基于nRF24L01的移動(dòng)數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

曹青梅，徐立友，曹艷玲，席志強(qiáng)

(河南科技大學(xué) 車輛與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 洛陽471003)

利用無線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸具有便捷、成本低、適合可移動(dòng)設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于各種手持式儀器、儀表以及其他不便于布線的嵌入式系統(tǒng)。本文采用無線射頻收發(fā)芯片nRF24L01組建了可以點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)之間數(shù)據(jù)短距離傳輸?shù)男∫?guī)模通訊網(wǎng)，并利用時(shí)分技術(shù)和跳頻技術(shù)使網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)之間以及不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳遞互不干擾，保證了數(shù)據(jù)傳遞的可靠性。

1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

移動(dòng)數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)由移動(dòng)數(shù)據(jù)終端、無線數(shù)據(jù)接收主機(jī)、數(shù)據(jù)處理主機(jī)三部分組成，如圖1所示。移動(dòng)數(shù)據(jù)終端與無線數(shù)據(jù)接收主機(jī)采用星形組網(wǎng)方式，構(gòu)成點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)雙向傳輸。無線數(shù)據(jù)接收主機(jī)與數(shù)據(jù)處理主機(jī)采用局域網(wǎng)連接，無線數(shù)據(jù)接收主機(jī)接收到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)處理主機(jī)的數(shù)據(jù)庫，并由數(shù)據(jù)處理主機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理主機(jī)還可以通過無線數(shù)據(jù)接收機(jī)向移動(dòng)數(shù)據(jù)終端發(fā)送數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)終端的管理和控制。

移動(dòng)數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)也可以通過建立不同工作頻率的子網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行擴(kuò)展。圖1中網(wǎng)絡(luò)1內(nèi)的移動(dòng)數(shù)據(jù)終端和無線數(shù)據(jù)接收主機(jī)使用同一初始工作頻率和跳頻表，網(wǎng)絡(luò)2使用與網(wǎng)絡(luò)1不同的頻率和跳頻表，從而使兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通訊互不干擾。采用這種允許多個(gè)不同頻率的網(wǎng)絡(luò)同時(shí)進(jìn)行通訊的擴(kuò)展方式可以增加網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)數(shù)據(jù)終端的數(shù)量，縮短子網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)接收主機(jī)的輪詢時(shí)間，從而提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作效率。

2 nRF24L01芯片特點(diǎn)和工作原理

nRF24L01無線通訊芯片工作在 2.4 GHz～2.52 GHz免許可證ISM頻段，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)；工作頻率可分為125個(gè)信道，支持高速跳頻，能夠在全球無線市場暢通無阻。nRF2401支持多點(diǎn)間通訊，最高傳輸速率達(dá)1 Mb/s。同時(shí)nRF2401芯片能耗非常低，其工作電壓為 1.9 V～3.6 V，以 0 dBm的功率、1 Mb/s的傳輸速率發(fā)射時(shí)，工作電流只有11.3 mA，接收時(shí)工作電流只有11.7 mA，待機(jī)模式下狀態(tài)為 22 μA；掉電模式下為900 nA[1，2]。nRF24L01 是目前體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級(jí)芯片之一。

nRF24L01一般常采用突發(fā)工作模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí),首先將芯片配置為發(fā)射模式，并把發(fā)射地址和數(shù)據(jù)從微控制器送入nRF24L01片內(nèi)的FIFO堆棧區(qū)。nRF24L01在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)給所發(fā)射數(shù)據(jù)加上字頭、地址和CRC校驗(yàn)碼，然后高速發(fā)射。如果開啟了芯片自動(dòng)應(yīng)答功能，則nRF24L01芯片在發(fā)射完數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，以接收應(yīng)答信號(hào)。如果收到應(yīng)答，則此次通訊成功；如果未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射，若重發(fā)次數(shù)達(dá)到設(shè)定的上限，配置寄存器的MAX_RT位置高，表明通訊失敗。

nRF24L01接收數(shù)據(jù)時(shí)，需先配置為接收模式，延遲130 μs之后即進(jìn)入接收狀態(tài)。當(dāng) nRF24L01接收到數(shù)據(jù)時(shí)，若檢測到有效的地址和CRC校驗(yàn)碼時(shí)，便自動(dòng)把數(shù)據(jù)中字頭和CRC校驗(yàn)碼移去，并把有效數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在接收堆棧中。如果自動(dòng)應(yīng)答開啟，接收方同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。接收過程完成后，nRF24L01通知微控制器讀取數(shù)據(jù)。

nRF24L01射頻協(xié)議可以通過SPI口對(duì)芯片的配置寄存器寫入相應(yīng)的配置字來體現(xiàn)。突發(fā)模式的配置字共有30 B，主要用于設(shè)置工作模式、傳輸數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、地址、通道、發(fā)射頻率、發(fā)射功率、CRC、工作狀態(tài)、自動(dòng)應(yīng)答使能、自動(dòng)重發(fā)的次數(shù)等。配置完成后，在nRF24L01工作的過程中，只需改變其REXN配置寄存器相應(yīng)位的內(nèi)容，就可以實(shí)現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間的切換。

3 移動(dòng)數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì)

3.1 移動(dòng)數(shù)據(jù)終端硬件設(shè)計(jì)

移動(dòng)數(shù)據(jù)終端的系統(tǒng)硬件由單片機(jī)、nRF24L01無線射頻模塊、液晶顯示模塊、信息數(shù)據(jù)采集（包括采集傳感器信號(hào)和按鍵信號(hào)）模塊和電源模塊組成。nRF24L01無線射頻模塊的外圍電路如圖2所示。nRF24L01無線射頻模塊與微控制器相連接的引腳有 CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRO。CE決定是否允許收發(fā)信號(hào)。CSN為芯片內(nèi)部SPI硬件接口的使能端，低電平有效，SCK為SPI的時(shí)鐘輸入端，MOSI為SPI接口的數(shù)據(jù)輸入端，MISO為SPI接口的數(shù)據(jù)輸出端，IRQ為中斷請(qǐng)求端，nRF24L01輸出3種中斷請(qǐng)求：發(fā)送數(shù)據(jù)完成中斷、接收數(shù)據(jù)完成中斷和重發(fā)次數(shù)超限中斷。這些引腳可以與3.3 V供電的微控制器的普通I/O口直接相連，對(duì)于5 V供電的微控制器，則需要串聯(lián)2 kΩ的限流電阻。

3.2 通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)

移動(dòng)數(shù)據(jù)終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允菬o線通訊系統(tǒng)必須要解決的問題。雖然nRF24L01內(nèi)部通訊協(xié)議中的差錯(cuò)重傳機(jī)制對(duì)接收的每個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行片內(nèi)CRC校驗(yàn)，可以保證接收數(shù)據(jù)的正確性。但在多機(jī)無線數(shù)據(jù)通訊組網(wǎng)中，會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)內(nèi)多機(jī)通訊中多點(diǎn)接入沖突、不同網(wǎng)絡(luò)間同頻率干擾、以及其他應(yīng)用電路和外界的噪聲干擾，或者元器件老化導(dǎo)致的信號(hào)衰減等造成傳輸過程中數(shù)據(jù)丟失[3]。針對(duì)上述問題，可以分別通過制定合理的通訊協(xié)議進(jìn)行解決。

網(wǎng)內(nèi)多機(jī)通訊過程中，由于從機(jī)的頻率是相同的，如果遇到多個(gè)從機(jī)同時(shí)發(fā)射數(shù)據(jù)就會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)內(nèi)同頻干擾。采用時(shí)分技術(shù)，通過無線數(shù)據(jù)接收主機(jī)掃描輪詢網(wǎng)內(nèi)移動(dòng)數(shù)據(jù)終端的方法，可以實(shí)現(xiàn)同一時(shí)間點(diǎn)接收主機(jī)接收數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通訊，從而解決多點(diǎn)接入沖突。移動(dòng)數(shù)據(jù)終端將需要發(fā)射的數(shù)據(jù)存在發(fā)射寄存器內(nèi)，先將數(shù)據(jù)終端設(shè)為接收狀態(tài)，一旦接收到無線數(shù)據(jù)接收主機(jī)發(fā)送的廣播信息就與本機(jī)的機(jī)器碼相對(duì)照，如果機(jī)器碼不對(duì)應(yīng)則繼續(xù)接收，如果與本機(jī)機(jī)器碼一致則立即進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)將存在發(fā)射寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)射出去，同時(shí)檢測應(yīng)答信號(hào)ACK。如果發(fā)射成功則進(jìn)入待機(jī)模式，等待需要發(fā)射的數(shù)據(jù)，否則重新發(fā)射。

由于移動(dòng)數(shù)據(jù)終端工作在免許可證ISM頻段，所以就有與周圍其他的無線射頻設(shè)備出現(xiàn)同頻的可能。為了避免不同網(wǎng)絡(luò)間同頻率干擾，移動(dòng)數(shù)據(jù)終端采用跳頻的方法，選取通訊質(zhì)量好的頻點(diǎn)來替換被干擾的頻點(diǎn)。相對(duì)于軍事用途的無線通訊系統(tǒng)，移動(dòng)數(shù)據(jù)終端所受的干擾是隨機(jī)和無意識(shí)的[4]，所以可以采用比較簡單的自適應(yīng)跳頻協(xié)議[5-6]。在通訊的空閑階段，無線數(shù)據(jù)接收主機(jī)向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動(dòng)數(shù)據(jù)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)幀，同時(shí)檢測反饋信號(hào)。如果沒有收到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動(dòng)數(shù)據(jù)終端的有效信號(hào)，則丟幀計(jì)數(shù)值加1。當(dāng)丟幀計(jì)數(shù)值在設(shè)定時(shí)間內(nèi)大于規(guī)定值，則認(rèn)為目前的信道質(zhì)量不佳，無線數(shù)據(jù)接收主機(jī)向網(wǎng)內(nèi)的發(fā)送數(shù)據(jù)終端廣播信息進(jìn)行跳頻。如果終端節(jié)點(diǎn)與主機(jī)失去聯(lián)系，則按照事先設(shè)定的跳頻表切換信道，以捕獲接收主機(jī)的信標(biāo)幀信息。

3.3 移動(dòng)數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)數(shù)據(jù)終端通訊網(wǎng)絡(luò)的軟件部分主要包括主程序、初始化程序、跳頻處理子程序、信息處理子程序等，通過主程序?qū)Ω髯映绦虻恼{(diào)用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體功能。

初始化程序的主要功能是設(shè)置數(shù)據(jù)終端和接收主機(jī)的工作模式、數(shù)據(jù)通道、接收地址、CRC模式、重發(fā)次數(shù)、發(fā)射功率和初始握手頻率。信息處理子程序的功能是信息采集、顯示和存儲(chǔ)，采用中斷觸發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。接收主機(jī)跳頻處理子程序的功能是在系統(tǒng)初始化后，通過輪詢的方法檢測反饋信號(hào)，如果系統(tǒng)輪詢丟幀計(jì)數(shù)值大于規(guī)定值或數(shù)次輪詢反饋信號(hào)出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象，則判斷出現(xiàn)干擾頻率，根據(jù)跳頻表重新設(shè)置系統(tǒng)通訊頻率。移動(dòng)數(shù)據(jù)終端的跳頻處理子程序的功能是在系統(tǒng)初始化后檢測接收主機(jī)的信號(hào)，如果在一定時(shí)間內(nèi)檢測不到主機(jī)信號(hào)，則按跳頻表切換信道，直到檢測到主機(jī)的握手信號(hào)為止。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

在數(shù)據(jù)終端和接收主機(jī)初始化并相互檢測握手信號(hào)之后，數(shù)據(jù)終端處于接收模式，接收主機(jī)處于發(fā)射模式并發(fā)射帶有數(shù)據(jù)終端號(hào)碼的廣播輪詢信號(hào)。數(shù)據(jù)終端接收到廣播信號(hào)后與自己的機(jī)器碼對(duì)照，若不對(duì)應(yīng)則丟棄此信息并繼續(xù)保持接收狀態(tài)，若機(jī)器碼對(duì)應(yīng)，則根據(jù)目前是否有需要發(fā)射的信息向主機(jī)發(fā)射數(shù)據(jù)信息或僅發(fā)射響應(yīng)信號(hào)。信號(hào)發(fā)射完畢后，數(shù)據(jù)終端回到接收模式。主機(jī)接收到數(shù)據(jù)信號(hào)，即立即向數(shù)據(jù)終端發(fā)射響應(yīng)信號(hào)并向上位機(jī)傳遞數(shù)據(jù)，若僅接收到數(shù)據(jù)終端的響應(yīng)信號(hào)或在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未接收到信號(hào)則將數(shù)據(jù)終端機(jī)器碼的地址指針加1開始下一輪詢問。數(shù)據(jù)終端發(fā)射數(shù)據(jù)信息之后需要等待主機(jī)的反饋信號(hào)，若接收到反饋信號(hào)則顯示發(fā)射完成，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未接收到反饋信號(hào)則提示發(fā)射超時(shí)，信息需要在下一次輪詢過程中重新發(fā)射。

基于nRF24L01的移動(dòng)數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成功應(yīng)用于科研評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的評(píng)委分?jǐn)?shù)采集。移動(dòng)數(shù)據(jù)終端經(jīng)過測試，可靠的數(shù)據(jù)傳輸距離在70 m以上；輪詢子網(wǎng)內(nèi)60臺(tái)移動(dòng)數(shù)據(jù)終端時(shí)，無線數(shù)據(jù)接收主機(jī)所用時(shí)間不超過1 s；通過設(shè)置不同初始頻率和跳頻技術(shù)的應(yīng)用，在同一地點(diǎn)可以允許同時(shí)存在多個(gè)移動(dòng)數(shù)據(jù)終端的通訊子網(wǎng)絡(luò)。測試結(jié)果表明本文所提出的軟硬件設(shè)計(jì)方案能夠滿足近距離無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰?/p>

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