一种多信道无线多机通信系统的设计

一种多信道无线多机通信系统的设计

1气体压力监测为设计化工生产监控系统，应随时监测半径为几十米范围内1000多条气体管道的压力限额。压力监控设计要求：当某些气体的压压值低于下极限pl，高于上限pm时，各气体的压压监控系统必须通过无线通信系统将压力极限值传输到中心。当某处的气体压力值PA不低于下限值PL和不高于上限值PM时，各气体压力监测传感器不进行压力数据值传送，该传感器及其相应的无线通信设备处于低功耗睡眠状态。这是一种一对多的无线多机通信系统。传统的一点对多点通信系统工作在单一信道上，设计方法多采用中心站对各分点循环查询的工作方式，中心站采用无线通信方式，不断地轮流询问各分点的压力传感器压力是否超限，不超限则继续访问下一分点，若超限则将该点的超限压力值传送到中心站点的计算机上存储并显示，然后继续访问下一站点。这种系统存在两大缺点，一是工作效率低，大量的压力值不超限的站点被不断地重复访问，浪费有限的信道带宽，当同时有较多的站点压力超限时，超限数据值的传送可能受到一定的影响。二是系统的能耗较高，很多压力没有超限的站点被中心站点不断地重复访问，无线传输过程无端消耗能量。本文主要介绍采用嵌入式无线收发模块，采用多道无线数据传输技术和CSMA技术，设计和实现的一种数据采集无线多机通信系统。2第2、3.2.2信道线基于多信道无线数据传输技术和CSMA技术的无线多机通信系统，组成结构如图1所示，第1信道为1级信道，站点A为系统主站点，其中B、C....n为1级信道的子站点。第2、3......n信道分别为2级信道，其中，B1、B2.....Bm为第2信道的子站点，C1、C2等为第3信道的子站点等等。不同的信道工作在不同的无线电频率上，相互之间互不影响。在1级信道上的子站点具有双重地位，它们不但是第1信道上的子站点，同时又分别是其它2级信道上的次主站点。3nrf2e1温度降解模块基于多道无线数据传输技术和CSMA技术的无线多机通信系统，各站点组成结构如图2所示。系统分为一个1级信道和若干个2级信道。各子站点模块由无线收发器和安装在气体管道上的压力传感器组成。本系统采用的无线收发器是收发合一的射频芯片nRF24E1。nRF24E1集成了增强型8051微处理器内核，工作在2.4GHz的ISM频段，通信速率可达1Mbps，通信距离可达数百米。集成了9个通道的100KSps的A/D转换器，内置电压基准、电源检测、可配置PWM输出，UART异步串口，SPI同步通信串口；内置CRC校验和多点通信控制，适合点对多点通信。使用1.9V～3.6V电源，极少的外围电路，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，所有高频元件包括电感、振荡器等已经集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界影响。内置CRC纠检错硬件电路和协议，只需在程序中设置好配置字即可，编程方便。nRF24E1采用了先进的ShockBurst技术。ShockBurst技术使用了片内的FIFO寄存器，使得移人数据时速率很低，而传送数据时速率很高。1级信道模块上的主站点A由无线收发器A和微型计算机组成,实现数据的收发、管理和系统控制。4多通信协议及通信算法系统采用如图1所示的多环结构，不同的环工作在不同的信道上。1级信道采用查询工作方式，主站点A按顺序对1级信道上的子站点进行查询，如有数据，将数据传送到A进行集中显示，如没有数据，依次查询下一个子站点。系统共有3个2级信道，每个2级信道上各有分站点300多个，真正要同时传送数据(压力超限)的分机不是很多，为了提高通信效率，在各2级信道上采用了“信道争用”的通信竞争机制，即谁有数据谁先占用信道。由于各2级信道上的多个分机只有一条信道，当出现多个分机要同时传送数据的情况时，会形成相互间的干扰，导致数据无法正确地接收，因此需要一种控制机制来合理地分配信道资源，减少和避免数据冲突。CSMA是一种载波侦听多址接入协议，按照该协议的基本原理，设计了基于CSMA技术的压力监测无线多机系统通信协议。协议的通信算法如下：(1)1级信道上的主机A开机后进入查询工作状态，不断顺序查询B、C、n等子站点是否有数据要传送给主站点A。(2)各2级信道上的分中心站点(也是1级信道上的子站点)开机后进入对各自信道内的分机的监听状态，等待分机的数据传输申请。(2)各分机开机后检测压力传感器上的压力信号是否超限，如果没有超限，系统进入睡眠状态。(3)如果某分机压力超限，首先监听自己的信道上是否已有信号存在，如果没有，进入与分中心站点的数据传输状态。如果信道上有信号存在，说明有别的分机在与分中心站点进行数据传输，分机进入1个延时λ=S×1ms(S=1,2,....10)的退避等待状态，λ到时后，再一次监听信道，如果仍然有信号存在，分机再进入加倍延时的状态，λ的最小值为1ms，最大值为10ms，分机持续等待，直到信道空闲才占用信道进行通信。(4)分机每次占用信道，只传送1个压力数据，(5)分机占用信道完成通信后，将λ设置成最小值。(6)各分中心将收集到的各信道上的分机传来的数据按分机地址保存，然后等待第1信道上主机A的查询，在查询数据传输周期内将保存的数据传送给主机A保存和显示。5多段通信方案多机通信程序主要由1级信道查询工作程序和2级信道分机通信程序两部分组成。现主要给出1级信道查询工作程序。(1)主机的发射—1级信道主机A查询工作主程序nRF24E1集成了增强型AT8051微处理器内核，根据AT8051串行口的多机通信能力，多机通信可以按以下协议进行：1、首先使所有从机置SM2=1，处于只接受地址监听状态。2、主机先发送一地址帧信息，并令第9位TB8=1，表示发送的是地址。3、从机接收到地址帧后，各自将接受地址和本机地址相比较，相同则使SM2=0，以接受主机随后发来的数据；不同则SM2仍为1不变，对主机随后发来的数据不予理睬。4、从机向主机回送本机地址，主机收到后与原发送地址相比较，相同则置TB8=0，正式发送数据信息，否则重新联络。由于主机TB8=0，选中的从机必有SM2=0,RB8=0接受到数据帧后，置RI=1，数据送入SBUF；而未被选中的从机，由于SM2=1,RB8=0,RI不置位，信息丢弃。5、主机通过无线收发控制器发送给从机的数据分两种：地址帧和命令帧。从机上传的只有数据帧。帧格式为：“开始，Do,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7，停止”。开始、停止各占1位，数据位8位。其中第9位是SCON中的TB8，它是多机通信时发送地址位(TB8=1和数据位(TB8=O)的标志。命令帧D4～D6为命令类别编号，最多可安排8条不同指令。Do～D3为执行通道号，最多可有15个执行通道，编号为01H～0FH，另外编号00H表示对所有通道执行相同命令。命令帧也可以根据需要设计(2)1级信道交换机操作子程序分机同主机一样采用串口通信方式，串口通信子程序如下：6系统的创新点:无线收放式射频芯片nrf2e1采用嵌入式无线收发模块设计和实现的无线多机通信系统，安装方便快捷，可扩展性强。多信道无线数据传输技术和CSMA技术实现的多机通信，比起传统查询方法，通信效率大大提高，无线传输模块的功耗大大降低。经过系统试用和实验测试，在数据传输并发率低于20%以下时，系统性能稳定，工作可靠。但当并发率提高到21%～30%时，由于退避机制的原故，数据传输效率开始降低。特别是当并发率超过30%以上时，数据传