù)后還要對(duì)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行回復(fù)的過(guò)程，若設(shè)這個(gè)過(guò)程的時(shí)間為TAll，那么，要保證通訊的正常，則必須滿足Δt>TAll。這里：

其中 TT 為終端節(jié)點(diǎn)或集中器發(fā)送數(shù)據(jù)所花費(fèi)時(shí)間，TR 為終端節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)所花費(fèi)時(shí)間，TDeal是集中器處理時(shí)間的時(shí)間。另外，TR ≈ TT，TDeal 約為 2 ms，則 TAll ≈ 3TT+2 ms。根據(jù) TT 同無(wú)線通訊 Data · rate 之間的關(guān)系，可以得出如下公式 ：

其中，LJ為終端節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的字節(jié)長(zhǎng)度，包括前導(dǎo)碼4個(gè)字節(jié)、同步字4個(gè)字節(jié)、長(zhǎng)度字1個(gè)字節(jié)、有效負(fù)載7個(gè)字節(jié)和CRC校驗(yàn)2個(gè)字節(jié)，共計(jì)18個(gè)字節(jié)。這樣，將式（2）帶入式（1）中可得：

由上面的公式可知，時(shí)隙Δt的選擇跟Date·rate成反比關(guān)系，Δt選擇越小，要求Data·rate越大；另外，當(dāng)時(shí)，隙Δt選擇的越小，在一定的信標(biāo)周期內(nèi)，系統(tǒng)的容納量越大，但是，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也越差。因此，對(duì)于時(shí)隙Δt選取要謹(jǐn)慎，通?？赏ㄟ^(guò)測(cè)試進(jìn)行選取。

5系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

針對(duì)波特率分別為10、38.4、100Kb/s時(shí)的不同時(shí)隙進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果如表1所列。

如表1可知，當(dāng)時(shí)隙選擇在大于15 ms時(shí)，時(shí)分多址系 統(tǒng)在三種波特率下均可運(yùn)行。

另外，搭建使用時(shí)分多址接入技術(shù)的1個(gè)集中器帶50個(gè) 終端節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，使無(wú)線通訊波 特率選擇38.4 Kb/s （選擇10 Kb/s波特率數(shù)據(jù)傳輸太慢，選擇 100 Kb/s數(shù)據(jù)傳輸距離有局限性，因此，選擇居中的38.4 Kb/s）， 將時(shí)隙Af分別定為20 ms、30 ms和40 ms，分別對(duì)不同時(shí)隙 下的系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如表2所列。

6 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)本文的測(cè)試數(shù)據(jù)，說(shuō)明選擇波特率、時(shí)隙和信標(biāo)周 期在38.4 Kb/s、40 ms和3 s時(shí)，能獲得很穩(wěn)定的測(cè)試結(jié)果。 實(shí)際使用證明，將該無(wú)線接入技術(shù)應(yīng)用于智能停車管理系統(tǒng), 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性均獲得了良好的應(yīng)用效果。

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