无线433MHz

无线433MHz（精选4篇）

无线433MHz 篇1

一、引言

2003年IEEE 802.15.4标准发布, 2004年第一个具有无线自组织、自恢复网络标准———Zigbee网络诞生[1]。

实际上, Zigbee就是一个具有双向数据传输功能的无线自组网。而自从Zigbee诞生以来, Zigbee就逐渐成为无线传感网、无线自组网的代名词。根据Zigbee的规范, 全球在北美以外地区, 使用无线2.4GHz频段, 无线发射功率限定为1-10毫瓦 (0-10dBm) 。由于无线2.4GHz频段基本上是一个视距通信频段, 绕射能力差, 并不太适应中国的使用环境。GWSN, 格网通无线传感网, 是我公司自主研发的一个基于433MHz的无线传感网。

二、无线传感网国内外研究现状

多年来, 国内众多的大学、院校、生产厂家和用户加入到Zigbee的开发应用之中, Zigbee使用的领域、普及程度都有很大提高。

但遗憾的是, 具有树形和网状网的Zigbee的大规模商业应用并不多见。究其原因, Zigbee点到点通信效果不能满足用户要求是主要问题。

近年来, Zigbee芯片厂家推出了一些Zigbee的简化版, 如TI的Z-Accel;Microchip的Mi Wi;Freescale的Simple MAC (SMAC) ;Atmel的MCU Wireless等。这些简化版虽然给开发产品带来了便利, 但由于未能改变使用无线2.4GHz频段的限制, 通信效果并未根本改变, 应用仍然受限。

另一些Zigbee应用厂家, 为了改善Zigbee的通信效果, 将Zigbee的无线射频功率加大, 如上海顺舟的SZ系列;深圳信立的WMZ系列;北京威易的MK系列等。这些产品的Zigbee通信效果有一定的改善, 但由于射频功率的加大, 对环境的电磁污染, 以及产品耗电也加大, 违背了Zigbee的初衷, 并不是一个长远的发展方向。

从无线通信的原理可知, 无线通信频率越低, 其绕射 (跨越障碍物) 能力越强。长期以来, 在国内室内安防领域无线通信多采用315MHz和433MHz, 其原因就是315MHz和433MHz无线通信在楼内通信效果较好。在相同发射功率情况下, 433MHz和2.4GHz无线通信在自由空间的通信距离相当, 而在建筑物内, 特别是多层高楼, 433MHz无线通信效果就明显好于2.4GHz无线通信。所以, 自2006年以后, 国内开始出现433MHz无线自组网, 其无线自组网协议多是自有协议。如上海罗迅的SmartNode;深圳畅想的PyxisMesh;北京微网高通的WiMi-net。

三、国内无线自组网的研究误区

(1) 关注“路由算法”比实际组网性能更多。其实, 一个再好的路由算法若不能与物理层有机的结合, 不可能得到很好的实现, 而国内产品的无线射频物理层芯片往往都不是定制的。 (2) 关注无线模块的“省电”更多于其实际产品的应用。而一个再省电的无线模块与一个根本不可能省电的传感器组合, 省电功能没有意义和必要。 (3) 关注“网络节点容量”多于网络通信能力。让一个空中速率有限的无线模块去连通无限的节点数, 当出现平均1-10字节/节点秒时, 通信实际上是不能算畅通、有效。 (4) 关注“对等网”、“多网关”多于单网关网络的实际应用。而几乎所有的无线传感网的应用都只需要一个无线网关来进行集中管理就可以了。 (5) 关注“自动分配节点地址”多于节点的物理位置。而几乎所有的节点地址都需要人为绑定物理位置信息, 自动地址的分配并不能带来物理位置的自动识别。 (6) 一味强调模块的省电能力, 但所有具有网关和中继功能的节点都不可能省电使用。 (7) 现有骨干网已经解决了楼栋外的所有空间及远距离的连通, 无线自组网应当解决低成本、低功耗的楼栋内覆盖, 却要费尽心机加大无线发射功率和耗电, 而不管对环境的污染以及无线电频率利用率的降低。总之, 追求理论上的某一高性能, 却不管实际产品的总体性价比和实用型, 在国内无线自组网研究领域时有所见。

四、GWSN 433MHz无线传感网的技术路线

基本的要求: (1) 借鉴Zigbee的优缺点, 吸收其有利于自组网组网技术的好的理念和做法, 形成具有自主知识产权的“自组网、自路由、自恢复”无线组网技术的实用通信系统。 (2) 它可以是一个单一目标中心 (目标地址) 、具有自组网功能的无线网状网通信系统, 同时是一个双向通信系统。单一目标中心与Zigbee的“对等”有很大的不同。“对等”是指各节点之间可以相互收发, 每个节点需要知道网中其他节点的到达路径, 既多目标中心。而在常规的传感器网络中, 网络中的节点之间并没有应用层面上通信的需求, 所有的节点都仅须与管理中心的设备进行通信, 并在管理中心的管理之下才能进行工作, 我们称之为单一目标中心, 这是大多数传感器网络的实际应用情况。基于这样一个单一目标中心网络, 其路由的计算和管理都相对简化。 (3) 作为一个单一目标中心网络主要由一个中心管理服务器、一个无线网关和若干各远端无线终端节点设备所组成。管理服务器通过无线网关可以发数据到无线终端节点设备, 无线终端节点设备也可以发数据到网关及管理服务器。 (4) 一个实用的无线自组网产品的性价比还包括:射频频率、发射功率, 符合国家无线电管理委员会的规范;射频发射耗电;射频接收耗电及省电能力;空中速率及一个网关下的节点容量;组网的稳定性和灵活性;产品资源占用率及路由复杂性;产品是否必须省电使用等。

基于以上的这些要求和实用性, GWSN的技术路线是: (1) 选用433MHz业余无线电频段, 利用其良好射频绕射能力, 并且全网无线设备同频半双工工作以提高无线电频率利用率; (2) 满足低功耗、微功率, 射频功率选定在10-50mW, 工作电流控制在DC50mA/3V以下; (3) 主节点设备250个左右, 射频空中速率250kbps, 每节点单向空中速率约50字节/秒; (4) 数据空中加密, 保障较好的保密性; (5) 选用性能良好的软件无线电收发一体射频芯片CC112x, 为自组网提供物理层支撑; (6) 选用低成本8位CPU。在网络层的管理方面, 不采用Zigbee的协议栈, 因为物理层完全不一样, 所以确定自主研发简约、实用, 与物理层有机结合的GWT-R路由识别算法和组网方式, 满足单一目标中心快速、稳定组网需求。

五、GWSN组网通信过程及机制要点

(1) 网络部件。

网关:类似于Zigbee的协调点。管理全网无线终端节点, 汇接各无线终端节点采集来的数据到管理中心;分发管理中心来的控制数据到各无线终端节点。通过无线通信方式与无线终端通信;通过有线通信方式与管理中心通信。网关可以管理253个主节点。

主节点:类似于Zigbee的路由节点。以自组网方式与网关通信, 采集传感器、控制器或外部设备数据并上报网关及管理中心;接收网关及管理中心数据, 管理传感器、控制器和外部设备。每个主节点还可以管理254个副节点。

副节点:非路由节点。以星型方式与主节点或网关通信, 采集传感器、控制器或外部设备数据并上报主节点或网关及管理中心;接收主节点或网关及管理中心数据, 管理传感器、控制器和外部设备。副节点可以有省电功能。全网共6.4万个副节点。

(2) 组网过程

GWSN是一个基于时钟的网络, 因为在一个实用的网络中, 对时钟的需求无处不在, 所以组网时, GWSN的网关是在管理中心的管理下才能工作。

网关上电后, 首先向管理中心请求获得系统时间, 在获得系统时间后才启动无线组网工作。

网关启动无线组网工作后, 定时发出无线信标, 在无线通信覆盖区域内的主节点在感知到网关的无线信标后, 就以网关为中心由里到外, 使用GWT-R路由算法, 自动寻找最佳路径, 逐跳 (层) 入网, 并告知网关及管理中心该主节点的上层节点 (入网) 地址、接收场强和入网跳数 (深度) 。

主节点在入网后依据GWT-R路由算法, 也定时发送无线信标, 还会根据自身周围的无线通信环境按GWT-R路由算法自动调整路由 (路由调整时间间隔设计为10秒) , 并上报网关及管理中心新的入网地址、接收场强和入网跳数。主节点在感知自己不能和上层主节点有效通信时, 会自动脱离通信, 按GWT-R路由算法重新寻找入网路径。主节点脱网后, 它的上层主节点会及时感知到并通报给网关及管理中心。

网关和主节点存有上、下行路由表, 当主节点入网或脱网时路由表自动更新。

GWSN是一个同频半双工无线网络, 无线通信的碰撞在所难免。为提高通信的可靠性, GWT-R组网方式采取TDM通信和随机通信混和使用方式, 用TDM通信维护路由, 随机通信用于应用数据, 这样既减少碰撞又提供通信效率。

(3) 机制要点

GWSN网关与网内的节点通信采用一对一或广播方式。整个通信分为链路层和应用层, 而基于简约的原则, 通信地址并未分层, 只采用链路层地址。

链路层完成链路管理, 载波帧听、防碰撞重发 (芯片级) , 控制帧的转发, 进行帧的CRC校验, 设备掉线识别。应用层完成设备出、入网控制, 设备配置, 数据和报警上传等。

各数据包的总长度为≤50字节/包。

a.地址分配与管理

网关有两个地址, 一个是无线侧地址, 与主节点进行通信;另一个是有线侧地址, 与管理中心通信。网关无线地址:用一个字节表示, 为0x01。网关在无线一侧地址和主节点地址是统一编址的。

主节点无线地址:用一个字节表示, 为2-254, 地址为0x02-0xfe。共253个。

副节点地址:1-16382, 地址为0x0001-0x3ffe, 用两个字节表示。副节点地址由主节点管理, 仅与所属主节点进行星型通信, 地址为0x0001-0x00fe, 共254个。这类地址各个主节点可以复用, 全网共有64262个。

GWSN网络终端节点地址并没有使用自动分配方式, 而是采用出厂默认和工程现场配置方式。在大多数实际使用当中, 终端节点的物理位置是管理人员必须关心的。终端节点地址的自动分配并不能省去管理人员到现场获得其物理位置的过程, 反而会因为其地址的自动变更带来管理上的不便。

b.基本通信

网关和主节点配置有路由表, 可以识别、管理和自动选择通信路由。同时还配置有邻节点感知功能, 可以感知网关、主节点和副节点的脱网状态, 并上报。

副节点没有路由表, 不能自动选择路由。副节点具有感知网关和主节点的功能, 不能感知其他副节点。

GWT-R是GWSN路由算法和组网方式的统称。GWSN路由管理并未遵循某一特定的路由算法, 而是结合Ad hoc路由算法和表驱动路由协议的各自有用的部分, 根据链路层和网络层的实际管理需要以及整个网络稳定性和灵活性的需求自主研发的。

在整个组网方式中, 跳数最少并不意味着路径最优[2], 所以维护网络的稳定性和灵活性是两个及其重要且对立的路由指标。路由的稳定性可防止节点过度调整路由而不能正常收发应用数据;路由的灵活性可增强节点调整路由的频繁度以改变网络的深度从而增加网络的稳定性。节点在什么情况下可以调整路由, 通常是根据节点现有的网络深度和接收场强来确定的。调整接收场强的路由调整阀值将直接影响网络的稳定性和灵活性 (见图1) 。路由调整的最短间隔时间设计为10秒。

d.通信转发

GWSN网络中的主节点担当无线通信的转发器作用, 为避免无线通信碰撞, 其转发的延时时间是随机的, 设计为8-250ms。

e.节点脱网

主节点在“掉线确认时间 (设计为30秒) ”到来时仍未收到自己的上一级主节点的“通信标识”, 将认为自己与上一级主节点已经脱离通信, 将退出工作状态, 重新寻找路由。

主节点在“掉线确认时间 (设计为45秒) ”到来时仍未收到自己的下一级主节点或所属副节点的“通信标识”, 将认为自己的下一级主节点或所属副节点已经脱离通信, 将上报“设备撤销”给管理中心。

六、GWSN的实用性能及存在的问题

(1) 工厂内测试

表1是在工厂环境下对GWSN通信状况的测试分析。

基本测试环境及要求:频率433.199MHz;设计发射功率为10毫瓦 (10dBm) ;四分之一波长鞭天线;空中速率250kbps;数据包字节数小于等于35字节;数据空中加密传送;数据收发无差错。

虽然测试看似有定量的数据, 然而实际上这仍然只是一个数量级别上的趋势。因为就工厂环境来说, 一个250kbps速率的短数据无线通信来说, 一包数据的发送时间不会超过3ms, 测量的准确度有限。

(2) 实际用户使用情况

从2008年起, GWSN的相关产品格网通“节能管理网络系统”、“能耗采集无线网络系统”开始在用户安装使用。表2对2011年至2012年期间使用GWSN“节能管理网络系统”和“能耗采集无线网络系统”的43个用户的网络通信状况做了统计分析。其中单个网络最大网络深度达13跳, 最多节点数近200个。

(3) GWSN存在的问题及改进方向

a.硬件成本。GWSN 433MHz无线传感网射频模块与Zigbee射频模块在硬件成本上并无数量级上的优势, 除非将网络协议一并集成到射频芯片中。b.工厂研发更注重实用性, 但简约的自有组网协议规范性较差, 不像Zigbee标准更易让用户接受。自有组网协议需要得到院校的支持来完善。c.由于采用同频半双工和随机通信工作方式, 通信的碰撞在所难免, 这是造成数据丢包的主要原因。原有射频芯片的防碰撞重发机制并不完善, 需要再增加“链路层数据未收到重发机制”。d.虽然无线433MHz比2.4GHz通信绕射能力好, 但实用中GWSN 433MHz无线传感网节点楼层间通信绕射能力并不富裕, 建议将射频发射功率再提高3dB, 即达到20毫瓦, 实用性更佳。e.GWSN的数据空中加密并不符合规范, 这在一些对数据加密敏感的用户环境不宜采用。f.无论是GWSN还是Zigbee, 无线多跳自组网都存在数据传输延时长的特点, 在一些对数据传输延时要求高 (100ms级以内) 的自动化控制系统并不适宜。

七、结束语

433MHz无线传感网是近几年来才面世的新的无线通信系统, 其性能还有待进一步完善, 自有组网协议及其测试也有待更加规范和严谨。但它仍不失为一个很有发展空间的通信系统, 具有广阔的实际应用前景。

摘要：随着Zigbee网络的普及, 为适应国内高楼通信环境, 采用自有组网协议的433MHz无线传感网网络系统开始崭露头角。本文就433MHz的无线传感网的实践做些探讨和总结。

关键词：无线传感网,自组网,Zigbee,433MHz

参考文献

[1]倪敬飞, Zigbee-2006协议栈的实现及其应用, 苏州大学, 2009年

[2]周武斌, Zigbee无线组网技术的研究, 中南大学, 2009年

[3]孙彩云, 基于Zigbee的无线组网技术研究, 中北大学, 2011年

[4]罗旭;柴利;杨君, 无线传感器网络TTSL迭代定位算法, 第二十九届中国控制会议论文集, 2010年

[5]张书奎, 无线传感器网络中信息分发的可靠性研究, 苏州大学, 2010年

无线433MHz 篇2

伴随着工业4.0热潮的到来,工业控制、工业传感线网络、 户外作业等领域对MANET有了巨大的需求。国内外对MA-NET设计和实现的研究工作,在各个层面都取得了一定的突破。路由协议的研究工作已经取得了很大进展。整体的设计与实现方案也取得了进步。一些在2.4Ghz频段下的MANET进入了实用阶段。但是,2.4Ghz频段的无线通信,在复杂的工业生产环境中面临难题。相比之下,433MHz下的无线通信在工业生产环境中有着明显优势。然而433MHz下的MANET尚未有成熟的方案。

探索在433MHz下的MANET设计与实现有了很大的科研和应用意义。网络层的路由策略是MANTA设计与实现过程中的关键环节。将DSR路由算法MANET中进行优化、改进和移植是一项开拓性的工作,也给其他路由算法的移植带来技术上的指导意义。

1总体方案设计

1.1需求分析

根据应用背景,对设计实现一个在433MHz下的MANET进行需求分析。提出如下需求:

1)网络是个MANET,能够运行在工业环境中,使用433MHz频段。

2)网络无中心节点,节点数不超过10个,可轻量构建,支持3跳路由转发。

3)网络性能稳定,数据传输可靠,吞吐量高,端到端延时小,高能效。

4)网络节点体积小,可携带,运行持续、稳定,处理器芯片通用性强。

5)对网络应用前景进行探索,组温度传感器网络和工业控制网络。

1.2概要设计

移动节点构成了网络的主体。每个节点既是终端节点又是路由中转节点。每个节点通过无线方式与网络中的其他节点通信。

1)功能设计

网络的构建和变动对终端节点透明,网络具有自组织性。网络提供任意节点之间,端到端的透明数据传输。如图1。

2)体系结构设计

体系结构的设计主要包括网络拓扑结构设计和协议栈结构设计。

根据需求分析可知,要设计的目标MANET,规模小,都在433MHz频段下通信。故此,目标MANET的网络拓扑结构使用平面结构。根据MANET自身的特点,可以将433MHz下MA-NET的协议栈划分为五层。如图2所示。

3)MAC协议选择

载波监听多址访问(CSMA)协议,是一个优秀异步竞争协议。对MANET的特点有很好地适应。故此,在MAC层采用CSMA/CA协议实现。

4)路由算法选择

常见的MANET路由算法有AODV、DSR、TORA 。文献[1]仿真模拟了三种路由算法,得知在MANET中,DSR算法表现了较高的性能。此外,DSR路由算法简洁、稳定且容易优化和移植,适合小型网络。 因此,要设计的MANET可以基于DSR路由算法实现。

2节点详情设计

统筹考虑节点自身特征和工业应用环境,节点的详情设计需要从以下几个方面出发:稳定、轻量、可扩展、能耗低、低成本等。

2.1节点架构设计

节点的主要组成部分包括:处理器,电源及供电模块,无线收发模块,电量检测模块,温度传感器,控制模块,外部存储模块,通信接口,状态提示模块。

2.2核心器件选型

根据节点的构架设计框图,可知处理器芯片和无线收发芯片对节点整体的功能实现和性能表现启到决定性的作用。

1)无线收发芯片。Nordic VLSI公司的射频芯片n RF905, 可工作于433MHz频段;封装体积(5×5mm)小;电路集成度高,只需要加少量外围电路就可以工作;通过SPI总线与处理器通信, 传输速度快、误码率低;有多种工作模式,功率可调,能效高;功能集成度高,对对MAC层协议支持好,芯片普及率高价格合适。因此采用n RF905作为无线收发模块的核心芯片。

2)对于处理器芯片的选择需要以下几个方面:运行速率、 存储容量大小,集成度,功耗高低,体积大小,价格等。综合节点具体需求,最终选STC12C5A60S2_ PDIP-40作为处理器芯片。STC12C5A60S2是款增强型的C51内核单片机。完全兼容8051系列单片,并且速度快,能耗低。

3)其他芯片。其他模块的芯片对节点的整体性能影响不大。参考常见方案其他模块的核心芯片的最终选择为:通信接口采用MAX232芯片进行串口电平转换。温度传感器采用单总线的DS18B20传感器。状态提示模块,使用蜂鸣器和led指示灯,支持串行链接的12864屏幕。控制模块采用工业级的5v直流继电器。

2.3硬件整体实现

结合所选择的核心元器件可将节点架构设计图3进一步细化。根据芯片技术手册进行电路原理图设计。根据电路原理图进行电路板的设计。为了减少数字信号对无线收发模块的干扰,需要将电路板中的模拟地和数字地隔离,也要将无线收发模块与主模块的电路板分离设计,通过插槽连接。

3软件设计与实现

3.1 MAC协议的软件实现

1)节点实时检测无线信道上的载波信号,当信道上没有载波信号的时间持续一定的长度时,就看做是信道空闲。这个时长被称为DIFS(分散帧空间)。若节点有发送信号的要求,需要满足信道空闲的条件,不能满足就继续等待,直到信道空闲为止。

载波检测协议被集成在了n RF905芯片内部,使得n RF905CSMA/CA有了很好的结合。n RF905专用的芯片引脚CD用于载波检测。CD引脚出现高电平的时候,说明同频率的信道正在被使用。载波检测的实现函数如下:

2)退避算法

在同一通信环境中,同一时刻可能有多个节点在等待着信道空闲状态的满足,因此当信道从占用状态转变到到空闲状态的时刻,最有可能发生冲突。此时节点还应该有退避等待策略。

“指数退避”策略是退避等待的常用算法。在该算法中:节点第一次检测到当信道从占用状态转变到到空闲状态时初始化一个计数器。然后退避一段时间,继续检测信道状态。若信道是空闲状态就将计数器减一,否则不更改计数器的值。如此往复知道知道计数器的值为零,就得到了信道的使用权。在往复的过程中,每次退避的时长与循环次数的二进制指数相关。

“指数退避”算法的实现流程,如图4所示。NB表示退避次数,CW表示尝试次数,BE表示后退指数。根据测量可知DIFS的值应设为250us。根据n RF905的收发模式切换时间可,将BE初始值设为2,上限值4。

3.2 DSR路由算法

1)DSR路由算法实现过程

DSR算法实现了源路由的机制。源节点向目的节点发送数据包时,需要在数据包的头部添加完整的路由信息。路由发现和路由维护是节点获得和维护路由信息的两个主要过程。

1路由发现过程

当源节点有数据包发送需要时,首先会查看自己的路由表内有没有到目的节点的信息,若有就直接使用,否则发起一次路由发现过程。源节点以泛洪广播的方式发送路由请求(Route Request ,RREQ)包。路由请求包的格式如表1。其中Sid表示源节点的地址,Did表示目的节点的地址,Route record用来记录该包被转发的路径,Request id记录源节点发出的RREQ包的序列号。<Sid, Request id>保证了RREQ包的唯一性,为了减少广播开销,网络中的节点在收到RREQ包后会根据<Sid, Request id>判断是不是第一次收到该包,若是,则处理, 否则,直接丢弃。目的节点或网络中其他缓存有到目的节点路由信息的节点,会回复一个包含源节点所需路由的路由应答(Route Reply)包。

2路由维护过程

如果网络中的某节点知道自己发送或者转发的一个源路由数据包没有成功交付到下一跳时,则认为链路中断。该节点会向源节点反向发一个路由出错信息RERR(Route Error)包。 路径上的节点在收到RERR包后,会将相应的路由信息从路由表中删除。此外源节点可以按照已知路由向目的节点发送一个应答请求包。目的节点收到应答请求包后向源节点回复一个应答确认包,使得源节点认为相应的路由信息可用。如果在一定时间内,源节点没有收到相应的应答确认包,则认为相应的路由信息不可用。然后删除对应的路由信息,重新发起路由发现过程。

2)DSR路由算法的改进

结合前文概要设计和DSR的特点,为了进一步提高DSR路由算法的效率,从以下几个方面进行DSR的优化和改进。

1网络中任意两节点之间最大路由跳数设置为3跳,即每条路径上最大包含5个节点。为了避免网络广播包在网络中被无限的转发,为每一个网络包设置一个生存时间值(Time To Live,TTL)。

2为减少路由发现过程的发起次数,在中间节点在获得路由应答包后,可以提取其中的路由信息,得知本节点到源节点和目的节点了路由。

3节点路由表中的记录条数最多为10条。当路由表已经存满而新的记录又需要记录时,则按照FIFO策略淘汰旧记录。

4为应对网络被分隔的情形,防止一些节点频繁的发送路由请求包。建立等待路由应答表,记录源节点向目的节点发送路由请求包后,等待路由回复包的状态。

3.3节点中软件的程序实现

网络中的节点既是终端节点,又是路由节点,同时还可以通过串口与其他设备交互。因此节点中运行的程序是多任务和事件驱动的。根据TC12C5A60S2的计算和存储能力,通用的操作系统并不适合加载到芯片上。为此,节点中的程序需要实现多任务的调度和事件的实时响应。这些的实现离不开各种任务表和数据缓冲区,以及状态表的支持。

为在计算和存储能力有限的TC12C5A60S2概要设计中的网络全协议栈功能,自定义的网络包格式没有完全遵守标准的DSR协议规约。根据上文中在433MHz下MANET的设计要求, 对DSR的网络包进行了个性化定义和轻量级的优化。

网路包包括:路由请求包、路由应答包、源路由包和路由出错信息包等。

各类状态表包括:路由表、SID_QId快查表、n RF收缓冲区、 待发送任务表、等待路由应答表和串口收缓冲区等

整体软件设计中,采用全协议栈的缓冲区和状态表共享, 实现了基于事件的实时响应和短作业优先的任务调度策略。 节点主程序流程,如图5所示。部分处理函数的伪代码实现, 见附录。

4验证分析

节点的通信距离对网络的整体性能会有很大的影响。在组网测试之前,首先进行的是点对点的数据收发测试,用以获得节点的有效通信距离。考虑到对通信影响的诸多因素,实验设置了多种场景进行点对点的通信距离测试。测试结果如表2。

PC和网络中的节点通过异步通信串口链接。在PC中使用串口调试助手,向节点发送数据,进行连续数据传输试验测试。测试网络吞吐率:在工业生产环境中。测试1个节点至10节点网络中点对点,1跳、2跳、3跳情况下的吞吐率。将网络包的大小设置为32字节。结果如表3。

网络中点对点的数据传输吞吐率约为16 kb/s 。随着网络规模的增多网络的吞吐率会下降。最终趋于稳定。10节点,3跳路由的网络数据传输吞吐率数据传输吞吐率5 kb/s。从最终的测试结果可知,设计实现的MANET功能完善性能优秀,有广泛的应用前景。达到了预期目标。

参考文献

[1]张简丽,许洪光.基于DSR的路由协议综述[J].通信技术,2009,42(1):137-139.

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[3]Tamilarasi,Muthu,Palanuivelu,T.G.A strategy to reduce thecontrol packet load of MANETs withi bidirectional links usingDSR[J].International Journal of Network Management,2008,18(4):365-379.

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[6]李波波,龙昭华.基于蚁群优化的Ad Hoc网络Qos路由[J].计算机工程与设计,2016,37(1):13-16.

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[9]Ahmad Shakeel,Awand Irfan.Performance analysis of DSR&extended DSR protocols[C].Proceedings-IEEE Military Communications Conference MILCOM,2007.

无线433MHz 篇3

1 系统硬件设计

在系统中,无线通信电路由无线射频收发一体化芯片nRF401组建。系统的硬件设计中充分考虑了性价比,用最少的器件设计出满足要求的硬件电路。该系统的总体结构以MSP430F122单片机为核心,由存储电路和射频电路组成,具体电路原理图如图1所示。

1.1 单片机电路

射频标签发行量巨大且由电池供电,所以成本和功耗是首先要考虑的问题。综合考虑这两个因素本设计选择了MSP430F122。MSP430系列单片机是TI公司生产的16位系列单片机,在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势。其工作电压为1.8V～3.6V,有四种低功耗模式,正常工作时电流为300μA左右,在休眠条件下工作的电流仅为0.8μA,具有16位的RISC结构,数字控制振荡器提供从任何低功耗模式到激活模式小于6μs的快速唤醒时间,具有JTAG调试电路和在线烧录程序接口。

JTAG电路:TDO.TDI、TMS、TCK、RST组成JTAG调试电路,该部分在调试阶段必须具备,当调试通过后,在量产阶段可以去掉。在此对JTAG接口做个简要介绍,JTAG接口是1985年制定的检测PCB和IC芯片的一个标准,1990年被修改后成为IEEE的一个标准即IEEE1149.1。通过这个标准,可对具有JTAG口芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测。具有JTAG口的芯片都有如下JTAG引脚定义。

TCK (Test Clock Input):测试时钟输入,TCK为TAP操作提供了一个独立的、基本的时钟信号,TAP的所有操作都是通过这个时钟信号来驱动的;

TDI (Test Data Input):测试数据输入,数据通过TDI输入JTAG口;

TDO(Test Data Output):测试数据输出,数据通过TDO从JTAG口输出;

TMS (Test Mode Selection Input):测试模式选择,TMS用来设置JTAG口处于某种特定的测试模式,TMS信号在TCK的上升沿有效。

这四个信号在IEEE 1149.1标准里是强制要求的。

TRST(Test Reset Input):测试复位,输入引脚,低电平有效,TRST信号在IEEE 1149.1标准里不是强制要求的。

BSL (bootstrap loader)电路:MSP430的bootstrap loader(BSL)使用户可以使用一个UART串行接口对Flash存储器或RAM进行编程,方便系统进行升级。MSP430F122的BSL电路由P1.1 (BSLTX)、P2.2(BSLRX)、TCK、RST四个引脚组成。

P3.6、P3.7为I2C总线接口电路,由于MSP430F122无I2C硬件接口,本系统用I/O口来模拟I2C接口电路。P3.4、P3.5为串行通讯电路,P3.4为串口的TXD发送端,P3.5为串口的RXD接收端,分别与nRF401的Din和Dout脚连接。P3.0接nRF401的CS频道选择端,CS=0为433.92MHz,CS=1为434.33MHz。P3.1连接nRF401的节电控制端PWR_UP,PWR_UP=0时nRF401处于待机模式,PWR_UP=1为活动模式。P3.2接nRF401的发射接收控制端TXEN,TXEN=1为发射模式,TXEN=0为接收模式。

1.2 模拟射频电路

在本系统设计中模拟射频电路采用nRF401芯片为主控芯片,该芯片采用FSK调制解调技术,最高工作速率可达到20Kb/s,发射功率可以调整,最大发射功率是+10dBm。

nRF401的天线接口设计为差分天线,以便于使用低成本的PCB天线。它所需要的外围元件少,无需声表滤波器、变容管等昂贵元件,只需要便宜且易于获得的4MHz晶体,收发天线合一,无需进行初始化和配置,不需要对数据进行曼彻斯特编码,有两个工作频宽(433.92/434.33MHz),工作电压为2.7V～5V,还具有待机模式,可以更省电和高效。因此非常适合便携式产品设计。其结构框图如图2所示。

nRF401有3种工作模式:收模式(RX)、发模式(TX)和等待模式(Stand.by),其具体工作模式可由3个引脚设定,分别是TXEN、CS和PWR_UP。因此可以通过单片机控制nRF401的工作模式,使其处于接收、发射、等待中的任一种状态,实现半双工通信。若PWR=0,TXEN和CS任意,则系统为待机状态;若TXEN=1,则为发送状态;TXEN=0,为接收状态。CS为信道选通端,CS=0选通信道为433.92MHz;CS=1选通信道为434.33MHz。RF_PWR为发射功率设置,调节电阻R3值可以调节输出发射功率,最大发射功率可以调节到+10dBm。其主要特性如下:

(1)工作频率为国际通用的数传频段;

(2)工作速率最高可达20Kb/s;

(3)FSK调制,抗干扰能力强;

(4)采用PLL频率合成技术,频率稳定性极好;

(5)灵敏度高达-105dBm;

(6)功耗小,接收状态250μA,待机状态仅为8μA;

(7)最大发射功率达+10dBm;

(8)低工作电压(2.7V),可满足低功耗设备的要求;

(9)具有多个频道,可方便地切换工作频率;

(10)因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计,使用无需申请许可证,开阔地的使用距离最远可达1000m。

nRF401接收机使用频移键控(FSK)调制方式,改善了噪声环境的系统性能。nRF401另一个非重要的特性是接收机的频带外阻抗很高,这意味着它不需要外部声面波(SAW)滤波器。

本系统的无线通讯模块发送部分是通过单片机串行口发送到nRF401的Din脚进行发送,而接收部分是由模块接收到数据以后,由Dout输入到单片机的串行口的,连接示意图如图3所示。

1.3 存储电路

存储电路使用的芯片为AT24C01,是128B的EEP-ROM。该芯片是用来存储标签密钥,在发行射频标签时通过读写器的射频芯片发射传播一串密钥。例如,12B的数据通过射频标签的nRF401芯片接收后送到单片机的串行口,再经过单片机的处理后写入到I2C存储器AT24C01中,以后每次对卡片进行读写操作时,首先要进行密钥判断,如果密钥正确才能进行相应的读写操作,从而有效防止该射频标签被误读,只有发行该卡片的读写器才能对其进行读写。

1.4 电池工作寿命的计算与工作循环的关系

(1)一个CR2032型锂电池(标称容量>210mAh),要让该电池工作半年以上(4380h)。

(2)为满足该连续工作时间,理论上要求平均工作电流为:

I=210mA.h/4380h=47.9μA

(3)在工作模式转换中,从待机到接收稳定最多需要5ms的时间,另外加上10ms时间来搜索前置码,所以设计工作时间为15ms,待机时间为3.45s,此时理论平均工作电流为:

I=11mA×(15ms/3.45s)=47.8μA

nRF401接收电流为11mA,这也意味着为了唤醒标签,读卡器每次发送数据时必须先发送至少3.45s的前置码,以保证能够可靠唤醒标签。对于标签来说,每工作15ms若搜索不到前置码,即进入待机模式3.45s。利用在待机模式和接收模式之间的切换来减小功耗。当加大电池容量后,就可以延长电池的使用时间和缩短待机时间。

1.5 系统开发环境

(1)编译器使用MSP430的IAR C编译器。

(2)仿真器使用杭州利尔达公司LSD-FET430P120。

(3)编程器使用杭州利尔达公司的LSD-430PRGS-IIIA。

2 系统软件设计”

系统软件采用模块化程序设计,用C语言编写。主要由四部分组成,包括:主程序模块、通信程序模块、I2C通讯模块、存储程序模块。主程序流程图如图4所示。

2.1 主程序模块

主程序模块主要完成各种参数的设置,时钟源选择,定时器参数设置等。由于51单片机的广泛应用,大家都比较熟悉,基于此,在此主要对MSP430相对51单片机在编程上的一些不同做简单说明:

(1)时钟源选择

MSP430单片机有多个时钟源,在程序的开始,必须编写时钟选择程序,选择相应的时钟,如选择外部时钟源并等待时钟稳定的程序:

(2)中断函数的应用

每个中断函数都有相应的入口地址,在IAR编译环境下,必须用以下格式对中断函数进行描述。

定时器中断函数:

只有这样定义,当中断发生时才能进入相应的中断函数。

(3)进入和退出低功耗模式

2.2 通信程序模块

为了省电,射频标签大部分时间处于待机模式,单片机平时处于低功耗模式3{LPM3;},此时只有32KHz的晶振工作,工作电流仅为0.8μA,通过中断可唤醒单片机,每隔一定的时间(3.45s,1.4节算出的值),控制PWR_UP脚为1进入工作状态,同时控制TXEN的值为0使标签进入接收状态(工作时间为15ms),对接收到的数据进行判断,看是否符合协议要求。若符合协议格式,nRF401转入发射模式,发送返回的数据,发送完后nRF401又回到待机模式,同时MSP430进入LPM3低功耗模式状态。

每隔一段时间转入接收模式状态,当接收到数据后,经数据处理后转化为发射状态,发射完后又转入待机模式。所以在编写程序时,要特别注意这两个状态在转换过程中所需要的时间。

(1)从待机模式到接收模式的转化时间至少为5ms;

(2)从接收模式转化为发射模式时,数据输入脚(Din)必须保持为高至少1ms才能发送数据。

2.3 存储模块程序

主要包括It总线程序和AT24C01的读写操作函数。AT24C01是串行存储器,通过I2C总线进行存储数据,在此用单片机的P3.6和P3.7模拟I2C总线传输。AT24C01在3V条件下工作,I2C的传输速率典型值为100kHz,MSP430单片机是单周期指令,即一个时钟周期为一个机器周期。在本系统中晶振频率为4MHz,每条指令的最小时间为0.25μs,因此在每条指令后要加相应的延时。例如SDA模拟输出程序如下:

本文利用nRF401芯片来设计相应的标签,这种标签可以用由nRF401芯片设计的读写器进行读写;利用无线射频芯片nRF401,设计实现了简单、低功耗的无线射频标签。两个工作频宽(433.92/433.33MHz)可根据需要进行选择,适用于需要进行较远距离读写的各种射频应用场合;充分考虑芯片选型的成本和价格,为厂家进行大批量生产提供借鉴。

参考文献

[1] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2000．

[2] 胡大可.MSP430系列单片机 C 语言程序设计与开发[M]北京:北京航空航天大学出版社,2002．

[3] 毕大园,杨钰.基于 nRF 系列无线收发芯片的线路智能识别系统设计[J].红河学院学报,2002,4(2) .

无线433MHz 篇4

民爆行业对区域内的工作人员身份信息及数量有着严格的规定, 工信厅安[2013]173号文指出“用信息化手段提高传统高危制造行业安全生产本质水平, 提升民爆企业生产现场安全管理和民爆行业主管部门安全监管水平”。鉴于民爆行业的特殊性, 要求生产工房各逃生通道不允许有障碍物, 同时又要对进出通道的人员身份、工房内的人员数量信息进行准确采集, 并将信息上传至上级监管部门。本文在综合比较各种人员身份识别技术的基础上, 提出一种基于RFID 433MHz和视频监控的定员式门禁系统, 可实现对出入人员的远距离自动识别和定位, 同时有效采集人员图像信息, 并在满员、超员或有非法侵入时及时抓拍信息、自动提醒报警、上传图像信息至应急系统。

1 系统设计

基于RFID 433MHz和视频监控的定员式门禁系统主要完成以下监控功能。

(1) 当工房内发生第一次超员时, 系统将433MHz读写器读取的信息与上次信息进行比对, 获取超员人员信息和工房位置信息, 并通过摄像头自动获取其图像信息, 同时进行报警。

(2) 当工房内出现满员, 防护土堤出入口读写器获取到人员靠近的信息时, 摄像头立即启动抓拍功能。若该信息一直存在, 则摄像头每隔5s抓拍一次, 同时系统发出满员提示。

(3) 当防护土堤出入口读写器未读取到人员信息, 但红外对射有人通过时, 摄像头立即启动抓拍功能, 同时系统发出“有人非法侵入”报警。

(4) 当发生报警或非法侵入时, 后台系统自动弹出发生超员的最后一个位置信息和相应位置摄像头抓拍的信息, 并提醒管理者进行应急处置。

系统控制框图如图1所示。

2 硬件安装及解决方案

系统硬件安装及解决方案应能对工房的重要工位监控、工房内全景、工房外侧、防护土堤出入口进行防护, 并对工房内的员工信息、图像信息、位置信息进行准确、直观监控, 如图2所示。

(1) 在工房内各重要部位安置摄像头, 每个工房安装1~2个433MHz读写器, 要求摄像头能够清晰获取图像信息的地方读写器应能保证读到有源电子标签, 一个读写器可能对应多个摄像头。

(2) 在工房各出入门附近安装摄像头, 并在工房内靠外侧的通道、出入口对面安装433MHz读写器, 要求该摄像头可获取至少2个出入门的图像信息, 读写器能读到有源电子标签的地方摄像头应能保证获取清晰的图像信息, 读写器获取标签的算法应进行优化处理, 一个摄像头可能对应多个读写器。

(3) 对于工房外侧和防护土堤之间的通道, 可在防护土堤内侧安装多个433MHz读写器, 在通道的一侧安装1个摄像头, 要求该摄像头可获取整条通道的图像信息, 安装于防护土堤上的读写器能够读到有源电子标签的地方摄像头应能保证获取清晰的图像信息, 对读写器获取标签的算法进行优化处理, 一个摄像头可能对应多个读写器。

(4) 对于防护土堤 (与另一个防护土堤出入口相距60m以上, 或距离小于60m且两个出入口不在同一直线上) 各出入口位置, 靠近外侧的地方安装一个433MHz读写器, 对应一个摄像头, 要求读写器能够读到有源电子标签的地方摄像头应能保证获取清晰的图像信息, 读写器的功率应能调整, 保证读取距离不能太远, 一个摄像头对应一个读写器。

(5) 对于防护土堤 (与另一个防护土堤出入口相距小于60m且两个出入口在同一条直线上) 出入口位置, 靠近外侧的地方安装一个433MHz读写器, 每个出入口安装一个摄像头, 要求读写器能够读到有源电子标签的地方摄像头应能保证获取清晰的图像信息, 一个读写器可能对应多个摄像头。

3 软件设计

系统采用C/S (客户端/服务器) 与B/S (浏览器/服务器) 混合的多层信息交互模式, 数据采集采用C/S, 网页浏览采用B/S结构, 基于SQL Server进行数据库开发。这种结构通过把任务合理分配到客户端和服务器, 降低了系统的通信开销。系统软件流程如图3所示。

4 系统关键技术实现

4.1 信息、位置的获取和数据安全

系统根据EPC编码规则, 对每个电子标签进行内部编码, 包括人员的姓名、职位、工种等;同时, 对每个读写器进行IP地址设定和机号设定;采用流水线数据清理框架结构以支持普适环境应用, 对数据进行点处理、平滑处理、合并处理、判决处理和虚化处理。为克服RFID标签易受到非法访问、伪造等缺点, 采用一种改进的随机读取控制Hash锁方法, 将获取的信息与前端系统数据库对比, 确定当前人员的信息。根据读写器在同一时间段内读取到的批量电子标签信息以及RSSI值, 确定同一批次各电子标签与哪个读写器靠近;由前端系统数据库判断当前读写器的位置信息, 确认当前各电子标签的位置信息, 从而确定当前人员的位置信息。

4.2 多标签防碰撞算法

多标签碰撞冲突是RFID系统最容易出现也是必须解决的难题。本文采用了基于时隙随机分配的时分多路法, 方案简单、易于实现, 完全满足现场报警与显示的响应时间不超过2s的要求。假设电子标签与读写器通信一次的时间为T0, 有源电子总数为N, 当发生标签碰撞时, 将发生碰撞的N1 (N1≤N) 个电子标签分别加上随机数时隙, 作为每个标签下一次与阅读器通信的时间, 此时已有N2=N-N1个标签读取成功;在下一通信周期内, 上一周期的N1个标签的发射时间大部分已经错开, 如此反复几次后即可顺利解决标签碰撞问题。T0根据当前可允许进入工房的总人数和标签的功耗进行调整, 由于该系统当前工房最大允许总人数N=10人, 因此设计T0=500ms, 这样实际响应时间小于1s。

4.3 抓拍和图像信息处理

通过分析前端系统数据流, 系统在满员、超员以及非法侵入时进行抓拍。当出现一个读写器对应多个摄像头时, 通过两种方法实现抓拍和图像处理:一是相关摄像头全部抓拍, 图像信息传输至后台管理系统, 面部识别算法只需识别到该人员的正面即可通过验证, 并自动弹出界面并报警, 其余的摄像头不再进行抓拍;二是通过3个读写器读取到的电子标签RSSI值等信息在某一时间段的变化规律, 确定当前电子标签的朝向, 从而确认用哪个摄像头进行抓拍。第一种方法仅要求人脸识别算法识别人正面的重要特征;第二种方法对工房内的读写器安装、功率的调整要求较高, 但其软件处理最简单。

由于调用摄像头抓拍需要“容器”界面, 而WebForm、WinService均无法提供界面容器, 因此使用WinForm为二次开发库提供界面容器, 将“抓图系统”从Web系统中独立出来成为一个独立运行系统。Web页面采用Ajax技术, 高频率遍历抓图文件夹, 同时在页面采用“缩略图”与“原始图”联动的效果。

5 结束语