防數(shù)據(jù)碰撞的無線呼叫系統(tǒng)設(shè)計

    摘要：在多點對單點無線通信領(lǐng)域中，為防止多個發(fā)射器同時向接收器發(fā)送數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的相互干擾（碰撞），提出一種具有反碰撞功能的無線呼叫系統(tǒng)模型，給出單片機與無線收發(fā)模塊的硬件接口設(shè)計；詳細介紹所用的通信協(xié)議和呼叫接收器，以及收發(fā)雙方的軟件設(shè)計，為多點對單點的無線呼叫系統(tǒng)軟硬件設(shè)計提供一種有效可靠的解決方案。

    關(guān)鍵詞：中央服務(wù)器 無線呼叫系統(tǒng) 防碰撞技術(shù) 同步信號

隨著科技的進步以及對生活質(zhì)量要求的不斷提高，人們要求在消費中得到的服務(wù)更加快捷、方便、舒適；同時處于激烈競爭環(huán)境中的服務(wù)性企業(yè)也需要吸引顧客，提高企業(yè)自身的服務(wù)檔次和形象。無線呼叫系統(tǒng)能夠為顧客創(chuàng)造良好的消費環(huán)境，使其得到方便及時的服務(wù)；企業(yè)也能隨時掌握顧客需要的服務(wù)，提高服務(wù)效率。它可以廣泛應(yīng)用于酒店、銀行、醫(yī)院、娛樂場所等服務(wù)性行業(yè)中。因此，研究出一種簡單可靠、高效率的無線呼叫系統(tǒng)，對于提高我服務(wù)行業(yè)的服務(wù)水平，改進人們的生活方式，促進社會生活的信息化，具有重要的理論、實用和商用價值。

1 無線呼叫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

圖1所示給出了由一臺中央服務(wù)器CSS（Central Sever System）和多臺終端呼叫器MTCU（Multiple Terminal Call Unit）構(gòu)成的多點對單點無線通信系統(tǒng)。中央服務(wù)器CSS與每一臺呼叫器CU（Call Unit）之間以雙向方式傳遞數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)量大，實時性要求高。同傳統(tǒng)的線呼叫系統(tǒng)相比，無線呼叫系統(tǒng)的使用更加靈活，無需在工作環(huán)境中鋪設(shè)有線物理網(wǎng)絡(luò)，極大降低了投資成本。

系統(tǒng)工作在ISM頻段433MHz附近，該頻段無需申請許可證。呼叫器作為數(shù)據(jù)載體通常由用戶即服務(wù)的申請方來控制，每個呼叫器有一個唯一的識別碼。當用戶按其上的發(fā)射鍵后，識別碼被發(fā)射出去，等待中央接收器的響應(yīng)；中央服務(wù)器接收到服務(wù)申請后，根據(jù)識別碼鑒定出是由哪一臺呼叫器發(fā)出的申請，并給出聲音提示和顯示呼叫器的識別號。

在酬、醫(yī)院、娛樂業(yè)等經(jīng)營場所中，中央服務(wù)器置于服務(wù)臺或值班室中，呼叫器安放在客戶里、病床邊或顧客身邊。顧客隨時可以發(fā)出服務(wù)申請，中央服務(wù)器接收到申請后，發(fā)出提示音和顯示識別號碼，通知服務(wù)員向提出服務(wù)申請的顧客提供服務(wù)。

2 防碰撞技術(shù)

2.1 防碰撞問題的提出

在服務(wù)行業(yè)的營業(yè)場所中，顧客需要服務(wù)人員能夠提供準確、及時的服務(wù)，因此要求所設(shè)計的系統(tǒng)有很好的實時性和可靠性。一方面，顧客提出的申請能夠很快地得到響應(yīng)，使顧客感覺不到時間的浪費；另一方面，中央服務(wù)器不能由于接收到的是錯誤信息，使服務(wù)員打擾并未提出服務(wù)申請的顧客。

    針對系統(tǒng)的要求，可以得出導(dǎo)致服務(wù)中出現(xiàn)錯誤的原因有二：一是由于無線信道的復(fù)雜性，信息在無線信道的傳輸過程極易受到干擾而產(chǎn)生錯誤，接收端不能接收到正確的信息；其二是由于多個呼叫器同時競爭通信信道向中央服務(wù)器發(fā)出呼叫，各個呼叫器發(fā)出的數(shù)據(jù)相互干擾，使中央服務(wù)器不能正確地辨別是哪一臺呼叫器發(fā)出的申請。這兩種錯誤可能使沒有發(fā)出呼叫申請的顧客得到了不需要的服務(wù)，而有服務(wù)要求的顧客又得不到滿足，反而降低了服務(wù)的效率和準確度，起不到服務(wù)行業(yè)中需要的無線呼叫系統(tǒng)的作用。對于前一種情況可以采用適當?shù)男＜m錯方式，降低中央服務(wù)器向服務(wù)員提供錯誤呼叫信息的概率，無需本文詳細討論。而對后一種情況，需要找到一種合適的反碰撞方法，這正是本文要解決的問題。

2.2 無線呼叫系統(tǒng)的防碰撞技術(shù)

數(shù)據(jù)的碰撞問題即無線通信中的多路存取問題。我們把多個通信通路競爭一個通信信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率以及供它使用的時間片確定的，故分配給每個用戶的通路容量必須滿足：當有多個發(fā)射器同時把數(shù)據(jù)傳輸給同一個接收器時，不能出現(xiàn)互相干擾（碰撞）。在無線電技術(shù)中，多路存取問題的存在由來已久。因此，出現(xiàn)了許多方法，可以把不同的用戶信號分開。比較典型的方法有四種：空分多路法、頻分多路法、時分多路法以及碼分多路法。這些經(jīng)典的多路存取問題解決方法用于移動通信、衛(wèi)星通信等系統(tǒng)中時，可以將不間斷的數(shù)據(jù)流傳輸給用戶，并且保證一次分配的通信容量能夠保持足夠長的時間，如同話音通信所需要的那樣（例如在一次通話的整個交談過程）。

圖3 系統(tǒng)通信時序圖

    對無線呼叫系統(tǒng)來說，中央服務(wù)器與呼叫器之間只存在很短的動作周期，這種周期被較長的不等非工作間歇所中斷。呼叫器發(fā)出的數(shù)據(jù)在數(shù)十ms的時間內(nèi)被鑒別，讀出和寫入；接著，中央服務(wù)器在較長的時間內(nèi)不會上到呼叫器發(fā)出的信號。但這并不意味我們不需要考慮多個呼叫器同時向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)的可能性。我們需要的是一種高效的多路存取法，使用戶感覺不到時間的損失就完成了數(shù)據(jù)的區(qū)分、顯示及對用戶的響應(yīng)。見圖2，許多呼叫器試圖“圖時”將數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器。

現(xiàn)在比較常用的多路存取方法有頻分復(fù)用和時分復(fù)用法。頻分復(fù)用法（FDM，F(xiàn)requency-Division Multiplexing）是在呼叫器與接收器之間建立多條不同帶的通信信道。但這種方法實現(xiàn)上過于復(fù)雜，硬件上需要增加濾波器組；并且由于信道的非線性會產(chǎn)生交調(diào)失真和高次諧波，引起信號的串路，因而不適合所設(shè)計的無線呼叫系統(tǒng)在本系統(tǒng)使用的是時分復(fù)用法（TDM，Time-Division Multiplexing）。TMD同F(xiàn)DM相比較具有電路實現(xiàn)簡單可靠，對系統(tǒng)的非線性失真要求不高。

2.3 中央服務(wù)器與呼叫器之間的通信過程

時分復(fù)用的主要特點是利用不同時隙來傳送各路不同的信號，每路信號在時域上是分割開的。我們?yōu)槊颗_呼叫器分配的，可與中央服務(wù)器通信的時間段是不同的。因此，要求我們所設(shè)計的系統(tǒng)具有良好的同步機制，解決中央服務(wù)器與所有呼叫器之間時鐘的步問題。在同步信號的指揮下，每個呼叫器都能在分配給自己的時間段內(nèi)發(fā)送信息。

系統(tǒng)由中央服務(wù)器產(chǎn)生的步信號作為整個系統(tǒng)同步的基準信號，這就為所有呼叫器建立了一個能夠計算出各自可以發(fā)出呼叫申請時間的起點。這里的同步信號是使整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的同步信號，而并不要求單個呼叫器與中央服務(wù)器采用同步通信方式的幀同步信號，呼叫器與央服務(wù)器之間的通信仍然可以采用異步通信的方式。呼叫器從收到系統(tǒng)同步信號后，開始計算可以發(fā)送信號的延遲時間。延遲時間的長度是在系統(tǒng)設(shè)計時就已經(jīng)約定的，每臺呼叫器對應(yīng)不同的延遲時間，使各個呼叫器與服務(wù)器通信的時間是錯開的，不會產(chǎn)生重疊，也就防止了中央服務(wù)器時收到多臺呼叫器的服務(wù)申請，避免了數(shù)據(jù)之間的碰撞。中央服務(wù)器產(chǎn)生的系統(tǒng)同步信號是周期性的，這個周期的大小與系統(tǒng)中呼叫器的個數(shù)、呼叫器與服務(wù)器之間完成一次通信所需要的時間有關(guān)，也與硬件設(shè)計的系統(tǒng)時鐘大小和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈视嘘P(guān)。圖3給出了中央服務(wù)器與呼叫器之間通信的時序圖。

從圖3中，我們按照時分復(fù)用的原則，得出系統(tǒng)能夠正常工作的條件：

系統(tǒng)處于工作狀態(tài)后，中央服務(wù)器先發(fā)出同步信號SYN。該信號是周期信號，在兩個同步信號之間，服務(wù)器處于接收狀態(tài)。呼叫器CUi接收到同步脈沖后等待Ti時間，并在這臺呼叫器有顧客發(fā)出服務(wù)申請的情況下才能向服務(wù)器傳輸信息。呼叫器CUi與中央服務(wù)器通信一次的時間片的長度為ti，在時間片內(nèi)呼叫器可向服務(wù)器重復(fù)傳送n次信息，時間片內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸仍然采用異步通信的方式。由于所有呼叫器在兩個SYN之間均有一次機會可與中央服務(wù)器通信，所以劃分的時間片越長，同步信號的周期也截止大。但若同步信號的周期時間太長，超過顧客對服務(wù)等待時間的滿意程度，也就不能滿足系統(tǒng)的實時性要求。所以在保證通信質(zhì)量的前提下，應(yīng)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈剩s短通信時間片的長度，確定系統(tǒng)中呼叫器的適當?shù)臄?shù)量。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

圖4給郵了無線呼叫系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)的中央服務(wù)器與呼叫器的控制功能由單片機實現(xiàn)，射頻收發(fā)模塊主要由一塊射頻集成芯片構(gòu)成。此外，中央服務(wù)器還有LED顯示電路以及發(fā)音電路。

單片機使用Atmel公司的AT89C51，其中集成了4KB FlashROM，主要用來控制射頻集成芯片的收發(fā)，數(shù)據(jù)的識別和提取，進行反碰撞處理。此外，還要控制LED顯示呼叫器的識別號碼及給出提示音。

    射頻集成芯片選用Nordic公司的nRF401。NRF401j 單片機集成收發(fā)芯片，可工作于433.92MHz/434.33MHz兩個頻道，最大數(shù)據(jù)傳輸率為20kbps，調(diào)制方式為FSK，功耗低，且發(fā)射功率可以調(diào)整，最大發(fā)射功率為+10dBm。當工作于等機模式，待機電流僅為8μA，因此很適合用于便攜式的無線通信設(shè)備中。連接nRF401的天線是以差分方式連接到nRF401的。在實際設(shè)計中，呼叫器的天線采用差分環(huán)型天線，這種天線可直接刻蝕在PCB板上。中央服務(wù)器的天線采用高靈每度的單端天線，但是單端天線與nRF401之間也必須通過一個差分轉(zhuǎn)換匹配網(wǎng)絡(luò)連接起來。圖5所示的硬件連接原理圖中的各個引腳的功能如下所列。

CS：頻道選擇，CS=0選擇工作頻道1，即433.92MHz；CS=1選擇工作頻率2，即434.33MHz。連接AT89C51的P2.5腳。

DOUT：數(shù)據(jù)輸出，連接AT89C51串口RXD。

DIN：數(shù)據(jù)輸入，連接AT89C51串口TXD。

PWR_UP：節(jié)能控制，PWR_UP=1正常工作狀態(tài)，PWR_UP=0低功耗節(jié)能狀態(tài)。連接AT89C51的P2.6腳。

TXEN：發(fā)射接收控制，TXEN=1時，nRF401為發(fā)射狀態(tài)；TXEN=0時，nRF401為接收狀態(tài)。連接AT89C51的P2.7腳。

NRF401射頻模塊硬件電路的具體設(shè)計。為了獲得最佳的RF性能，推薦使用1.6mm FR4板材的雙面PCB；nRF401的直流供電必須使用高性能的RF電容去耦；在PCB板上應(yīng)該避免長的電源走線；所有的開關(guān)數(shù)字信號和控制信號都不能經(jīng)過nRF401的PLL環(huán)路濾波元件和VCO電感附近。

4 無線呼叫系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 通信協(xié)議

為了保證通信成功，通信雙方必須嚴格遵循通信協(xié)議的約定。由于nRF401的最大數(shù)據(jù)傳輸率為20kbps，為獲得中央服務(wù)器和呼叫器之間大的通信速率，單片機的系統(tǒng)時鐘頻率為11.0582MHz時，我們將串口的波特率選定在19.2kbps。

由中央服務(wù)器向所有呼叫器發(fā)系統(tǒng)同步信號。根據(jù)設(shè)計要求和測試結(jié)果，我們將同步信號序列SYN定義為雙同步字符：0xAA和0xAA。所有呼叫器接收到該字符串后，開始計算各自的可以發(fā)送呼叫信息等時間Ti。

當對應(yīng)呼叫器與中央服務(wù)器建立起通信關(guān)系后，在可通信時間片內(nèi)采用異步通信的方式。呼叫器向服務(wù)器發(fā)出握手信號：0xBB；服務(wù)器接收到握手信號后發(fā)回應(yīng)答信號：0xCC，接收到應(yīng)答信號后呼叫器開始傳送數(shù)據(jù)塊。設(shè)計中的數(shù)據(jù)塊可以直接是使用VCD碼表示的呼叫器的識別號，能很方便地在服務(wù)器的LED上顯示出來，還可以傳輸對其它相應(yīng)服務(wù)編碼得到數(shù)據(jù)。收、發(fā)雙方的數(shù)據(jù)校驗方式采用計算發(fā)送數(shù)據(jù)塊的“校驗和”。呼叫器對所發(fā)數(shù)據(jù)求出“校驗和”，在數(shù)據(jù)塊發(fā)完后將其發(fā)到中央服務(wù)器中；服務(wù)器計算所收數(shù)據(jù)塊的“校驗和”，并與從呼叫器發(fā)來的“校驗和”相比較。若兩者相等，收正確，服務(wù)器應(yīng)答一個“0x00”；叵不等，說明接收器接收到“0x00”的答復(fù)后，結(jié)束發(fā)送。又因為呼叫器發(fā)出的服務(wù)請求只能在規(guī)定時間片段內(nèi)完成，故必須的服務(wù)請求。系統(tǒng)直到等待時間最長的那個呼叫器的時間片過去以后，中央服務(wù)器又再次向所有呼叫器發(fā)出系統(tǒng)同步信號.

圖6 收發(fā)程序流程

    4.2 收發(fā)程序設(shè)計

因為系統(tǒng)分配給各個呼叫器的可與中央服務(wù)器完成一次呼叫申請的時間片的長度是固定的，這個時間長度既要保證呼叫器發(fā)出的申請能準確的傳到服務(wù)臺上，又要盡量短，才可縮小同步信號的周期。因此收發(fā)程序的執(zhí)行時間十分關(guān)鍵，必須短而高效。圖6給出了中央服務(wù)器和呼叫器的收發(fā)程序流程。

結(jié)語

本設(shè)計中的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計方案已通過實驗檢驗。對在多發(fā)單收情況下產(chǎn)生的數(shù)據(jù)磁撞一解決良好，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，通信誤碼率低。由于電路的結(jié)構(gòu)簡單，功能完善，這種低成本的無線呼叫系統(tǒng)在酒店、醫(yī)院及娛樂場所中有很好的實用價值。