一種點對多點紅外通信協(xié)議設計與實現(xiàn)

高紹斌，喬學工，王華倩

（太原理工大學 a.信息工程學院；b.電氣與動力工程學院，山西 太原 030024）

紅外線無線通信是指采用波長為950 nm左右的近紅外波段紅外線信號作為通信媒體進行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信方式，它具有成本低廉、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠、抗電磁干擾能力強、能耗低、無電磁輻射等優(yōu)點[1-2]。由于紅外線波長較短，對障礙物的衍射能力差，一般用于短距離點對點直接數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境，是目前小型家電遙控系統(tǒng)中廣泛應用的數(shù)據(jù)通信手段[3]。本文針對無線紅外線通信具有方向性的弱點，提出一種適用于智能家居數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中點對多點紅外線通信協(xié)議，多個傳感器節(jié)點通過紅外無線通信的方式把感知信息傳給中央控制器。

1 系統(tǒng)工作原理

紅外通信系統(tǒng)一般由紅外線發(fā)射和紅外線接收兩部分組成[4]。系統(tǒng)首先將待發(fā)送數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)幀，然后將數(shù)據(jù)幀送給發(fā)射模塊，發(fā)射模塊將待發(fā)射數(shù)據(jù)（通常是0、1的二進制數(shù)據(jù)）經(jīng)調(diào)制編碼調(diào)制后，通過紅外發(fā)光管將電信號轉換成紅外光信號向空間發(fā)射。接收模塊接收到紅外光信號后，經(jīng)濾波、放大、解調(diào)還原成能被單片機識別的二值信號，再由單片機解碼恢復得到原始數(shù)據(jù)。

如圖1所示為基于無線紅外通信的智能家居傳感器數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)結構示意圖，中央控制器（即主控節(jié)點）以輪詢的方式依次與傳感器節(jié)點（即從節(jié)點，如溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器、煙霧傳感器、漏水傳感器等）通信，傳感器節(jié)點收到中央控制器信號采集命令后將感知到的傳感數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)幀傳給中央控制器。當主控節(jié)點與某一傳感器節(jié)點不能直接通信時，系統(tǒng)通過選擇一個能與雙方直接通信的第三方從節(jié)點，通過轉發(fā)數(shù)據(jù)方式實現(xiàn)二者通信。該方法使系統(tǒng)通信穩(wěn)定性得到了提高，同時擴展了無線紅外通信的使用范圍。

2 硬件電路設計

圖1 智能家居傳感數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)結構圖

本設計采用意法半導體STM8s103單片機作為主控芯片，該芯片具有8 kbyte Flash程序存儲空間和1 kbyte RAM，內(nèi)置16 MHz RC振蕩器，無須外接晶振即可工作，10位精度ADC模塊能將傳感器采集的模擬信號轉換成數(shù)字信號以便信號傳輸和存儲，脈寬和頻率可調(diào)的PWM信號波形輸出端口可用于產(chǎn)生紅外線載波信號。STM8s103功耗非常低，正常工作電流只有4～6 mA，進入休眠狀態(tài)只有4 μA，非常適合使用在有較高功耗要求的無線傳感器網(wǎng)絡信號采集系統(tǒng)中。

如圖2為紅外線發(fā)送和接收硬件電路，紅外發(fā)射管采用Vishay公司生產(chǎn)的TSAL6200，TSAL6200是一款遠距離紅外發(fā)射管，發(fā)射紅外光波長為940 nm，有效發(fā)射距離大于30 m。其正極通過一個100 Ω限流電阻直接接到電源正極，負極接到三極管集電極，三極管基極接到單片機PWM輸出端口。其電路原理如圖2所示。

圖2 紅外通信收發(fā)電路圖

接收端采用Vishay公司生產(chǎn)的一體化紅外接收頭TSOP41，它能直接對接收到的38 kHz紅外光信號進行光電轉換、信號放大、檢波、解調(diào)，最后輸出被單片機識別的TTL電平，最遠可接收45 m范圍內(nèi)紅外光信號，最高數(shù)據(jù)接收速率可達4 000 bit/s。如圖2所示TSOP41信號輸出引腳直接與單片機具有脈沖捕獲功能的PC2端相連，紅外接收頭將解調(diào)后的二值信號直接送與單片機，由單片機進行解碼恢復得到原始數(shù)據(jù)。

3 紅外通信協(xié)議

為了使無線紅外數(shù)據(jù)通信標準化，IRDA（紅外數(shù)據(jù)協(xié)會）為紅外通信制定了一系列標準，即IrDA標準協(xié)議[5]。其中Ir-DA1.1標準能以最高4 Mbit/s通信速率實現(xiàn)近距離（通信距離只有0～1 m）點對點通信，但其并不適合智能家居系統(tǒng)傳感數(shù)據(jù)采集中的一對多點無線通信環(huán)境，因此本文介紹一種新的點對多點紅外通信協(xié)議，以滿足智能家居系統(tǒng)一個主控器與多個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)通信要求。

3.1 信號編碼方式

二進制信號編碼由單片機完成，分別以脈寬320 μs、間隔320 μs、周期640 μs電平組合表示為二進制信號“0”，以脈寬320 μs、間隔640 μs、周期960 μs電平組合表示為二進制信號“1”。為了提高信號抗干擾能力和發(fā)射效率，采用頻率為38 kHz，占空比為1/3脈沖序列為載波信號，將上述電平信號編碼組成的“0”和“1”信號序列與載波信號相乘（即載頻調(diào)制），最后將調(diào)制好的信號用紅外發(fā)射管把電信號轉換成紅外線信號向空間發(fā)射，如圖3所示。

圖3 信號調(diào)制圖

3.2 數(shù)據(jù)幀格式

協(xié)議中數(shù)據(jù)以幀為單位進行傳送，一幀數(shù)據(jù)由引導同步碼、用戶數(shù)據(jù)和幀結束碼組成，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)幀格式

引導同步碼用以引導接收方進行用戶數(shù)據(jù)接收、區(qū)分命令幀和數(shù)據(jù)幀，其中命令幀引導同步由脈寬為6 ms、間隔為3 ms、周期為9 ms的脈沖電平組合表示，數(shù)據(jù)幀引導同步碼由脈寬為3 ms、間隔為3 ms、周期為6 ms的脈沖電平組合表示。用戶數(shù)據(jù)即為發(fā)送方用以傳送給接收方的有效數(shù)據(jù)內(nèi)容。幀結束碼用以標志本輪發(fā)送數(shù)據(jù)結束，由脈寬為2 ms的脈沖電平表示。

本協(xié)議定義3種數(shù)據(jù)幀結構，分別為命令幀、數(shù)據(jù)幀和應答確認幀。

命令幀結構如圖5所示。

圖5 命令幀結構

命令幀結構說明：

目的地址：8 bit，表示數(shù)據(jù)傳送目的ID地址號。

源地址：8 bit，表示發(fā)送方ID地址號。

轉發(fā)地址：8 bit，表示轉發(fā)數(shù)據(jù)命令中需要轉發(fā)目的ID地址號。

命令位：4 bit，該協(xié)議定義兩種命令中0B0011表示直接發(fā)送數(shù)據(jù)命令；0B1100表示轉發(fā)數(shù)據(jù)命令。

奇偶校驗位：4 bit，分別是目的地址、源地址、轉發(fā)行地址、命令行的奇偶校驗位。

數(shù)據(jù)幀結構如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)幀結構

數(shù)據(jù)幀由8 byte數(shù)據(jù)和1 byte奇偶校驗位組成，其中奇偶校驗位每一位分別為前8個數(shù)據(jù)字節(jié)奇偶校驗位。

為了提高數(shù)據(jù)通信可靠性，該協(xié)議引入文獻[6]中基于應答機制通信協(xié)議的設計思想，在數(shù)據(jù)傳輸時節(jié)點與節(jié)點之間采用發(fā)送確認幀和超時重發(fā)的策略。其中確認幀由5個脈寬為320 μs、間隔為320 μs、周期為640 μs的連續(xù)脈沖表示。

3.3 通信過程描述

協(xié)議采用主從式網(wǎng)絡拓撲結構，主控節(jié)點（即智能家居中央控制器）以一定時間間隔依次向從節(jié)點（如溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器、煙霧傳感器、漏水傳感器等）發(fā)送命令幀，從節(jié)點響應主節(jié)點命令并把感知的傳感數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)幀傳送給主控節(jié)點。在網(wǎng)絡部署階段，系統(tǒng)為網(wǎng)絡中每一節(jié)點分配一個ID號并存于節(jié)點的E2PROM中，作為今后的通信地址碼。

主控節(jié)點設有定時器，定時時間到系統(tǒng)啟動輪詢機制，該協(xié)議設定定時間為30 s。為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠，主節(jié)點和從節(jié)點通信分為兩個階段，分別為通信握手階段和數(shù)據(jù)傳輸階段，即主控節(jié)點與從節(jié)點在進行傳感數(shù)據(jù)傳輸之前，主控節(jié)點通過發(fā)送命令幀的方式與從節(jié)點建立通信鏈路。

通信握手階段：1）首先主控節(jié)點向從節(jié)點發(fā)送直接數(shù)據(jù)傳輸命令（0B0011）幀。2）發(fā)送的命令幀若得到從節(jié)點確認幀響應，即握手成功進入數(shù)據(jù)傳輸階段。3）發(fā)送命令幀后主控節(jié)點等待2個確認幀時間長度沒有收到確認幀，給該從節(jié)點重發(fā)直接數(shù)據(jù)傳送命令幀，如此重復3次若沒收到確認幀響應，即直接通信嘗試失敗。4）直接通信失敗，主控節(jié)點選擇一個除該節(jié)點以外的另一從節(jié)點發(fā)送轉發(fā)數(shù)據(jù)命令（0B1100）幀，等待1個命令幀加上3個確認幀時間長度，若得到該從節(jié)點確認幀響應，握手成功進入數(shù)據(jù)傳輸階段，否則從剩余從節(jié)點中選擇另一節(jié)點發(fā)送一轉發(fā)數(shù)據(jù)命令幀直到握手成功進入數(shù)據(jù)傳輸階段。

從節(jié)點接收到命令幀后：1）首先提取命令幀中的校驗位對接收到的命令幀進行校驗，若數(shù)據(jù)校驗正確，提取命令幀中的目的地址與本節(jié)點ID號相匹配；若校驗數(shù)據(jù)錯誤則回到命令幀接收狀態(tài)。2）ID匹配成功，則提取命令字行，否則回到命令幀接收狀態(tài)。3）命令為直接發(fā)送數(shù)據(jù)命令，則發(fā)送確認幀響應，接收命令幀成功，進入數(shù)據(jù)傳輸階段。4）命令為轉發(fā)數(shù)據(jù)命令，提取轉發(fā)地址并向該ID地址節(jié)點發(fā)送直接數(shù)據(jù)傳輸命令，并等待接收確認幀。5）接收到轉發(fā)節(jié)點確認幀，發(fā)送確認幀響應主控節(jié)點，進入數(shù)據(jù)傳輸階段。6）等待2個確認幀長度時間沒有收到確認幀，即轉發(fā)數(shù)據(jù)失敗，回到命令幀接收狀態(tài)。

數(shù)據(jù)傳輸階段，通信握手成功后主控節(jié)點等待數(shù)據(jù)接收：1）接收到數(shù)據(jù)幀，若數(shù)據(jù)校驗正確，發(fā)送確認幀，數(shù)據(jù)傳輸完畢，進入下一節(jié)點通信握手階段；若數(shù)據(jù)校驗錯誤等待接收下一幀數(shù)據(jù)。2）通信握手階段發(fā)送命令為直接數(shù)據(jù)傳輸命令，等待3個數(shù)據(jù)幀時間長度，若未正確接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸失敗，返回到通信握手階段尋找另外一條通信鏈路。3）通信握手階段發(fā)送命令為轉發(fā)數(shù)據(jù)傳輸命令，等待6個數(shù)據(jù)幀時間長度若未正確接收到數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸失敗，返回通信握手階段尋找另外一條通信鏈路。

通信握手成功后從節(jié)點：1）接收到命令為直接數(shù)據(jù)傳輸，從節(jié)點直接向源地址ID節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并等待確認幀響應，收到確認幀，數(shù)據(jù)傳輸完畢。2）若等待2個確認幀時間長度未收到確認幀，重傳數(shù)據(jù)副本，等待確認幀，此過程重復嘗試3次失敗，則放棄數(shù)據(jù)幀傳輸，返回命令幀接收階段。3）從節(jié)點接收到轉發(fā)數(shù)據(jù)命令，進入數(shù)據(jù)幀接收狀態(tài)，接收到數(shù)據(jù)并校驗正確后將接收到的數(shù)據(jù)轉發(fā)給主控節(jié)點。4）若等待3個數(shù)據(jù)幀時間長度未正確接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀接收失敗，返回命令幀接收階段。

4 紅外通信軟件設計

軟件包括系統(tǒng)硬件初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送程序和數(shù)據(jù)接收程序。

系統(tǒng)初始化的主要任務是初始化硬件資源，包括設置TIM1_CH1輸出占空比為1/3、頻率為38 kHz的脈沖序列，用作載波信號；設置TIM1_CH2為脈沖捕獲中斷方式，用以計算接收數(shù)據(jù)的脈沖寬度及周期。

數(shù)據(jù)發(fā)送程序，主要包括發(fā)送命令幀子程序（void Send_Command_Frame（unsigned char DestAddress,unsigned char SourAddress,unsigned char TranAddress,unsigned char command）），發(fā)送數(shù)據(jù)幀程序（void Send_Data_Frame（unsigned char*DataBuff）），發(fā)送確認幀（void Send_Confirm_Frame（void））。

數(shù)據(jù)接收程序，數(shù)據(jù)接收主要在STM8脈沖捕獲中斷服務程序void TIM1_CAP_COM_IRQHandler（void）中完成，主要任務有引導同步碼檢測、命令幀與數(shù)據(jù)幀判斷、幀結束碼檢測，根據(jù)脈沖周期時間實現(xiàn)數(shù)據(jù)“0”和“1”的判別，接收數(shù)據(jù)奇偶校驗。

5 結束語

本設計經(jīng)實驗測試結果表明協(xié)議具有數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、抗干擾能力強、功耗小、實現(xiàn)成本低等優(yōu)點。該協(xié)議在智能家居系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中運行效果良好，能穩(wěn)定可靠實現(xiàn)室內(nèi)30 m范圍內(nèi)一個主控節(jié)點與多個從節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸，該協(xié)議極大擴展了無線紅外通信的應用范圍，具有較好的應用前景。

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