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无线数据采集系统的设计与传输系统

摘要： 在现代无线通信领域，主要有一些技术为无线传输网络提供解决方案，例如：GSM，CDMA，3G，Wi-Fi。这些解决方案使网络工作效率高，质量好，但仍具有高成本。所以要低成本，在没有基础设施或者基础设施被破坏的情况下推广它们是很困难的。根据这种情况，本论文中数据采集和无线传输网络里的信息终端和无线收发模块的关键部件，是依据nRF905收发模块和51系列单片机的原理设计而成作为核心硬件，此外，结合目前自组无线网络的技术，一个短距离无线数据采集和传输网络被彰显，这个网络能够提供一个工作在ISM（工业科学医学）频段的低功率及高性能的数据通信系统。然后提出了一个可行的解决方案，采用无线数据通信，具有更强的实时响应，更高的可靠性要求和更小的数据量。过软件和硬件调试和实际测量，该系统根据我们的解决方案已经工作得很好，达到了预期目标，已成功地应用到无线

车辆系统。

关键词： 无线数据通信；数据采集；传输网络

1 简介

在现代无线通信里，GSM，CDMA，3G和WiFi成为主流的解决方案，因为它们的高的无线数据传输网速度，质量可靠。他们也有成本较高的缺点，使更广泛的应用程序将造成资源的极大浪费，而且不能促进了小区域，低速数据通信。多点短距离无线数据采集和传输网络将成为最佳解决方案。此系统支持点对点，点对多点和多点对多点通信系统的发展。

短距离无线通信可以采用不同的网络技术，诸如蓝牙，IEEE802.11，家庭无线网和红外。与长距离无线通信网络相比，它们的不同之处在于基本结构，应用水平，服务范围和业务（数据，语音）。短距离无线通信网络设计的初衷是为了提供短距离宽带无线接入到移动环境或者制定临时网络，它是互联网在移动的进一步发展环境。短距离的主要优点是无线通信网络成本更低和运用更灵活。

本文介绍的硬件设计方案和信息终端（机器）的软件和的多点的短距离无线接收机模块无线数据采集与传输网络，其提供了一种低功率和高性能的无线数据通信系统，工作在ISM（工业，科学和医疗）频段。文章剩余部分如下安排：在第二部分，我们描述了无线数据采集和传输系统的通用模块图表，第三部分，我们分析此系统硬件设计的关键技术，第四部分，介绍系统的软件设计，第五部分，展示系统的测试结果，最后我们在第六部分阐述结论和进一步的工作。

2 系统实现模型

1．系统模型

作为一个点对多点的多功能无线通信系统，它由一个中央监控系统（CMS）和多个远程终端单元(RTU)（图1）。事实上，这种远程终端单元是某种可拆卸站这可以与其它站的通信过程中进行通信运动。此外，CMS与RTU通讯双向方式。在下一部分，设计的软件和硬件上的一些关键部件。

图1网状无线通信系统图

2．相关模型

本论文中的系统是根据OSI（国际标准组织）中的OSI/RM模型里的第一层（物理层）和第二层（数据链路层）而设计的，如图2所示。物理层的功能是通过构成电路和专用芯片组完成的。否则，在通信协议数据链路层通过软件实现。

图2虚拟和实际通信过程之间的源和目标单元

3 系统硬件设计

对于设计的维护和更新方便起见，根据它们的一些硬件单元和节点功能和电学特性被划分成不同的模型。本设计有RF收发器模块，控制和处理模块，通用串行接口模块，数据缓冲器和储能模量和多功能的电源管理模块中的基本结构（图2）。

图2系统基本结构图

1．收发器和接收模块

在数据发送过程中，数据包将被调制到高频然后发送到目标无线射频传输模块，接收过程中，高频信号通过无线射频接收模块又被解调成原始数据包。

NRF905是无线射频收发模块的关键，它的频率是1MHz的晶体振荡器。NRF905可以通过印刷式天线接收无线射频信号，但是为了提高接收机的灵敏度和抗干扰能力，这种模采用外部天线和滤波器电路。

2．控制处理模块

控制处理模块由单片机和外部电路组成，有两个功能：一是使所有模块在其控制下协调工作，二是处理和传输从接口来的数据，例如路由处理，数据打包，验证和重传请求。

模块的关键部件MCU是51系列单片机，考虑到工业功能，华邦 78LE546因其在8位CMOS微处理器里较好的容量特性被而被应用，与2.4-2.5伏的宽电压供电，256比特嵌入式RAM，16KB Flash EPROM以及64KB地址空间，四个8位标准I/O接口，一个标准I/O双串行口相兼容。

SCM的晶体振荡器频率是22.1184MHz，电功率为3.3伏适合无线收发芯片里nRF905的逻辑水平。它的引脚通过与VCC相连受到保护并保持器稳定性。MCU与所有模块的具体连接如表1所示。

表1单片机接口模块描述

3．多功能电力管理模块

最显着的特点是兼容性与8-24V宽电压供电，包括在5V ，3.3V CMOS和TTL功率，它提供了所有模块的合适的，稳定的电源。同时，这意味着在能量的节能，因为电子开关的储蓄。电源动力传输芯片C851414和AS1117-3.3是在此模块中的主要成分。C851414取得了从8V的电压传输至24V的话，AMS1117-3.3使其从5V到3.3V。此外，引入合适电容和电感的过滤器，使电源的纹波特性成为完美的可能。

4. 通用串行接口模块

通用串行接口的主要功能是作为信号输出设备或模拟采集设备与AD转移模块连接通用的终端设备。同时，它提供通过交换通用RS232串行接口数据入口到计算机终端。

5. 数据缓冲和存储模块

它有两种功能，一种是数据缓冲器， 另一种是数据存储，分别是32 K字节RAM和16G K字节EEPROM。数据缓存区监督缓冲一些临时数据，如传输数据，等待数据。数据存储区监督一些固定数据存储器，例如路由器的数据，本地主机，本地地址和一些更新的数据断电保护。

6. 高频屏蔽保护模块

为了防止电磁干扰环境，电路中的系统设计是受保护的与金属外壳。同时，防止

数字电路受到射频电路干扰，我们在系统中设置两个不同电路的孤立，如图3.有一个小洞直径小于1/4波长的金属盒侧它或者是容易通过线路或防止从它获得的电磁波。

图3电路屏蔽示意图

4 系统软件设计

系统性能的真实取决于其有效性和合理的软件控制。软件设计是在硬件环境的基础上开发一个无线网络协议，为了到达设计目标，这个协议要有诸如数据传输，冲突避免，错误后重传以及超时重试的功能。整个网络由一个主机和许多分散的终端组成，每个终端必须有一个无线收发节点（此系统支持Nrf905单片无线收发器），整个无线网络的任何节点都有一个唯一认证地址对应一个唯一认证终端。为了方便起见，每个确定系统的终端无线收发器节点地址都是我们自己设定的4字节。

为了提高系统的稳定性，协议被设置成停止-等待模式。在数据链路层，发送过程大概如下：首先，数据源发送一个连接请求道数据目标，得到数据源的响应后传输数据。接着，每一次传输都要等待接收方的回应。如果响应正确，另一次的传输才会开始。当所有数据传输完后，数据源将发送一个释放信道请求，当收到接收方的响应后传输结束。接收过程如下：在接收方给数据源响应后将收到数据，然后会发送一个有效或无效的响应，直到收到拆除链路请求。接下来，保存数据且发送一个响应来结束整个过程。

1. 地址字段和帧格式的定义

我们定义了基于上述的帧格式收发器的过程。有两个帧：请求/响应帧（表2）和数据帧（表3）。

表2请求/响应帧格式

现场解释

请求/响应型码，如：

0x0100:请求建立连接;

0x0200 :响应建立连接;

0x0300: 数据帧的正确反应;

0x0400: 数据帧的错误响应;

0x0500: 请求连接终止;

0x0600: 为响应连接终止。

表3数据帧格式

现场解释

2. 串行外设接口技术

串行外设接口总线或SPI总线是一个摩托罗拉命名的标准经营在全双工模式下的同步串行数据链路。通信设备在主/从模式下，其中主设备发起的数据帧。多从设备被允许个人选择（片选）线。有一个Master和Slave模式。主设备提供时钟信号，并且确定片选线的状态，激活了SLAVE就是与之交流。因此，CS和SQL输出。从设备接收时钟和片选从MASTER，CS和SQL因此被投入。

这意味着有一个主，而数从站仅由芯片选择的数量的限制。

一个SPI设备可以是一个简单的移位寄存器长达一个独立的子系统。移位的基本原理寄存器始终存在。命令代码以及数据值串行传送，泵入移注册，然后在内部可以并行处理。在这里，我们已经看到了一个重要的观点，即必须SPI总线系统的理念来考虑：移位寄存器的长度不是固定的，而是可以不同于设备到设备。常情况下，移位寄存器是8位或它的整数倍。当然也有存在移位寄存器与奇数位。例如两个级联9位的EEPROM可存储18位数据。如果未选中一SPI器件，其数据输出变为成高阻抗状态，因此，它不会干扰与当前激活的设备。当级联几个SPI器件，它们被视为一个奴隶因此连接到相同的芯片选择。在图4级联设备都明显看着为一体较大的设备，因此收到相同的芯片选择。前述装置的数据输出被连接到该数据下一个的输入端，从而形成一个更宽的移位寄存器。基于SPI技术的特点，我们所提出的解决方案，例如图5的算法流程写SPI和图6读书的算法流程SPI。

图4级联多个SPI设备

图5写 SPI的算法流程

图6读SPI的算法流程

3. 地址码信息压缩和处理技术

在大多数无线无线通信地址应用系统中，通信终端的名字是相同的，这带来一些方便设计该系统的应用。最大无线收发器nRF905的芯片的地址长度为32位，也就是4字节的长度，其中仅存储了两名中国ASCII码值。这样的技术地址编码压缩，提出要解决这个问题。

4. 计时器应用程序和错误重传

在通信过程中，因为链路或其它因素的干扰，接收机可以不接收来自发送器的数据帧，或该数据帧是不正确的，在这个时候，接收器不会返回任何确认帧，如果发送者不发送下一帧，直到从确认帧接收器，那么它会永远等待，或接收机可以不处理从发送器，该错误信息，这导致死锁现象。超时定时器，发送后开始或完成接收数据帧来解决这个问题。发送方需要传输的最后一个数据帧时，在超时定时器设置发送器不能再转印超时时间内收到响应消息。显然，这是很重要选择吹捧。如果TOUT太短，发送者传输正常状态下的数据帧。相反，发送方浪费很多时间。 通常，TOUT稍大，发件人发送数据帧和接收确认帧之间的平均时间。

基于上述的情况，重发机构被设计串行incept，无线应用接收和副单元拆包模块等待信息终端返回的消息。

5. 整个模块的实现

无论是系统的功能，可实现并保持稳定取决于对合理规划软件。经过多方考虑和假设，我们设计的软件作为被中呈现的模块图7，以便使该系统实现更好的功效和适应性。图8是展示控制中心（主机）的软件流程图，而图9是信息终端（终端）。 我们会着眼于该模块的一些关键部分。

图7程序结构图

图8控制中心软件（主机）

图9信息终端的软件

5 系统测试

因为任何两个节点之间的通信可经由点进行测试以指向，在该系统中测试节点之间的过程中，点与点之间的通信模型。

A和节点B是用于测试示意图一个很好的例子，就像图10。

图10系统测试示意图

闭环测试电路是通过PC带双串口以及两个RS32口和通信节点A和B建立起来的。在一个终端，数据时通过串口测试辅助工具“串口助手V2.2” 发送，在另一端，监控着返回的数据。数据通过PC的串口A，RS32口发送，然后数据缓冲，最后成功到达终端无线收发器模块。然而，数据接收过程是SPI串口，数据缓冲，然后RS32口，最后才是PC。在本论文中，根据以收发器nRF905和51系列单片机作为核心硬件的原理设计一个低功耗高性能的无线数据通信系统。提出无线数据通信一个可行的解决方案，这个解决方案适合于强大的实时响应，高可靠性要求和小数据量，被广泛的应用于各种领域，例如数据通信，环境监测和安全保卫系统。我们相信在软件设计进一步精炼和提高以后集成和智能通信协议将会实现。

测试过程中，用数字示波器监测通信节点A、B，RS32口和SPI口的数据传输。在接下来的部分，通过分析来自MOSI/SCK和MISO/SCK的信息来验证系统的正确性。

作为无线发送数据的波形，图11展示高效的数据之间的一些关系，地址信息和无线发送同步时钟处理。因为接收机地址必须被指定由发射端子，4字节的地址需要被发送在发送数据包后。

图11高效的数据的关系图，地址信息和无线发送同步时钟

地址确认后，无线接收机开始回暖，并送出有效的数据，蒸馏水地址信息。有效的关系要接收的数据，并且显示出的同步时

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