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。