[基于nRF24LE1的抗干扰无线视频监控系统的设计]无线抗干扰

基于nRF24LE1的抗干扰无线视频监控系统的设计无线抗干扰 摘要：为提高无线视频监控系统的抗干扰能力，采用频率捷变技术，完成了基于nRF24LE1的星形无线视频监控系统的设计，并做了相应的抗干扰测试，根据测试数据计算出丢包率和吞吐率，并且分析了测试数据。在保障整个无线系统性能的前提下，该设计实现了抗干扰的设计要求，可广泛应用于家居、工厂视频监控等多种场合。 关键词：抗干扰；nRF24LE1；频率捷变；无线视频监控系统 Anti-interference Wireless Monitored Video Control System Design Based on nRF24LE1 ZHANG Shuang-qing, ZHOU Jian-yang，DONG Hong-jun （Electronic Engineering Department，Xiamen University, Xiamen 361005 ,China） Abstract：To improve wireless video monitoring systems anti-interference capability, using a Frequency agility technique, based on a simple and stable Carrier Sense Multiple Aess （CSMA）, Completed the star design of wireless monitoring system, and had a corresponding anti-interference test, aording to the test data to calculate the packet loss rate and throughput, and analyze of test data. The protection of the whole premise of the wireless system performance, the design of frequency-agile technology via Carrier Sense Multiple Aess, had achieved the low power consumption and anti-jamming design requirements, can be widely used in home, factory control and other oasions. Key words：anti-interference,nRF24LE1,frequency agility,Wireless Monitored Video Control System 1前言 随着 _和科学技术的发展，人们生活和工作中使用的无线设备也越来越多，而大部分无线设备工作于2.4 GHz频段。使用该频段的优点是使用者无需申请许可证，便于使用且节省成本，同时可以避免低频段信号和家用电器的干扰。但这一频段云集了蓝牙、Zigbee、WiFi、W-LAN等标准协议的应用，所以如何解决同频段其他设备的干扰是应用开发nRF24LE1时必须考虑的问题。尤其对于无线监控系统等安防场合，如何处理恶意同频干扰，尤为重要。 本系统设计应用于家庭视频监控的小型网络，分节点位置固定，并且不多于二十个，因此选择简单易行的星型拓扑结构。通过对干扰源的分析，采用了基于跳频的频率捷变技术。 在保障整个无线网络性能的前提下，设计了一种抗干扰的无线视频监控系统。采用nRF24LE1的超低功耗Enhanced ShockBurst无线发射技术、低功耗休眠机制等，使节点功耗最小；采用频率捷变技术，当收到干扰时，改变信道从而提高网络的抗干扰能力。最后，采用无线路由器为同信道干扰源，对系统的抗干扰的进行了测试和对比。 2基于nRF24LE1的 无线拓扑结构设计 2.1 nRF24LE1概况1 nRF24LE1是北欧集成电路公司（Nordic）推出的世界上最小、集成度最高的单片超低功耗射频系统芯片，工作于2.42.5 GHz的ISM频段，有多达125个频点，可通过改变频率方式来避免干扰，最大传输速率可达2 Mb/s，室内传输距离可达3040 m，室外传输距离可达100200 m。nRF24LE1具有以下突出优点：功耗低。能够在以-6 dBm的功率发送时，工作电流只有8.8 mA；在以0 dBm的功率发射时，工作电流仅11.1 mA；而在2 MHz接收时，工作电流仅13.3 mA，因此具有掉电和等待多种低功率工作模式。体积小，最小采用QFN24封装，是目前世界上封装最小的一款射频收发芯片。供电电压为1.9-3.6 V，可方便集成到各种电子器件。 nRF24LE1融合了Enhanced ShockBurst技术， Enhanced ShockBurst是一个以包为基础的数据链路层，功能包括包的自动设定装配和装配时间，自动应答和自动重发。在Enhanced ShockBurst中可以设定重发的次数和重发的间隔参数，而后所有的工作均由Enhanced ShockBurst自动完成而无需MCU的干预。 2.2无线拓扑结构设计 本设计采用星型网络拓扑结构。硬件平台包括三部分：摄像头模块，无线通信模块和主机模块。如图1所示，主机节点通过SPI接口与ARM控制模块相连；摄像头从机节点通过SPI与摄像头采集模块相连。从机节点还包括红外、门窗等传感器类节点。 为了实现在同一范围内多点间通信，需要考虑防止数据包在大气中传输时相互碰撞。相对来说，载波监听（CSMA）原理比较简单，技术实现容易，网络中各工作站处于平等低位，不需集中控制，不需提供优先权。因此，本系统采用载波监听和随机延时的方法来实现一对多的无线数据传输。 主机模块采用的硬件开发平台是YLP-2440，其采用SAMSUNG S3C2440A高性能处理器的开发板。开发板工作频率为400 MHz，外接资源丰富，功能强大，适用于开发各种高端手持设备，小型终端，车载及网络运用产品。在本设计中，主机模块通过WiFi、GSM、以太网接口，完成系统同外界的通信，可以上传数据，亦可接收远程的命令。 摄像头模块采用的硬件开发平台为W55VA91，其嵌入了32位RISC的ARM926EJ - S处理器，具有2.5维全图形引擎及图形处理单元（GPU）的TFT液晶控制器功能，JPEG编解码器，10位ADC，USB接口等。W55VA91适合于低成本，高性能，低功耗消费类产品开发。摄像头模块一方面完成主节点发送的命令，另一方面上传主节点需要的数据。 一旦传感器受到触发，对应的从节点立即向主节点发送报警信号，主机模块收到报警后即将相应的命令发送给摄像头模块；摄像头模块在执行完命令后则将相应数据上传给主机模块；用户可以通过主机模块的WiFi、GSM、以太网接口远程控制本系统。 3无线抗干扰设计 3.12.4 GHzISM段频段分析 2.4 GHz ISM 频段是全球开放频段，许多系统如W- LAN、蓝牙等都共用这一频段，如图2所示。 nRF24LE1 的工作环境也许会是一个干扰很多的环境，系统往往在受控的实验室环境下工作得很好, 但在现场却会由于受到其他工作在 2.4 GHz 产品的影响而使性能显著下降。在应用nRF24LE1时如何处理其他设备的干扰是必须考虑的问题。本系统应用于家庭安防，因此系统的抗干扰能力尤为重要。 工作在2.4 GHz 频段的无线设备的频道使用情况主要分为两种，一种是频率分布相对稳定的系统如W-LAN以及恶意同频干扰，另一种是跳频系统如蓝牙。 nRF24LE1的信道带宽同样是1 MHz,它将整个2.4 GHz ISM频段分为125个有效信道。频率稳定的系统在一定的频段工作，而跳频系统在整个2.4 GHz 频段范围都会产生影响。在 2.4 GHz 频段工作的系统其数据发送都是基于数据包的。如果跳频系统在某个时刻占用了某频道，那它在其他时间占用整个频段的任何其他频道的概率是相同的，也就是说发生冲突的概率是相同的。因此 nRF24LE1 与跳频系统的工作发生冲突时没有必要改变自己的工作频道；而干扰频率稳定的系统时，需要跳转到另一个与该系统发生冲突概率较小的频道。只有当受到持续的干扰时才跳转到另一个信道，这便是频率捷变技术5。 基于以上的分析，可以归纳出如下的跳频规则： 监测到当前信道的持续干扰。跳转到受到自同一干扰源的干扰概率较小的信道。如果干扰其他的跳频系统, 则不进行跳频。 3.2 无线抗干扰实现 nRF24LE1具有载波监测功能, 可以准确地监测当前工作信道是否有干扰，保证了在W-LAN或恶意同频干扰环境下可靠地工作。nRF24LE1最大传输速率可达2 Mb/s, 具有高速度和独特的切换时间，减少了与跳频系统如蓝牙出现时碰撞的可能。 本系统采用nRF24LE1的Enhanced ShockBurst模式进行通信，主节点接收和从节点发送方案如下： 对于主机节点，如图3所示，始终处于载波检测状态，当仅收到一次乱码干扰的时候，可能是与蓝牙系统发送冲突，主机不必改变信道；当持续收到当前频率的乱码干扰时，说明收到的不是脉冲干扰，而是稳定的干扰，这时nRF24LE1需要按照已设定的信道列表跳转到另一个信道。 对于从机节点，如图4所示，发送完数据后等待主机的ACK，如果没有收到正确的ACK，表示发送失败，则在相同信道上重发三次。由于蓝牙系统在每个信道上停留的时间为650s ，而nRF24LE1一次动作 （即发送数据并等待接收对方ACK的时间） 大约为 1 ms，因此如果第一次发送失败是由于与蓝牙系统发生冲突，那么第二次发送一般可以顺利到达接收方。如果三次发送均失败，说明受到的不是脉冲干扰，而是稳定的干扰，这时nRF24LE1需要按照已设定的信道列表跳转到另一个信道。 事先将所有想要使用的信道做成列表，在需要跳频时查表即可。信道列表一般不采用 1, 2, 3, 4的顺序安排，因为如果一个信道受到干扰，那么与之相邻的信道很有可能也受到干扰。考虑到W-LAN的信道带宽为22 MHz，可以用公式i+j22 （ j=1, 2, 3, 4, 5; i=1, 2, 3） 的顺序安排信道列表6。 4抗干扰性能测试 在抗干扰性能测试中，采用两个nRF24LE模块，分别为发送端和接收端，并都通过串口线同PC机连接。发送端固定发送一万个相同的数据包，接收端始终处于接收状态，最后发送端将发送数据包的总时间、接收端将收到的数据包数量分别通过串口发送给PC机。最后，根据测试所得数据，对计算出每种测试条件下的丢包率和吞吐率。 以蓝牙为代表的跳频系统与本系统发送碰撞的可能较小，因此测试只针对W-LAN或恶意同频干扰下性能测试。测试采用水星MW54R无线路由器作为同频干扰源，中心频率设为2417 MHz；当作为干扰源时，必须保持无线路由器和笔记本电脑通过W-LAN进行大量的数据通信。 在测试中nRF24LE1的信道列表中第一个起始信道频率也设置为2417 MHz，同无线路由器的信道频率相同，达到信道干扰的目的；nRF24LE1的发送速率设为2 M/s；输出功率为0 dB；载荷包长度为8 byte；发送端和接收端在信道改变时，将由2417 MHz跳频至2440 MHz；串口通信波特率选用9600bps，采用串口调试助手接收数据。 按照信道是否存在同频干扰、是否采用频率捷变技术抗干扰机制、是否开启自动重发功能的测试条件，进行了如表1的八个测试。对每个测试的发送端发送时间以及接收端收包数量进行统计。最后，利用测试数据计算出每个测试的丢包率和吞吐率。 测试说明：nRF24LE1在Enhanced ShockBurst模式下具有自动重发功能（Auto Retransmission，ART）。在测试中，开启重发功能，则设定重发次数为最大值15；关闭重发功能，则设定重发次数为0。在发送端计时方面，采用T0定时器计时，精确到1 ms；测试代码中部分用于调试。因此，发送时间的统计会有一定的误差。在存在同频干扰时，干扰源距离nRF24LE1较近，干扰效果明显，因此在未采用抗干扰机制条件下，丢包率较高。由于发送端和接收端芯片距离较近，因此在无干扰的情况下，几乎没有丢包。丢包率是指测试中所丢失数据包数量占所发送数据包的比率；吞吐率用于描述通信线路单位时间内传输的比特数。 通过对表1中数据的分析，可以得出：在信道中存在同频干扰时，本设计的频率捷变抗干扰机制的抗干扰性能明显，吞吐率与无干扰情况下相比几乎不变；在信道中存在同频干扰时，即使不采用抗干扰机制，开启nRF24LE1自动重发功能的收包数量是关闭自动重发功能情况下的近五倍，nRF24LE1的自动重发功能性能显著；未采用抗干扰机制时，存在同频干扰的条件下与没有干扰时相比，丢包率大幅上升，吞吐率由34 kb/s大幅下降至47 kb/s，因此干扰源的干扰效果十分明显。 5结论 本文采用频率捷变技术，通过软件编程实现了对nRF24LE1的自动频道转换控制，并且通过了抗干扰的测试验证。此外，还可以通过优化硬件电路来提高其抗干扰性能。nRF24LE1采用非标准协议，与蓝牙等标准协议相比具有价格低、功耗低等优势，通过采用频率捷变的抗干扰机制，可以广泛应用于安防、检测、自动控制等领域。 _ 1谭晖.nRF无线SOC单片机原理与高级应用M.北京:北京航空航天大学出版社,xx. 2曹勇，杨涛，冯月晖. 基于nRF24L01的超低功耗无线传