一種短距離無線傳輸?shù)腃SMA/CA協(xié)議實現(xiàn)方法
摘要:在無線通信過程中,首先要面對的是在一個通信域內(nèi),可能存在幾十乃至幾百個無線終端同時工作。在這樣繁忙的無線網(wǎng)絡中,無線數(shù)據(jù)發(fā)送頻繁發(fā)生碰撞不可避免。當數(shù)據(jù)發(fā)送發(fā)生碰撞,意味著有數(shù)據(jù)幀丟失。為了盡可能地避免由于數(shù)據(jù)發(fā)送碰撞而導致的數(shù)據(jù)幀丟失,必須引入一種可以避免發(fā)送碰撞的機制。以射頻芯片MCl3213為例,詳細說明了CSMA/CA協(xié)議的實現(xiàn)過程和主要的代碼實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞:WSN;MCl3213;CSMA/CA;ZigBee
本文中CSMA/CA協(xié)議的實現(xiàn)基于MCl3213芯片。構(gòu)建了1個小型ZigBee通信系統(tǒng),僅使用了MCl3213的物理層無線收發(fā)功能和內(nèi)嵌單片機,所以本算法實現(xiàn)也可以移植到433 MHz通信等其他短距離無線通信系統(tǒng)中。
1 MOl3213芯片及通信小系統(tǒng)
MCl3213集成了1個符合IEEE 802.15.4協(xié)議的2.4 GHz收發(fā)器和飛思卡爾公司的低電壓低功耗HCS08單片機核心,并帶有嵌入式閃存、UART接口、低壓中斷和鍵盤中斷等功能。MCl3213支持專用點到點、簡單星形和MUSH網(wǎng)絡,以及采用Figure 8 Wireless Z-stack的符合ZigBee標準的網(wǎng)絡。
本設計只使用了MCl3213的1個串口,連接電腦或者傳感器,用于從電腦接收需要通過無線發(fā)送的數(shù)據(jù),并把無線接收到的數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)到電腦。
(1)數(shù)據(jù)發(fā)送
數(shù)據(jù)發(fā)送主程序的流程如圖1所示。
(2)CSMA_MAC協(xié)議及3次重發(fā)的實現(xiàn)
流程如圖2所示。
(3)無線接收數(shù)據(jù)至串口的實現(xiàn)
流程如圖3所示。
2 無線狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖
程序上電初始化后,第一次的無線狀態(tài)為INITIAL_STATE初始化狀態(tài)。初始化狀態(tài)后,無線模塊進入RX_STATE接收狀態(tài),將模塊的接收天線打開。而后進入WAITING_FOR_ACK等待狀態(tài),等待接收無線數(shù)據(jù)。當接收到無線數(shù)據(jù)時,根據(jù)WT_TxbufferO_Flag來判斷此時接收到的數(shù)據(jù)幀為ACK還是數(shù)據(jù)幀:如果WTTxbuffer0_Flag=0xff,則說明此時接收到的數(shù)據(jù)幀為ACK,進入WAITING_ACK處理,處理完畢,無線模塊重新進入RX_STATE接收狀態(tài);如果WT_TxbufferO-Flag=0x00,則說明此時接收到的數(shù)據(jù)為無線發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀,進入GOOD_PACKET好包狀態(tài),處理完畢,無線模塊重新進入RX_STATE接收狀態(tài)。
無線狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。
3 實現(xiàn)協(xié)議的關(guān)鍵
①串口數(shù)據(jù)幀的拷貝。為保存串口接收到的數(shù)據(jù)幀,并為以后能區(qū)分緩存不同的數(shù)據(jù)幀,設計了能緩存4個數(shù)據(jù)幀的緩存空間。在接收到串口的數(shù)據(jù)幀時,跟原來直接處理數(shù)據(jù)的做法不同,新的程序中,首先將數(shù)據(jù)存在緩存區(qū)中,如果緩存區(qū)滿,則不再保存新的數(shù)據(jù)幀。
②串口緩存區(qū)數(shù)據(jù)幀的處理順序。按照接收到數(shù)據(jù)的先后順序進行處理。
③隨機退避的處理。由于MCl3213不僅需要發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù),還需要與串口進行通信,此處隨機退避采用中斷方式,當退避時間到時,置退避時間完成標志位,而后進入隨機退避完成的處理過程。
④無線數(shù)據(jù)幀3次重發(fā)的實現(xiàn)。DATA類型的數(shù)據(jù)如果發(fā)送不成功,需要有3次重傳機制,實現(xiàn)過程與之前有很大不同。當數(shù)據(jù)發(fā)送成功后,在一定的時間內(nèi)等待ACK,如果沒有接收到ACK,則判斷是否重傳3次。若未到3次,置重傳標志位,重傳數(shù)據(jù)幀,否則丟棄此幀。隨機退避次數(shù)大于最大退避次數(shù)時,同樣判斷是否重傳3次:若未到3次,置重傳標志位,重傳數(shù)據(jù)幀,否則丟棄此幀。在此幀數(shù)據(jù)沒有發(fā)送成功,并且重傳次數(shù)未到時,不處理之后的數(shù)據(jù)幀,保證重傳的數(shù)據(jù)幀是需要重傳的數(shù)據(jù)幀。
⑤無線模塊的狀態(tài)切換。為了保證無線模塊狀態(tài)切換的時序沒有錯誤,防止由于無線模塊狀態(tài)切換而導致的嚴重問題,在CSMA_MAC協(xié)議實現(xiàn)過程中,無論對無線模塊進行了什么操作,最終都需要把無線模塊的狀態(tài)置為RX_STATE,打開無線模塊的接收天線。
⑥串口數(shù)據(jù)幀3次重發(fā)的實現(xiàn)。DATA類型的數(shù)據(jù)幀發(fā)送完成后,如果在一定的時間內(nèi)未收到ACK,將對數(shù)據(jù)進行重發(fā),直至收到ACK;或者重發(fā)超過3次,丟棄此幀。
4 測試結(jié)果
在我們搭建的一個無線定位小系統(tǒng)測試中,定位節(jié)點與定位卡通信,工作正常;兩個定位節(jié)點之間的通信,定位節(jié)點收發(fā)狀態(tài)正常,工作正常;定位節(jié)點將接收到的定位卡的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至PC上,經(jīng)過定位算法處理后,定位誤差在2 m范圍之內(nèi)。
結(jié)語
本文基于ZigBee基帶芯片實現(xiàn)了簡單的CSMA/CA協(xié)議,同時也適用于其他短距離無線通信系統(tǒng)。筆者已經(jīng)在1套433 MHz定位系統(tǒng)中使用了同一協(xié)議,收到了良好的效果。本文介紹實現(xiàn)的只是基本的CSMA/CA協(xié)議,在應用于不同的無線通信系統(tǒng)中時,可以根據(jù)系統(tǒng)的特點再加以改進,就可以達到更好的無線通信效果。