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(shù)

時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)技術(shù)， 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。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(shù)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(gòu)

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(gòu)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)的方式捜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,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。

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。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(zhuǎn)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。

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(guān)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。

時分多址應用設計的關(guān)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：

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(guān)系，可以得出如下公式 ：

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：

由上面的公式可知，時隙Δt的選擇跟Date·rate成反比關(guān)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(jié)果

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

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(shù)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Af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(jié)果如表2所列。

6 結(jié) 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(jié)果。 實際使用證明，將該無線接入技術(shù)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。

20211124_619e5079af4e4__基于CC1101的時分多址接入系統(tǒng)設計