短距离多点无线数据采集与传输网设计论文网

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摘要：在现代无线通信中，GSM、CDMA、3G、Wi-Fi等主流技术成为无线数据传输网络的主流解决方案，通信速率高，质量可靠，但存在成本过高的缺点，广泛应用将造成了极大的资源浪费，因而在众多的小区域，低速率数据通信领域难以推广。现短距离无线通信可以采用不同的网

　　论文导读:：在现代无线通信中，GSM、CDMA、3G、Wi-Fi等主流技术成为无线数据传输网络的主流解决方案，通信速率高，质量可靠，但存在成本过高的缺点，广泛应用将造成了极大的资源浪费，因而在众多的小区域，低速率数据通信领域难以推广。现短距离无线通信可以采用不同的网络技术,如蓝牙、IEEE802.11、HomeRF、红外线等，它与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络相比,无论在基本的结构上，还是在应用的层次上，均有很大的不同，两者在服务范围和针对的业务(数据、话音) 上也有很大不同。短距离无线通信网设计的初衷是为了在移动环境下提供短距离的宽带无线接入或临时性的网络形成自组网，是因特网在移动环境下的进一步发展。

　　论文关键词：自组网，数据采集，传输网络

　　1 引言

　　本文以nRF905无线收发芯片和51系列单片机为硬件核心，结合目前业界应用的无线自组网技术，构筑了一个工作于ISM（IndustrialScientific Medical）频段的低功耗、高性能的无线数据通信系统。为实时性、可靠性要求较高、数据量较小的无线数据通信领域提供一个理想的解决方案。

　　本文给出了短距离多点无线数据采集与传输网络的信息终端（子机）和无线接收主机模块的硬件和软件设计方案，并根据该方案，构筑了一个工作于ISM（IndustrialScientific Medical）频段的低功耗、高性能的无线数据通信系统。

　　2系统软件设计

　　系统性能的实现依赖于其有效合理的软件控制，本次软件设计则是在硬件环境的基础上开发一个具有数据转发、冲突避免、出错重传、超时重试等功能的无线网络协议，从而实现系统的设计目标。

　　整个网络由一台主机及多台分散的子机构成，每个子机中必须有一个无线收发节点（本系统采用nRF905单片射频收发器），整个无线网络各个节点都有唯一标识的地址，地址由具有唯一性标识的子机内容组成，可依具体情况而定。为了方便起见，实际系统中的每个子机中的无线收发节点的地址由我们自己设定（4 bytes）。

　　为了提高系统的可靠性，协议设计为停--等型，从数据链路层的角度来看，发送过程大致为：数据源方首先向数据目标方请求建立连接，在得到目标方的回应后才开始发送数据，并在每次数据发送结束后等候目标方的应答，在接收到正确的应答后，继续发送下一组数据,直到所有数据发送完毕后，数据源方则请求拆除连接以释放信道资源，在收到目标方的应答后结束一次发送过程；接收过程大致为：在收到建立连接请求后自组网，给出一个回应后开始接收数据，并在每接收完一次数据后给出一个有效的或无效的应答，直到接收到一个拆除连接请求，这时，把接收到的数据保存起来并给出一个应答后结束一次接收过程。

　　3系统实现模型

　　系统是由一台中央监控设备CMS（CentralMonitoring System）和多台远程终端设备MRTU（MultipleRemote Termial Unit）构成的点对多点多任务无线通信系统。远程终端（信息终端）实际上是多台移动站，均能够移动，并且在移动的过程中还可以进行通信。中央监控设备CMS与每一台远程终端RTU（RemoteTermial Unit）都以双向通信方式进行数据传递，接下来对其信息终端（子机）和无线接入主机（控制中心）的硬件和软件的关键部分进行设计。

　　4 系统硬件设计

　　为了方便系统设计、维护和升级，单元节点硬件部分根据功能特性、电气特性的不同以模块的方式构建。基本结构由射频收发模块、控制及处理模块、通用串行接口模块、数据缓冲及存储模块和多能电源管理模块等五大模块组成。以下是各部分模块电路功能说明与实现。

　　（1）射频收发模块

　　从发送的角度实现对处理好的数据包进行高频调制和发送给指定通信对象，在接收角度获取来自通信对象的高频信号并解调还原为调制前的原始数据包。

　　射频收发模块的电路主体为nRF905无线收发芯片[1]，模块设计使用16MHz的晶振作为其工作频率。nRF905无线收发芯片支持采用印刷天线的形式来接收射频信号。为了提高接收灵敏度和提高抗干扰能力，射频收发模块采用外接天线并加入了滤波电路。

　　（2）控制及处理模块

　　控制及处理模块主要由中央控制单元（MCU）和外围电路构成，有两大功能：一为用于控制和协调各大模块的工作状态；二为对从接口获取的数据进行处理和发送转发，如路由处理、数据打包、数据拆包、校验、重发请求等。

　　模块的核心MCU采用51系列单片机。为了工业性能的保证，在实际设计中，我们采用的是WINBOND（华邦）78LE54系列[2]，具备有8-bit CMOS微控制器，兼容2.4-5.5V的宽电压供电，256Bytes的片内RAM，16KB的Flash EPROM，64KB的寻址能力，四个8Bit标准I\O口，一个标准输入输出双工串口。

　　单片机工作晶振频率为22.1184MHz。为匹配无线收发芯片nRF905的逻辑电平，单片机采用3.3V供电。为了保证单片机运行的稳定性，对悬空的引脚均接入Vcc进行保护。

　　（3）多能电源管理模块

　　多能电源管理模块的最大特点是兼容8V-24V的宽电压范围输入供电，为各模块提供合适和稳定的工作电源，包括CMOS电源和TTL电源等自组网，分别为5V和3.3V论文格式模板。特别加入了电子开关功能，在实际应用中可以由其它上层系统控制电源的供电与否，在节省能耗方面有很大的意义。模块主要由电源转换芯片C851414和AS-1117-3.3构成。C851414先完成8V—24V到5V的电压转换，再由AS-1117-3.3进行5V到3.3V的二次转换。为优化电源的纹波特性，电路加入了适当的滤波电容和电感。

　　（4）通用串行接口模块

　　通用串行接口模块用于连接通用终端设备，如数字信号输出设备或者是带有AD转换的模拟量采集设备。同时提供通用的RS232串行接口，为计算机终端的数据交换提供入口。硬件电路主要由RS232接口驱动芯片MAX232和RS232标准九针接口构成。

　　（5）数据缓冲及储存模块

　　数据缓冲及存储模块主要有数据缓冲和数据存储两大功能。数据缓冲和存储任务分别由32KByte的RAM和16KByte的EEPROM担任。数据缓冲区用于临时数据的缓存，如转发数据、待传和待收队列中的数据；数据存储区用于系统一些固定信息进行的储存，如路由信息、本机名称、本机地址和断电保护还原信息等。

　　5系统测试

　　任选两个节点之间的通信都可以以点对点之间的通信为模型进行测试。在稳定性测试中，我们对系统进行为期一周的不间断随机收发运行试验，未出现死机和丢包、错包现象。

　　在误码率测试中，由于系统加入了完善的校验和错误重传机制，在长达一周的稳定性、可靠性测试中，尚未发现有误码情况。在系统最大的工作负荷下，通过对示波器所侦测的多个数据帧进行如下的分析计算：速率=有效数据/传输时间，测得无线收发的数据传输速率为16kbps。

　　6结束语

　　本文开发了基于nRF905无线收发芯片和51系列单片机为硬件核心的低功耗、高性能的无线数据通信系统，为在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供一种实时性较高、数据量较小的无线数据通信的理想解决方案。可广泛应用在各类数据无线通信、环境监测、安防系统等多个领域。我们相信只要通过对软件的进一步细化和完善，便可在该系统上实现更加完整智能化的通信协议。

　　参考文献

　　[1]Nordic VLSI.Data sheets for nRF905Multiband Transceiver.2005

　　[2]http://batescomponents.com/catalog/parts/78LE54-24.html

　　[3]徐爱均彭秀华编着.Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程应用实践.北京：电子工业出版社.2000

　　[4]Popa, M.Popa, A.S.; Cretu, V.; Micea,M.; “Monitoring Serial Communications in Microcontroller Based Embedded SystemsComputer Engineering and Systems”, The 2006International Conference on，Nov. 2006 Page(s):56 - 61

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