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點對多點的多任務無線通信
摘要：詳細介紹無線通信在各種通信系統中的應用，單片機MCU與無線收發模塊的硬件接口設計，點對多點無線通信協議的編寫，點對多點無線通信系統打包與解包的軟件設計。為無線通信系統的軟硬件設計提供了可靠的解決方案。關鍵詞：無線通信 協議 通用串行總線 中央監控 遠程終端
引言
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，還可以互聯機，而最簡單的自動化聯機方式就是使用串行通信。隨著時代的進步，它并沒有被取代，后倒是逐漸被廣泛應用。如今，在許多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字打包格式、解包程序以及相關軟件設計。
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1 系統概述
1.1 鏈狀點對多點系統
圖1所示的系統是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）構成的點對多點的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
*傳輸距離遠的多點多任務數據采集；
*條件惡劣、干擾大、多點多任務數據采集；
*對時間要求不高的各種復雜無線數傳；
*智能小區水、電、煤、曖氣集中抄表系統，各種遠程集中按防報警系統等。
（2）協議數據包格式
協議的第一件事就是能夠識別噪志和有效數據。噪聲是以隨機字節出現的，沒有明顯的結合方式；噪聲源可以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有效地抑制噪聲的產生。
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是一個任意內容的字節（這是因為第一個字節的數據在發送時容易丟失），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，于是就可以很方便地把以上系統的數據包格式定為：
Lead1 Lead2 Lead2 Header Length HostID Loca Destination Unit Data1 Data2 … Datan ChecksumLead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為目標地址；
Unit為RTU地址字節；
Data為數據包字節；
Checksum為校驗字節。
1.2 星狀點對多點通信
圖2系統是由一臺中央監控設備CMS和多臺遠程終端設備MRTU構成的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
*傳輸距離較近的地方；
*條件惡劣、干擾大的地方；
*對時間要求高、數據量大的場合；
*智能小區水、電、煤、曖氣集中抄表系統，各種遠程集中安防報警系統等；
*智能家用集中控制系統；
*工業測控、工業數據采集；
*醫療器械、健身器材；
*數據倉庫、智能商場超市導購；
*餐飲無線點菜系統；
*PDA無線數傳；
*水紋氣象監控；
*生物信號采集；
*油田環境監控；
*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：
Lead1 Lead2 Lead2 Header Length Unit Data1 Data2 … Datan ChecksumLead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為數據包字節；
Checksum為校驗字節。
2 硬件設計
上海桑博電子科技有限公司STR-2 RF模塊的核心部分為nRF401，外加精心設計的內置天線，具有體積小（37mm×47mm），功耗低的特點；傳輸距離為200m，最大傳輸速率為20kb/s；外圍接口電路簡單，可直接與單片機的通用串行口（UART）口連接。圖3所示為硬件框圖。
STR-2 RF引腳功能如下：
VCC——正電源，接2.7～5.25V;
CS——頻道選擇，CS=0為選擇工作頻道1（即433.92MHz），CS=1為選擇工作頻道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為正常工作狀態，PWR=0為低功耗狀態；
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；
3 軟件設計
在系統中，所有STR-2 RF模塊均采用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，系統采用時分TDMA（Time Diveision 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。
打包程序如解包程序見網絡補充版（http://www.baimashangsha.com收集整理）。
解包子程序流程如圖6所示。
結語
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。
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