基于CC1101的時分多址接入系統(tǒng)設計

朱秋君+李立+單志林

摘 要：針對節(jié)點規(guī)模眾多的低功耗無線傳感網(wǎng)絡中相鄰鏈路之間易沖突的難題，提出了一種時分多址的無線通訊設計方案。該方案采用分網(wǎng)絡時隙的通訊設計，終端節(jié)點只在自身的網(wǎng)絡時隙內(nèi)向集中器上報。經(jīng)過大量的實驗分析和測試證實，該方案可大大提高節(jié)點眾多的低功耗無線網(wǎng)絡的防沖突能力，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關鍵詞：時分多址；CC1101；低功耗；無線傳感網(wǎng)

中圖分類號：TN914文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）07-0052-04

0引言

在終端節(jié)點眾多，通訊傳輸范圍較大的基于CC1101的低功耗無線傳感網(wǎng)絡中，由于無線信道的共享特性，當相鄰的鏈路上同時進行數(shù)據(jù)通訊時，鏈路之間易相互干擾而產(chǎn)生沖突。無線網(wǎng)絡中通道防沖突的能力直接依賴于媒體接入控制（Medium Access Control， MAC）協(xié)議如何管理信道資源。為了實現(xiàn)整個網(wǎng)絡能夠長期有效的工作，如何在為終端節(jié)點提供足夠的、長期的能量的前提下進行防沖突設計成為重中之重。

1時分多址技術

時分多址（Time Division Multiple Access， TDMA）技術，是把通信系統(tǒng)的工作時間分割成周期性互不重疊的時間段，再將每個時間段的時間劃分成若干個小段，每小段稱為一個時隙，每一個用戶都在指定的時隙里接通信道，其他的用戶在另外的所指定的時隙里接通信道[1,2]。TDMA方式最初用于衛(wèi)星通信中，現(xiàn)在也逐漸使用于其它的各種通信場合，可大大提高網(wǎng)絡的通訊速率，可靠性和網(wǎng)絡容納量。

將時分多址的技術引入到低功耗無線傳感網(wǎng)絡設計中，由集中器將工作時間分割成周期性互不重疊的時間段，再將每個時間段劃分成若干時隙，終端節(jié)點在每個時間段的所分配的固定時隙加入網(wǎng)絡或者上報數(shù)據(jù)，可提高無線網(wǎng)絡的通訊速率、可靠性和網(wǎng)絡容納性。

2系統(tǒng)架構

整個通信網(wǎng)絡系統(tǒng)由上位機（遠程監(jiān)控終端）、集中器和終端節(jié)點所組成，其系統(tǒng)架構如圖1所示。其中，終端節(jié)點可以作為傳感器節(jié)點（采集溫度、濕度、電池電量、或地磁等信息）通過自組網(wǎng)的方式搜索加入合適的集中器的網(wǎng)絡后，定時或節(jié)點滿足一定上報條件時在自身上報時隙內(nèi)向網(wǎng)內(nèi)集中器上報數(shù)據(jù)，集中器接收網(wǎng)內(nèi)終端節(jié)點上報的數(shù)據(jù)，進行整理，在收到上位機的輪詢命令后，再將數(shù)據(jù)上傳給上位機進行處理、記錄和顯示。系統(tǒng)中包含無線和485有線通訊網(wǎng)絡，其中集中器同上位機之間采用485總線進行通信，而集中器同終端節(jié)點之間則是使用CC1101射頻模塊通過無線信號進行通信。

3硬件設計

集中器和終端節(jié)點的微處理器均選用MSP430G2553作為核心控制單元。MSP430G2553是一款16位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器，休眠模式下僅0.5 uA，外設功能豐富，而且具有UART、SPI、I2C等接口， 便于通信模塊與外部系統(tǒng)互聯(lián)，并具有24個IO口、10位AD、定時器，以及16 KB的FLASH[3]，滿足用戶對通信模塊的擴展需求，適于用戶根據(jù)需求定制或編寫通信協(xié)議。

圖1系統(tǒng)整體結構圖

集中器和終端節(jié)點進行無線通訊的無線模塊選用TI公司的無線射頻芯片CC1101，該無線通訊模塊具有高靈敏度、低功耗、低成本、低誤碼率、支持無線傳感網(wǎng)絡等優(yōu)勢[4]。除了微處理器模塊和無線收發(fā)模塊外，系統(tǒng)中還包括有電源和電源管理模塊，以及485轉換模塊等，這里不再贅述。

4軟件設計

集中器同終端節(jié)點之間采用時分多址的方式進行通訊，其具體過程是：集中器定時向外廣播發(fā)送一幀網(wǎng)絡信標（周期為T），根據(jù)時分多址將信標周期T等分為n個網(wǎng)絡時隙，每個網(wǎng)絡時隙為Δt，將第一個網(wǎng)絡時隙Δt預留下來給未入網(wǎng)的終端節(jié)點入網(wǎng)交互，其余的Δt分配給已加入網(wǎng)絡分配有網(wǎng)絡編號的終端節(jié)點根據(jù)自身網(wǎng)絡編號（網(wǎng)絡編號是在終端節(jié)點加入集中器網(wǎng)絡時，集中器所分配的）進行數(shù)據(jù)交互。圖2所示為不同頻點的集中器按照時分多址的方式同終端節(jié)點進行通訊的示意圖。

圖2集中器基站同終端節(jié)點時分多址通訊的示意圖

另外，根據(jù)自組網(wǎng)通訊方式的設計，可以通過增加集中器的個數(shù)，擴充系統(tǒng)的規(guī)模。系統(tǒng)中可設置多個集中器，每個集中器的無線通訊的頻段不同，終端節(jié)點可通過掃頻的方式搜索加入合適規(guī)模的集中器的網(wǎng)絡，每個由不同頻段集中器組建的通訊網(wǎng)絡都是互不干擾的，即使通訊中有終端節(jié)點由于意外脫離了網(wǎng)絡，也可以通過掃頻重新加入網(wǎng)絡。圖3所示為終端節(jié)點的工作流程圖，圖4所示則是時分多址的相關流程圖，集中器的工作流程相對簡單，這里不再贅述。事實上，這里的節(jié)點工作的流程也進行了一定的簡化，所有的處理都是在秒中斷、無線接收中斷和時隙定時器中斷子程序中進行的，節(jié)點大絕大多數(shù)時間都處于低功耗3的狀態(tài)下，這樣可以大大的降低節(jié)點的功耗。

圖3終端節(jié)點工作流程圖

時分多址應用設計的關鍵在于Δt和無線數(shù)據(jù)傳輸率Data·rate的選擇。在Δt時間內(nèi)，需要完成終端節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)幀或上報數(shù)據(jù)幀給集中器，以及集中器接收到數(shù)據(jù)后還要對終端節(jié)點進行回復的過程，若設這個過程的時間為TAll，那么，要保證通訊的正常，則必須滿足Δt > TAll。這里：

（1）

其中TT為終端節(jié)點或集中器發(fā)送數(shù)據(jù)所花費時間，TR為終端節(jié)點接收數(shù)據(jù)所花費時間，TDeal是集中器處理時間的時間。另外，TR≈TT，TDeal約為2 ms，則TAll≈3TT+2 ms。根據(jù)TT同無線通訊Data·rate之間的關系，可以得出如下公式：

（2）

其中，LJ為終端節(jié)點所發(fā)送的字節(jié)長度，包括前導碼4個字節(jié)、同步字4個字節(jié)、長度字1個字節(jié)、有效負載7個字節(jié)和CRC校驗2個字節(jié)，共計18個字節(jié)。這樣，將式（2）帶入式（1）中可得：

（3）

由上面的公式可知，時隙Δt的選擇跟Date·rate成反比關系，Δt選擇越小，要求Data·rate越大；另外，當時，隙Δt選擇的越小，在一定的信標周期內(nèi)，系統(tǒng)的容納量越大，但是，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也越差。因此，對于時隙Δt選取要謹慎，通常可通過測試進行選取。

5系統(tǒng)測試結果

針對波特率分別為10、38.4、100 Kb/s時的不同時隙進行測試的結果如表1所列。

表1波特率分別為10、38.4、100 Kb/s時的測試結果

Date rate Kb/s 時隙（Δt）ms 定時器比較值 測試結果

10 ≥15 491 正常

38.4 ≥13 425 正常

100 ≥12 393 正常

如表1可知，當時隙選擇在大于15 ms時，時分多址系統(tǒng)在三種波特率下均可運行。

另外，搭建使用時分多址接入技術的1個集中器帶50個終端節(jié)點的無線傳感系統(tǒng)進行長時間的運行，使無線通訊波特率選擇38.4 Kb/s（選擇10 Kb/s波特率數(shù)據(jù)傳輸太慢，選擇100 Kb/s數(shù)據(jù)傳輸距離有局限性，因此，選擇居中的38.4 Kb/s），將時隙Δt分別定為20 ms、30 ms和40 ms，分別對不同時隙下的系統(tǒng)穩(wěn)定性進行測試，其測試結果如表2所列。

表220 ms、30 ms和40 ms不同時

隙下系統(tǒng)穩(wěn)定性的測試結果

時隙（Δt） 信標周期 測試結果

20 ms 1 000 ms 大量節(jié)點掉線后重新入網(wǎng)

30 ms 2 000 ms 少數(shù)節(jié)點掉線后重新入網(wǎng)

40 ms 3 000 ms 無節(jié)點掉線，通訊正常

6結語

根據(jù)本文的測試數(shù)據(jù)，說明選擇波特率、時隙和信標周期在38.4 Kb/s、40 ms和3 s時，能獲得很穩(wěn)定的測試結果。實際使用證明，將該無線接入技術應用于智能停車管理系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性均獲得了良好的應用效果。

參 考 文 獻

[1]徐明霞.Ad hoc 網(wǎng)絡中的時分多址接入及跨層設計研究[D].杭州：浙江大學，2007.

[2]劉芳.移動自組織網(wǎng)絡動態(tài)時隙分配算法研究[D]. 西安：西安電子科技大學，2011.

[3] Texas Instruments Inc. MSP430x2xx Family Users Guide[EB/OL]. http：//www.ti.com.cn/cn /lit/ug/slau144j/slau144j.pdf.

[4] Texas Instruments Inc. CC1101 Low-Power Sub-1 GHz RF Transceiver[EB/OL]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc1101.pdf.

[5]劉樂群.無線傳感網(wǎng)中的動態(tài)信道分配DCA-PC[J]. 電子與電腦，2006（7）：123-125.

[6]惠鏸，王靜，李琦，無線傳感網(wǎng)絡的MAC地址分配與更新算法[J].計算機工程， 2012（22）：77-81.

作者簡介：朱秋君（1986—），女，碩士，助理工程師。主要研究方向為無線傳感網(wǎng)絡。

————————————————

收稿日期：2014-03-31

摘 要：針對節(jié)點規(guī)模眾多的低功耗無線傳感網(wǎng)絡中相鄰鏈路之間易沖突的難題，提出了一種時分多址的無線通訊設計方案。該方案采用分網(wǎng)絡時隙的通訊設計，終端節(jié)點只在自身的網(wǎng)絡時隙內(nèi)向集中器上報。經(jīng)過大量的實驗分析和測試證實，該方案可大大提高節(jié)點眾多的低功耗無線網(wǎng)絡的防沖突能力，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關鍵詞：時分多址；CC1101；低功耗；無線傳感網(wǎng)

中圖分類號：TN914文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）07-0052-04

0引言

在終端節(jié)點眾多，通訊傳輸范圍較大的基于CC1101的低功耗無線傳感網(wǎng)絡中，由于無線信道的共享特性，當相鄰的鏈路上同時進行數(shù)據(jù)通訊時，鏈路之間易相互干擾而產(chǎn)生沖突。無線網(wǎng)絡中通道防沖突的能力直接依賴于媒體接入控制（Medium Access Control， MAC）協(xié)議如何管理信道資源。為了實現(xiàn)整個網(wǎng)絡能夠長期有效的工作，如何在為終端節(jié)點提供足夠的、長期的能量的前提下進行防沖突設計成為重中之重。

1時分多址技術

時分多址（Time Division Multiple Access， TDMA）技術，是把通信系統(tǒng)的工作時間分割成周期性互不重疊的時間段，再將每個時間段的時間劃分成若干個小段，每小段稱為一個時隙，每一個用戶都在指定的時隙里接通信道，其他的用戶在另外的所指定的時隙里接通信道[1,2]。TDMA方式最初用于衛(wèi)星通信中，現(xiàn)在也逐漸使用于其它的各種通信場合，可大大提高網(wǎng)絡的通訊速率，可靠性和網(wǎng)絡容納量。

將時分多址的技術引入到低功耗無線傳感網(wǎng)絡設計中，由集中器將工作時間分割成周期性互不重疊的時間段，再將每個時間段劃分成若干時隙，終端節(jié)點在每個時間段的所分配的固定時隙加入網(wǎng)絡或者上報數(shù)據(jù)，可提高無線網(wǎng)絡的通訊速率、可靠性和網(wǎng)絡容納性。

2系統(tǒng)架構

整個通信網(wǎng)絡系統(tǒng)由上位機（遠程監(jiān)控終端）、集中器和終端節(jié)點所組成，其系統(tǒng)架構如圖1所示。其中，終端節(jié)點可以作為傳感器節(jié)點（采集溫度、濕度、電池電量、或地磁等信息）通過自組網(wǎng)的方式搜索加入合適的集中器的網(wǎng)絡后，定時或節(jié)點滿足一定上報條件時在自身上報時隙內(nèi)向網(wǎng)內(nèi)集中器上報數(shù)據(jù)，集中器接收網(wǎng)內(nèi)終端節(jié)點上報的數(shù)據(jù)，進行整理，在收到上位機的輪詢命令后，再將數(shù)據(jù)上傳給上位機進行處理、記錄和顯示。系統(tǒng)中包含無線和485有線通訊網(wǎng)絡，其中集中器同上位機之間采用485總線進行通信，而集中器同終端節(jié)點之間則是使用CC1101射頻模塊通過無線信號進行通信。

3硬件設計

集中器和終端節(jié)點的微處理器均選用MSP430G2553作為核心控制單元。MSP430G2553是一款16位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器，休眠模式下僅0.5 uA，外設功能豐富，而且具有UART、SPI、I2C等接口， 便于通信模塊與外部系統(tǒng)互聯(lián)，并具有24個IO口、10位AD、定時器，以及16 KB的FLASH[3]，滿足用戶對通信模塊的擴展需求，適于用戶根據(jù)需求定制或編寫通信協(xié)議。

圖1系統(tǒng)整體結構圖

集中器和終端節(jié)點進行無線通訊的無線模塊選用TI公司的無線射頻芯片CC1101，該無線通訊模塊具有高靈敏度、低功耗、低成本、低誤碼率、支持無線傳感網(wǎng)絡等優(yōu)勢[4]。除了微處理器模塊和無線收發(fā)模塊外，系統(tǒng)中還包括有電源和電源管理模塊，以及485轉換模塊等，這里不再贅述。

4軟件設計

集中器同終端節(jié)點之間采用時分多址的方式進行通訊，其具體過程是：集中器定時向外廣播發(fā)送一幀網(wǎng)絡信標（周期為T），根據(jù)時分多址將信標周期T等分為n個網(wǎng)絡時隙，每個網(wǎng)絡時隙為Δt，將第一個網(wǎng)絡時隙Δt預留下來給未入網(wǎng)的終端節(jié)點入網(wǎng)交互，其余的Δt分配給已加入網(wǎng)絡分配有網(wǎng)絡編號的終端節(jié)點根據(jù)自身網(wǎng)絡編號（網(wǎng)絡編號是在終端節(jié)點加入集中器網(wǎng)絡時，集中器所分配的）進行數(shù)據(jù)交互。圖2所示為不同頻點的集中器按照時分多址的方式同終端節(jié)點進行通訊的示意圖。

圖2集中器基站同終端節(jié)點時分多址通訊的示意圖

另外，根據(jù)自組網(wǎng)通訊方式的設計，可以通過增加集中器的個數(shù)，擴充系統(tǒng)的規(guī)模。系統(tǒng)中可設置多個集中器，每個集中器的無線通訊的頻段不同，終端節(jié)點可通過掃頻的方式搜索加入合適規(guī)模的集中器的網(wǎng)絡，每個由不同頻段集中器組建的通訊網(wǎng)絡都是互不干擾的，即使通訊中有終端節(jié)點由于意外脫離了網(wǎng)絡，也可以通過掃頻重新加入網(wǎng)絡。圖3所示為終端節(jié)點的工作流程圖，圖4所示則是時分多址的相關流程圖，集中器的工作流程相對簡單，這里不再贅述。事實上，這里的節(jié)點工作的流程也進行了一定的簡化，所有的處理都是在秒中斷、無線接收中斷和時隙定時器中斷子程序中進行的，節(jié)點大絕大多數(shù)時間都處于低功耗3的狀態(tài)下，這樣可以大大的降低節(jié)點的功耗。

圖3終端節(jié)點工作流程圖

時分多址應用設計的關鍵在于Δt和無線數(shù)據(jù)傳輸率Data·rate的選擇。在Δt時間內(nèi)，需要完成終端節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)幀或上報數(shù)據(jù)幀給集中器，以及集中器接收到數(shù)據(jù)后還要對終端節(jié)點進行回復的過程，若設這個過程的時間為TAll，那么，要保證通訊的正常，則必須滿足Δt > TAll。這里：

（1）

其中TT為終端節(jié)點或集中器發(fā)送數(shù)據(jù)所花費時間，TR為終端節(jié)點接收數(shù)據(jù)所花費時間，TDeal是集中器處理時間的時間。另外，TR≈TT，TDeal約為2 ms，則TAll≈3TT+2 ms。根據(jù)TT同無線通訊Data·rate之間的關系，可以得出如下公式：

（2）

其中，LJ為終端節(jié)點所發(fā)送的字節(jié)長度，包括前導碼4個字節(jié)、同步字4個字節(jié)、長度字1個字節(jié)、有效負載7個字節(jié)和CRC校驗2個字節(jié)，共計18個字節(jié)。這樣，將式（2）帶入式（1）中可得：

（3）

由上面的公式可知，時隙Δt的選擇跟Date·rate成反比關系，Δt選擇越小，要求Data·rate越大；另外，當時，隙Δt選擇的越小，在一定的信標周期內(nèi)，系統(tǒng)的容納量越大，但是，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也越差。因此，對于時隙Δt選取要謹慎，通?？赏ㄟ^測試進行選取。

5系統(tǒng)測試結果

針對波特率分別為10、38.4、100 Kb/s時的不同時隙進行測試的結果如表1所列。

表1波特率分別為10、38.4、100 Kb/s時的測試結果

Date rate Kb/s 時隙（Δt）ms 定時器比較值 測試結果

10 ≥15 491 正常

38.4 ≥13 425 正常

100 ≥12 393 正常

如表1可知，當時隙選擇在大于15 ms時，時分多址系統(tǒng)在三種波特率下均可運行。

另外，搭建使用時分多址接入技術的1個集中器帶50個終端節(jié)點的無線傳感系統(tǒng)進行長時間的運行，使無線通訊波特率選擇38.4 Kb/s（選擇10 Kb/s波特率數(shù)據(jù)傳輸太慢，選擇100 Kb/s數(shù)據(jù)傳輸距離有局限性，因此，選擇居中的38.4 Kb/s），將時隙Δt分別定為20 ms、30 ms和40 ms，分別對不同時隙下的系統(tǒng)穩(wěn)定性進行測試，其測試結果如表2所列。

表220 ms、30 ms和40 ms不同時

隙下系統(tǒng)穩(wěn)定性的測試結果

時隙（Δt） 信標周期 測試結果

20 ms 1 000 ms 大量節(jié)點掉線后重新入網(wǎng)

30 ms 2 000 ms 少數(shù)節(jié)點掉線后重新入網(wǎng)

40 ms 3 000 ms 無節(jié)點掉線，通訊正常

6結語

根據(jù)本文的測試數(shù)據(jù)，說明選擇波特率、時隙和信標周期在38.4 Kb/s、40 ms和3 s時，能獲得很穩(wěn)定的測試結果。實際使用證明，將該無線接入技術應用于智能停車管理系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性均獲得了良好的應用效果。

參 考 文 獻

[1]徐明霞.Ad hoc 網(wǎng)絡中的時分多址接入及跨層設計研究[D].杭州：浙江大學，2007.

[2]劉芳.移動自組織網(wǎng)絡動態(tài)時隙分配算法研究[D]. 西安：西安電子科技大學，2011.

[3] Texas Instruments Inc. MSP430x2xx Family Users Guide[EB/OL]. http：//www.ti.com.cn/cn /lit/ug/slau144j/slau144j.pdf.

[4] Texas Instruments Inc. CC1101 Low-Power Sub-1 GHz RF Transceiver[EB/OL]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc1101.pdf.

[5]劉樂群.無線傳感網(wǎng)中的動態(tài)信道分配DCA-PC[J]. 電子與電腦，2006（7）：123-125.

[6]惠鏸，王靜，李琦，無線傳感網(wǎng)絡的MAC地址分配與更新算法[J].計算機工程， 2012（22）：77-81.

作者簡介：朱秋君（1986—），女，碩士，助理工程師。主要研究方向為無線傳感網(wǎng)絡。

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收稿日期：2014-03-31

摘 要：針對節(jié)點規(guī)模眾多的低功耗無線傳感網(wǎng)絡中相鄰鏈路之間易沖突的難題，提出了一種時分多址的無線通訊設計方案。該方案采用分網(wǎng)絡時隙的通訊設計，終端節(jié)點只在自身的網(wǎng)絡時隙內(nèi)向集中器上報。經(jīng)過大量的實驗分析和測試證實，該方案可大大提高節(jié)點眾多的低功耗無線網(wǎng)絡的防沖突能力，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關鍵詞：時分多址；CC1101；低功耗；無線傳感網(wǎng)

中圖分類號：TN914文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）07-0052-04

0引言

在終端節(jié)點眾多，通訊傳輸范圍較大的基于CC1101的低功耗無線傳感網(wǎng)絡中，由于無線信道的共享特性，當相鄰的鏈路上同時進行數(shù)據(jù)通訊時，鏈路之間易相互干擾而產(chǎn)生沖突。無線網(wǎng)絡中通道防沖突的能力直接依賴于媒體接入控制（Medium Access Control， MAC）協(xié)議如何管理信道資源。為了實現(xiàn)整個網(wǎng)絡能夠長期有效的工作，如何在為終端節(jié)點提供足夠的、長期的能量的前提下進行防沖突設計成為重中之重。

1時分多址技術

時分多址（Time Division Multiple Access， TDMA）技術，是把通信系統(tǒng)的工作時間分割成周期性互不重疊的時間段，再將每個時間段的時間劃分成若干個小段，每小段稱為一個時隙，每一個用戶都在指定的時隙里接通信道，其他的用戶在另外的所指定的時隙里接通信道[1,2]。TDMA方式最初用于衛(wèi)星通信中，現(xiàn)在也逐漸使用于其它的各種通信場合，可大大提高網(wǎng)絡的通訊速率，可靠性和網(wǎng)絡容納量。

將時分多址的技術引入到低功耗無線傳感網(wǎng)絡設計中，由集中器將工作時間分割成周期性互不重疊的時間段，再將每個時間段劃分成若干時隙，終端節(jié)點在每個時間段的所分配的固定時隙加入網(wǎng)絡或者上報數(shù)據(jù)，可提高無線網(wǎng)絡的通訊速率、可靠性和網(wǎng)絡容納性。

2系統(tǒng)架構

整個通信網(wǎng)絡系統(tǒng)由上位機（遠程監(jiān)控終端）、集中器和終端節(jié)點所組成，其系統(tǒng)架構如圖1所示。其中，終端節(jié)點可以作為傳感器節(jié)點（采集溫度、濕度、電池電量、或地磁等信息）通過自組網(wǎng)的方式搜索加入合適的集中器的網(wǎng)絡后，定時或節(jié)點滿足一定上報條件時在自身上報時隙內(nèi)向網(wǎng)內(nèi)集中器上報數(shù)據(jù)，集中器接收網(wǎng)內(nèi)終端節(jié)點上報的數(shù)據(jù)，進行整理，在收到上位機的輪詢命令后，再將數(shù)據(jù)上傳給上位機進行處理、記錄和顯示。系統(tǒng)中包含無線和485有線通訊網(wǎng)絡，其中集中器同上位機之間采用485總線進行通信，而集中器同終端節(jié)點之間則是使用CC1101射頻模塊通過無線信號進行通信。

3硬件設計

集中器和終端節(jié)點的微處理器均選用MSP430G2553作為核心控制單元。MSP430G2553是一款16位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器，休眠模式下僅0.5 uA，外設功能豐富，而且具有UART、SPI、I2C等接口， 便于通信模塊與外部系統(tǒng)互聯(lián)，并具有24個IO口、10位AD、定時器，以及16 KB的FLASH[3]，滿足用戶對通信模塊的擴展需求，適于用戶根據(jù)需求定制或編寫通信協(xié)議。

圖1系統(tǒng)整體結構圖

集中器和終端節(jié)點進行無線通訊的無線模塊選用TI公司的無線射頻芯片CC1101，該無線通訊模塊具有高靈敏度、低功耗、低成本、低誤碼率、支持無線傳感網(wǎng)絡等優(yōu)勢[4]。除了微處理器模塊和無線收發(fā)模塊外，系統(tǒng)中還包括有電源和電源管理模塊，以及485轉換模塊等，這里不再贅述。

4軟件設計

集中器同終端節(jié)點之間采用時分多址的方式進行通訊，其具體過程是：集中器定時向外廣播發(fā)送一幀網(wǎng)絡信標（周期為T），根據(jù)時分多址將信標周期T等分為n個網(wǎng)絡時隙，每個網(wǎng)絡時隙為Δt，將第一個網(wǎng)絡時隙Δt預留下來給未入網(wǎng)的終端節(jié)點入網(wǎng)交互，其余的Δt分配給已加入網(wǎng)絡分配有網(wǎng)絡編號的終端節(jié)點根據(jù)自身網(wǎng)絡編號（網(wǎng)絡編號是在終端節(jié)點加入集中器網(wǎng)絡時，集中器所分配的）進行數(shù)據(jù)交互。圖2所示為不同頻點的集中器按照時分多址的方式同終端節(jié)點進行通訊的示意圖。

圖2集中器基站同終端節(jié)點時分多址通訊的示意圖

另外，根據(jù)自組網(wǎng)通訊方式的設計，可以通過增加集中器的個數(shù)，擴充系統(tǒng)的規(guī)模。系統(tǒng)中可設置多個集中器，每個集中器的無線通訊的頻段不同，終端節(jié)點可通過掃頻的方式搜索加入合適規(guī)模的集中器的網(wǎng)絡，每個由不同頻段集中器組建的通訊網(wǎng)絡都是互不干擾的，即使通訊中有終端節(jié)點由于意外脫離了網(wǎng)絡，也可以通過掃頻重新加入網(wǎng)絡。圖3所示為終端節(jié)點的工作流程圖，圖4所示則是時分多址的相關流程圖，集中器的工作流程相對簡單，這里不再贅述。事實上，這里的節(jié)點工作的流程也進行了一定的簡化，所有的處理都是在秒中斷、無線接收中斷和時隙定時器中斷子程序中進行的，節(jié)點大絕大多數(shù)時間都處于低功耗3的狀態(tài)下，這樣可以大大的降低節(jié)點的功耗。

圖3終端節(jié)點工作流程圖

時分多址應用設計的關鍵在于Δt和無線數(shù)據(jù)傳輸率Data·rate的選擇。在Δt時間內(nèi)，需要完成終端節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)幀或上報數(shù)據(jù)幀給集中器，以及集中器接收到數(shù)據(jù)后還要對終端節(jié)點進行回復的過程，若設這個過程的時間為TAll，那么，要保證通訊的正常，則必須滿足Δt > TAll。這里：

（1）

其中TT為終端節(jié)點或集中器發(fā)送數(shù)據(jù)所花費時間，TR為終端節(jié)點接收數(shù)據(jù)所花費時間，TDeal是集中器處理時間的時間。另外，TR≈TT，TDeal約為2 ms，則TAll≈3TT+2 ms。根據(jù)TT同無線通訊Data·rate之間的關系，可以得出如下公式：

（2）

其中，LJ為終端節(jié)點所發(fā)送的字節(jié)長度，包括前導碼4個字節(jié)、同步字4個字節(jié)、長度字1個字節(jié)、有效負載7個字節(jié)和CRC校驗2個字節(jié)，共計18個字節(jié)。這樣，將式（2）帶入式（1）中可得：

（3）

由上面的公式可知，時隙Δt的選擇跟Date·rate成反比關系，Δt選擇越小，要求Data·rate越大；另外，當時，隙Δt選擇的越小，在一定的信標周期內(nèi)，系統(tǒng)的容納量越大，但是，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也越差。因此，對于時隙Δt選取要謹慎，通?？赏ㄟ^測試進行選取。

5系統(tǒng)測試結果

針對波特率分別為10、38.4、100 Kb/s時的不同時隙進行測試的結果如表1所列。

表1波特率分別為10、38.4、100 Kb/s時的測試結果

Date rate Kb/s 時隙（Δt）ms 定時器比較值 測試結果

10 ≥15 491 正常

38.4 ≥13 425 正常

100 ≥12 393 正常

如表1可知，當時隙選擇在大于15 ms時，時分多址系統(tǒng)在三種波特率下均可運行。

另外，搭建使用時分多址接入技術的1個集中器帶50個終端節(jié)點的無線傳感系統(tǒng)進行長時間的運行，使無線通訊波特率選擇38.4 Kb/s（選擇10 Kb/s波特率數(shù)據(jù)傳輸太慢，選擇100 Kb/s數(shù)據(jù)傳輸距離有局限性，因此，選擇居中的38.4 Kb/s），將時隙Δt分別定為20 ms、30 ms和40 ms，分別對不同時隙下的系統(tǒng)穩(wěn)定性進行測試，其測試結果如表2所列。

表220 ms、30 ms和40 ms不同時

隙下系統(tǒng)穩(wěn)定性的測試結果

時隙（Δt） 信標周期 測試結果

20 ms 1 000 ms 大量節(jié)點掉線后重新入網(wǎng)

30 ms 2 000 ms 少數(shù)節(jié)點掉線后重新入網(wǎng)

40 ms 3 000 ms 無節(jié)點掉線，通訊正常

6結語

根據(jù)本文的測試數(shù)據(jù)，說明選擇波特率、時隙和信標周期在38.4 Kb/s、40 ms和3 s時，能獲得很穩(wěn)定的測試結果。實際使用證明，將該無線接入技術應用于智能停車管理系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性均獲得了良好的應用效果。

參 考 文 獻

[1]徐明霞.Ad hoc 網(wǎng)絡中的時分多址接入及跨層設計研究[D].杭州：浙江大學，2007.

[2]劉芳.移動自組織網(wǎng)絡動態(tài)時隙分配算法研究[D]. 西安：西安電子科技大學，2011.

[3] Texas Instruments Inc. MSP430x2xx Family Users Guide[EB/OL]. http：//www.ti.com.cn/cn /lit/ug/slau144j/slau144j.pdf.

[4] Texas Instruments Inc. CC1101 Low-Power Sub-1 GHz RF Transceiver[EB/OL]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc1101.pdf.

[5]劉樂群.無線傳感網(wǎng)中的動態(tài)信道分配DCA-PC[J]. 電子與電腦，2006（7）：123-125.

[6]惠鏸，王靜，李琦，無線傳感網(wǎng)絡的MAC地址分配與更新算法[J].計算機工程， 2012（22）：77-81.

作者簡介：朱秋君（1986—），女，碩士，助理工程師。主要研究方向為無線傳感網(wǎng)絡。

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收稿日期：2014-03-31