高仁璟， 劉國新， 唐禎安

（大連理工大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)部，遼寧 大連 116023）

0 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和各種各樣的射頻集成芯片的大量涌現(xiàn)，射頻技術(shù)在現(xiàn)代生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用越來越廣泛。射頻技術(shù)在無線監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用[1]。與傳統(tǒng)的有線傳輸方式相比，射頻傳輸具有安裝與維護(hù)方便、價(jià)格低廉、適用于復(fù)雜地理?xiàng)l件等優(yōu)點(diǎn)。

然而，實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中，經(jīng)常會有各種各樣的射頻網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行。如何實(shí)現(xiàn)射頻網(wǎng)絡(luò)管理，避免網(wǎng)絡(luò)沖突，保證數(shù)據(jù)正確傳輸便成為射頻技術(shù)應(yīng)用中非常重要的環(huán)節(jié)?，F(xiàn)將Zigbee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)管理方式，應(yīng)用于基于Si4432的無線射頻遙控系統(tǒng)中，并根據(jù)實(shí)際情況對協(xié)議進(jìn)行簡化，保證了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

1 無線射頻遙控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

射頻遙控系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。系統(tǒng)由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)（從節(jié)點(diǎn)）及手持移動遙控設(shè)備（移動節(jié)點(diǎn)）組成。主節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立和管理、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能以及向控制系統(tǒng)發(fā)送控制命令。路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)入網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。手持設(shè)備用于入網(wǎng)和發(fā)送控制命令。主節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)由主電源供電，一直處于工作狀態(tài)；手持設(shè)備由電池供電，大部分時(shí)間處于休眠或關(guān)閉狀態(tài)。

圖1 射頻遙控系統(tǒng)整體框

2 基于Si4432無線射頻系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖 2所示為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，其中圖 2(a)為移動節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖，圖 2(b)為路由節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖。主節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)均采用高性能、低功耗的 8 位AVR 系列的單片機(jī)[2]?？紤]移動節(jié)點(diǎn)是電池供電，為了延長供電時(shí)間，采用低功耗的ATmega168芯片。主節(jié)點(diǎn)采用ATmega32芯片。射頻收發(fā)采用的是Silicon Labs公司的Si4432芯片，該芯片集成度高、體積小、功耗低，具有-118dBm的超高靈敏度，可提供極佳的鏈路質(zhì)量，在擴(kuò)大傳輸范圍的同時(shí)將功耗降至最低。其工作頻段范圍為240～930 MHz，最高輸出功率可達(dá)+20 dBm，傳輸距離遠(yuǎn)。Si4432內(nèi)部集成了天線分集、休眠喚醒定時(shí)器、64字節(jié)收發(fā) FIFO等功能，同時(shí)，Si4432芯片還具有跳頻和信道信號強(qiáng)度評估功能[3]。其外圍電路僅需要一個(gè)30 MHz晶振及幾個(gè)電阻、電容、電感等，電路設(shè)計(jì)簡單、成本低廉。AVR單片機(jī)與Si4432芯片通過標(biāo)準(zhǔn)的串行接口（SPI）相連。單片機(jī)通過SPI口配置Si4432內(nèi)部寄存器和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。Si4432的TX引腳為射頻信號發(fā)送端，RXp、RXn引腳為差分信號接收端，射頻信號的發(fā)射和接收端通過RF開關(guān)芯片UPG2214與天線相連。

為了提高系統(tǒng)的實(shí)用性，路由節(jié)點(diǎn)增加了串口，為系統(tǒng)功能擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。移動節(jié)點(diǎn)增加了液晶顯示，顯示各節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)以及信號強(qiáng)度；同時(shí)，移動節(jié)點(diǎn)還配有多個(gè)按鍵，或用于發(fā)送控制命令，或用于發(fā)送網(wǎng)絡(luò)測試命令。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)幀格式

本系統(tǒng)采用EZMac協(xié)議定義的幀格式進(jìn)行通信，EZMac幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 EZMac幀結(jié)構(gòu)

每次發(fā)送數(shù)據(jù)必須以AA為前導(dǎo)碼，否則外部接收裝置無法接收數(shù)據(jù)。前導(dǎo)碼至少要有3個(gè)字節(jié)。D0到Dn是凈荷，不超過16個(gè)字節(jié)。2D、D4是同步模式的標(biāo)志碼。CID（用戶ID）位用于避免鄰近的不同系統(tǒng)使用EZMac而產(chǎn)生的干擾。SID（發(fā)送方ID）位和DID（目的地ID）位用于唯一標(biāo)識數(shù)據(jù)通信設(shè)備。PL（包長）位使用于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包長度需要動態(tài)變化時(shí)。CRC（循環(huán)冗余碼）位用于識別數(shù)據(jù)包中是否有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)位[4]。當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)包過濾是實(shí)時(shí)的，這樣 EZMac可以盡早剔除無效的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包的實(shí)時(shí)過濾節(jié)約了資源，在某些情況下可顯著減少浪費(fèi)在處理無效數(shù)據(jù)包進(jìn)程上的資源。

3.2 各節(jié)點(diǎn)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的軟件由硬件管理層、數(shù)據(jù)管理層、應(yīng)用管理層、網(wǎng)絡(luò)管理層四部分組成。硬件管理層實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的初始化、Si4432初始化、按鍵等外設(shè)管理。數(shù)據(jù)管理層主要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，它與硬件管理層、網(wǎng)絡(luò)管理層及應(yīng)用管理層都存在數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)管理層與硬件管理層進(jìn)行無線收發(fā)數(shù)據(jù)交換，與網(wǎng)絡(luò)管理層和應(yīng)用層進(jìn)行命令數(shù)據(jù)交換。為加快程序的響應(yīng)速度，各層之間的消息傳遞主要通過置位標(biāo)志位的方式實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用管理層主要實(shí)現(xiàn)用戶自定義的功能。網(wǎng)絡(luò)管理層主要用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理功能，節(jié)點(diǎn)類型不同，其實(shí)現(xiàn)的功能也不同。各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)管理層的功能為：

（1）主節(jié)點(diǎn)

主節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)管理功能。為避免因節(jié)點(diǎn)復(fù)位造成網(wǎng)絡(luò)故障，本系統(tǒng)充分利用了單片機(jī)的 EEPROM 數(shù)據(jù)存儲區(qū)。

主節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)過程：讀取EEPROM區(qū)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)數(shù)值，包括組網(wǎng)頻段、網(wǎng)絡(luò)ID值、子節(jié)點(diǎn)ID值（主節(jié)點(diǎn)的ID值設(shè)為0x00，廣播地址的值設(shè)為0xFF）。主節(jié)點(diǎn)對設(shè)定頻段進(jìn)行一段時(shí)間的偵聽，如果未發(fā)現(xiàn)有同頻的其他網(wǎng)絡(luò)存在，則確定本頻段為網(wǎng)絡(luò)建立頻段；若發(fā)現(xiàn)存在其他網(wǎng)絡(luò)則進(jìn)行跳頻管理，將網(wǎng)絡(luò)頻段調(diào)至相鄰頻段，同時(shí)將新的頻段值存入EEPROM區(qū)。

主節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)管理：主節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)完成后，等待其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)收到子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請求后，向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)確認(rèn)消息，同時(shí)將子節(jié)點(diǎn)的地址存儲于EEPROM中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾韰^(qū)。若某一子節(jié)點(diǎn)長時(shí)間未響應(yīng)，則主節(jié)點(diǎn)將其從網(wǎng)絡(luò)中剔除。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，若主節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)其他網(wǎng)絡(luò)在同一頻段運(yùn)行，則向全網(wǎng)發(fā)送跳頻命令，同時(shí)更改網(wǎng)絡(luò)頻段。

（2）路由節(jié)點(diǎn)

路由節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)入網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

路由節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)過程：讀取EEPROM內(nèi)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)數(shù)值，包括網(wǎng)絡(luò)ID，本節(jié)點(diǎn)ID，父節(jié)點(diǎn)ID，子節(jié)點(diǎn)ID，網(wǎng)絡(luò)頻段值。在設(shè)定頻段內(nèi)發(fā)送入網(wǎng)請求，收到入網(wǎng)確認(rèn)消息后，將新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)存入EEPROM網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾韰^(qū)。若路由節(jié)點(diǎn)長時(shí)間未收到入網(wǎng)確認(rèn)消息，則自動跳至下一頻段搜索網(wǎng)絡(luò)。

路由節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)管理：路由節(jié)點(diǎn)動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)收到子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請求時(shí)，發(fā)送確認(rèn)消息，并將子節(jié)點(diǎn)的ID值存入EEPROM網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾韰^(qū)；當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)丟失時(shí)，則尋找新的父節(jié)點(diǎn)重新入網(wǎng)。同時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)也具備網(wǎng)絡(luò)偵聽功能，當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)同頻段其他網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)沖突消息。

本系統(tǒng)中，路由節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，同時(shí)具有數(shù)據(jù)暫存功能，即當(dāng)發(fā)往某節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)暫時(shí)無法收到確認(rèn)消息時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)將其暫存，等待節(jié)點(diǎn)重新入網(wǎng)后再傳遞數(shù)據(jù)，長時(shí)間無響應(yīng)時(shí)則刪除數(shù)據(jù)。

（3）移動節(jié)點(diǎn)

手持設(shè)備作為移動節(jié)點(diǎn)，無路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，采用電池供電。移動節(jié)點(diǎn)的主要功能是入網(wǎng)和發(fā)送控制命令，為了省電通常處于休眠狀態(tài)。

3.3 系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的程序流程

系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的程序流程：

①硬件初始化：包括單片機(jī)初始化，Si4432初始化，其他外設(shè)初始化。

②網(wǎng)絡(luò)初始化：主節(jié)點(diǎn)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道掃描并加入網(wǎng)絡(luò)；

③用戶自定義功能初始化；

④程序進(jìn)入循環(huán)工作狀態(tài)，檢測各層標(biāo)志位狀態(tài)，當(dāng)標(biāo)志位狀態(tài)改變時(shí)，則調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行處理。

3.4 沖突避免機(jī)制

當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，有可能發(fā)生通信沖突，造成信道阻塞，數(shù)據(jù)丟失。為避免這種狀況出現(xiàn)，這里借鑒了CSMA/CA協(xié)議方式，在一個(gè)廣播形式的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中覆蓋范圍內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)都能接收到，容易形成數(shù)據(jù)阻塞，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)速度變慢，甚至癱瘓。為了避免數(shù)據(jù)傳輸中的碰撞和重復(fù)發(fā)送，無線網(wǎng)絡(luò)中采用CSMA/CA協(xié)議，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先偵聽信道是否空閑，如果空閑則立即發(fā)送數(shù)據(jù)，否則暫時(shí)不發(fā)送，退避一段時(shí)間，繼續(xù)偵聽[5]。該協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)通信信道的合理利用。

CSMA/CA協(xié)議有三種檢測信道空閑的方式：能量檢測（ED）、載波檢測（CS）以及能量載波混合檢測。這里采用能量檢測的方式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢測 Si4432的RSSI寄存器的值，以檢測信道能量值，當(dāng)RSSI值大于某一閾值時(shí)不進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，退避一段時(shí)間，繼續(xù)檢測，直至將數(shù)據(jù)發(fā)出。

3.5 跳頻機(jī)制

現(xiàn)利用跳頻管理機(jī)制，對射頻網(wǎng)絡(luò)頻段進(jìn)行管理。Si4432頻段管理寄存器分為兩種，一種是載波發(fā)生器，另一種是跳頻（FHSS）管理寄存器。載波發(fā)生器用于設(shè)置Si4432的基礎(chǔ)頻率（Fnom）；跳頻管理寄存器用于設(shè)置跳頻參數(shù)。跳頻管理寄存器由跳頻頻道（fhch）選擇和跳頻步長（fhs）設(shè)置兩個(gè)寄存器組成。Si4432載波頻率計(jì)算式為：

由式（1）可知，當(dāng)設(shè)置好調(diào)頻步長（fhs）后，可以通過改變跳頻頻道選擇寄存器的數(shù)值（fhch）來實(shí)現(xiàn)跳頻功能。

4 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

首先，驗(yàn)證主節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)功能。開啟一個(gè)干擾網(wǎng)絡(luò)，然后給主節(jié)點(diǎn)上電。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)信道掃描時(shí)間設(shè)置合理時(shí)，系統(tǒng)能夠檢測到網(wǎng)絡(luò)沖突，并進(jìn)行跳頻。

然后，驗(yàn)證各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)管理功能。開啟路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道掃描，在主節(jié)點(diǎn)工作的頻段向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請求，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)消息并在液晶模塊上顯示路由節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)證明，主節(jié)點(diǎn)能夠監(jiān)測路由節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)及離網(wǎng)狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中引入干擾網(wǎng)絡(luò)時(shí)，主節(jié)點(diǎn)能夠?qū)嵭刑l 管理。

在數(shù)據(jù)沖突驗(yàn)證中，當(dāng)各節(jié)點(diǎn)組成鏈狀網(wǎng)時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送正常。當(dāng)組成Mesh狀網(wǎng)時(shí)，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突現(xiàn)象。將各節(jié)點(diǎn)的CSMA/CA退避時(shí)間設(shè)置為不同值時(shí)，能夠有效降低沖突發(fā)生率。

5 結(jié)語

在無線技術(shù)應(yīng)用中，為射頻網(wǎng)絡(luò)添加網(wǎng)絡(luò)管理功能，能夠有效的避免網(wǎng)間沖突，防止數(shù)據(jù)丟失，網(wǎng)絡(luò)癱瘓等故障，大大提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。

相比于傳統(tǒng)的有線控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)體積小，安裝方便，功耗低，無線傳輸性能優(yōu)越；機(jī)械復(fù)雜度低，出現(xiàn)故障，易于查找故障點(diǎn)，更換、維修方便；工業(yè)現(xiàn)場往往存在各種供電線路、控制線路等，電路極其復(fù)雜，采用本射頻控制系統(tǒng)，能夠極大地降低電路復(fù)雜度，降低安全隱患。系統(tǒng)已成功應(yīng)用于冶金、水泥等行業(yè)，實(shí)現(xiàn)了控制信號的無線傳輸。

[1] 羅春彬, 彭龑, 易彬. RFID技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J]. 通信技術(shù), 2009,42(12)： 112-114.

[2] 沈文, LEE Eagle, 詹衛(wèi)前. AVR單片機(jī)C語言開發(fā)入門指導(dǎo)[M].北京： 清華大學(xué)出版社, 2003： 2-3.

[3] Silicon Laboratories. Si4432 ISM transceiver DataSheet rev 0.3[EB/OL]. (2010-01-12) [2010-03-08]. http：//www.silabs.com.

[4] 劉希若, 羅志祥. EZMac協(xié)議原理與應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2007, 35(07)： 98-99.

[5] Zigbee Alliance. Zigbee Document 053474r17： Zigbee specification[EB/OL]. (2010-01-12) [2010-03-08]. http：//www.zigbee.org/.