一種基于對等網(wǎng)絡(luò)的433 MHz頻段無線傳輸方案的設(shè)計*

鄧 芳，李 冰，董 乾

(1.無錫科技職業(yè)學(xué)院 電子技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214000；2.東南大學(xué) 微電子學(xué)院，江蘇 南京 210018)

一種基于對等網(wǎng)絡(luò)的433MHz頻段無線傳輸方案的設(shè)計*

鄧 芳1，李 冰2，董 乾2

(1.無錫科技職業(yè)學(xué)院 電子技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214000；2.東南大學(xué) 微電子學(xué)院，江蘇 南京 210018)

基于433 MHz頻段設(shè)計了一套無線傳輸解決方案，實現(xiàn)了一種基于對等網(wǎng)絡(luò)的無主機信息共享系統(tǒng)。本方案中通過移交主機權(quán)的方式實現(xiàn)了廣播發(fā)射機乃至信號覆蓋區(qū)域的自適應(yīng)切換，最終使所有節(jié)點都完整地接收到數(shù)據(jù)包。方案中每個節(jié)點均使用FPGA為主芯片，經(jīng)系統(tǒng)測試，在100 mW以內(nèi)的發(fā)射功率下，每個節(jié)點覆蓋半徑可達(dá)100 m，傳輸速率最高可達(dá)8 kb/s。本設(shè)計提供了一種網(wǎng)絡(luò)式的數(shù)據(jù)傳輸方式，有良好的應(yīng)用價值。

433 MHz頻段；無主機；無線傳輸；FPGA

0 引言

隨著無線網(wǎng)絡(luò)的普及，2.4 GHz和433 MHz頻段作為載體被越來越多的無線傳輸?shù)慕鉀Q方案或協(xié)議使用，然而WiFi、藍(lán)牙、ZigBee[1]等均在2.4 GHz頻段，不可避免地，2.4 GHz頻段變得逐漸擁擠，設(shè)備之間的通信越來越容易受到同頻干擾[2-3]。而在我國可以直接使用433 MHz頻段設(shè)計窄帶傳輸系統(tǒng)，該頻段屬于可免申請使用的頻段，還有一定的發(fā)展空間。

2.4 GHz和433 MHz兩個頻段相比較：2.4 GHz頻段傳輸速率大，防碰撞好，抗干擾能力強，穿透性差，通信距離近，更適合移動環(huán)境的應(yīng)用；433 MHz頻段傳輸距離遠(yuǎn)，穿透性強，通信距離遠(yuǎn)，抗干擾能力弱。因此，433 MHz頻段的設(shè)備能夠用于建立密集建筑物或較高樓群內(nèi)的窄帶網(wǎng)絡(luò)通信[4]。一般433 MHz無線傳輸設(shè)備遵循發(fā)射功率小于1 W的規(guī)定[5]，免于對同頻段的其他設(shè)備和系統(tǒng)造成干擾。另外，433 MHz射頻解決方案價格低廉，功耗很低，被廣泛用于無線抄表[6-7]、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點[8-10]、環(huán)境監(jiān)控[11-12]等應(yīng)用場景的通信。尤其是，433 MHz頻段可以用于進(jìn)行點對點或小范圍廣播傳輸，可以在各終端設(shè)備之間進(jìn)行通信，不需要額外架設(shè)基站，大大提升了傳輸系統(tǒng)的靈活性。

本文旨在提供一種網(wǎng)絡(luò)式的數(shù)據(jù)傳輸方式，實現(xiàn)一種基于對等網(wǎng)絡(luò)(Peer-to-Peer Netwok)的無主機信息共享系統(tǒng)，選擇基于433 MHz頻段設(shè)計了一套無線傳輸解決方案。為了提高系統(tǒng)的靈活性、可擴展性和安全性，系統(tǒng)中的每個節(jié)點都使用FPGA作為主芯片，所有的邏輯全部使用基于硬件描述語言(Hardware Description Language， HDL)的硬件電路實現(xiàn)。

1 無線傳輸系統(tǒng)方案

1.1 通信協(xié)議

本文所述的433 MHz頻段無線傳輸系統(tǒng)采用如圖1所示的分層傳輸協(xié)議。其中，物理層由數(shù)字基帶和射頻電路構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)攜帶信息的數(shù)字量與使用433 MHz載波進(jìn)行調(diào)制的無線信號之間的相互轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層和應(yīng)用層均由數(shù)字電路構(gòu)成，應(yīng)用層負(fù)責(zé)提供與外部交互的接口；傳輸層用于把待發(fā)送數(shù)據(jù)分塊，并封裝成數(shù)據(jù)包的形式，或把接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包組合，生成完整的數(shù)據(jù)流；數(shù)據(jù)鏈路層用于監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)、檢查接收數(shù)據(jù)完整性、切換系統(tǒng)中節(jié)點的工作狀態(tài)以及控制發(fā)送速率。

圖2 設(shè)計的系統(tǒng)無線傳輸示意圖

圖1 433 MHz無線傳輸系統(tǒng)協(xié)議棧

由于433 MHz頻段的開放性，數(shù)據(jù)傳輸并不限定于一種固有的傳輸協(xié)議。本文所述的無線傳輸系統(tǒng)使用一種輪換主機的廣播式方案。傳輸系統(tǒng)中的每個收發(fā)節(jié)點具有完全相同的結(jié)構(gòu)，在不同的時刻可以分別充當(dāng)廣播主機或接收從機的角色，在當(dāng)前主機廣播發(fā)送完信息后，會廣播問詢數(shù)據(jù)包；接收到問詢的從機將返回一個響應(yīng)數(shù)據(jù)包，其中包含當(dāng)前從機的序列號、信號質(zhì)量、數(shù)據(jù)更新標(biāo)志以及數(shù)據(jù)完整性標(biāo)志；當(dāng)前主機根據(jù)接收到的返回包內(nèi)容，選中移交對象并發(fā)送移交數(shù)據(jù)包，通知對象從機切換為主機模式，并將自己切換為從機模式；每個發(fā)送循環(huán)結(jié)束后，只要返回包表明有從機節(jié)點完整接收了全部數(shù)據(jù)，則進(jìn)行一次主機權(quán)限移交，否則，不變更主機再進(jìn)行一次發(fā)送循環(huán)。

如圖2(a)所示，某時刻，節(jié)點1被激活，作為主機廣播發(fā)送數(shù)據(jù)包，在信號覆蓋范圍內(nèi)，有節(jié)點2、3、5、6共四個從機接收數(shù)據(jù)，在完成一輪完整的數(shù)據(jù)發(fā)送過程后，節(jié)點2、3、6均接收到了所有的數(shù)據(jù)包，并緩存在內(nèi)部。但是，由于節(jié)點5與主機之間的距離較遠(yuǎn)，信號不穩(wěn)定，導(dǎo)致接收到的數(shù)據(jù)不完整，有一部分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失。完成發(fā)送后，節(jié)點1主機發(fā)送問詢包，然后根據(jù)各節(jié)點返回包的數(shù)據(jù)完整性信息和接收信號強度，將主機權(quán)限移交給與節(jié)點5返回信號強度最接近的節(jié)點6。如圖2(b)所示，節(jié)點6作為主機時，節(jié)點1已有全部數(shù)據(jù)，只有節(jié)點4、5作為從機接收數(shù)據(jù)包。當(dāng)節(jié)點6發(fā)送問詢包時，節(jié)點1、4、5都會發(fā)送返回包。假設(shè)節(jié)點4、5都正確接收了所有數(shù)據(jù)。如圖2(c)所示，在節(jié)點6將主機權(quán)限交給信號強度最弱的節(jié)點1時，節(jié)點1再次作為主機發(fā)送數(shù)據(jù)，由于范圍內(nèi)的節(jié)點都已擁有全部數(shù)據(jù)，而返回包攜帶的信息指出信號最弱的節(jié)點剛好是上一次移交權(quán)限的主機，于是將主機權(quán)限移交給當(dāng)前信號次弱的節(jié)點3。如圖2(d)所示，當(dāng)節(jié)點3作為主機時，將數(shù)據(jù)廣播傳遞給節(jié)點8，如果節(jié)點8接收到全部的數(shù)據(jù)，則返回包指示數(shù)據(jù)已全部接收，由于此時廣播范圍內(nèi)只有一個主機，于是節(jié)點3將主機權(quán)限交給節(jié)點8。傳輸系統(tǒng)在沒有新的待發(fā)送數(shù)據(jù)輸入的情況下，始終保持一個主機廣播數(shù)據(jù)，多個從機接收的狀態(tài)，從而保證傳輸中途進(jìn)入廣播區(qū)域的節(jié)點也能完整地接收到數(shù)據(jù)包廣播信息。

因為系統(tǒng)由多個節(jié)點構(gòu)成，且主機權(quán)在各節(jié)點之間交換，所以系統(tǒng)的設(shè)計要考慮如下三種特殊情形的處理。

(1)信道競爭。在各個節(jié)點發(fā)送返回包的過程中，不可避免地會出現(xiàn)信道競爭，即多個從機節(jié)點同時試圖向信道發(fā)送數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致信道無法正常發(fā)送數(shù)據(jù)。所以，本文所述的無線傳輸系統(tǒng)中的每個節(jié)點都具備信道退避功能，在主機節(jié)點廣播問詢包時，包內(nèi)攜帶時間同步信息，所有接收到問詢包的從機節(jié)點都會進(jìn)行一次與主機節(jié)點之間的時間同步。從機發(fā)送返回包同樣使用廣播方式，發(fā)送返回包的時間相對于同步時間之間的延遲隨機為0～1 024 ms，主機節(jié)點將等待1 024 ms來接收返回包，如果兩個或兩個以上的從機節(jié)點的延遲時間恰好相同，則這些節(jié)點的返回包將被忽略。

(2)數(shù)據(jù)更新。如果要發(fā)送一組新的數(shù)據(jù)包，只需要使用串行接口(UART)接駁到系統(tǒng)中的某一個節(jié)點上，然后向該節(jié)點發(fā)送更新數(shù)據(jù)。該節(jié)點在接收到更新數(shù)據(jù)后，首先會判斷自身是否已是主機，如果是主機，則在完成當(dāng)前一輪的數(shù)據(jù)傳輸后，不移交主機權(quán)限，發(fā)送更新指令給各從機節(jié)點，然后開始傳輸新數(shù)據(jù)。否則，當(dāng)前節(jié)點不是主機，則等待下一次接收到詢問包時，向主機返回數(shù)據(jù)更新標(biāo)志，主機接收到該標(biāo)志后，將主機權(quán)限移交給該節(jié)點，使更新后的數(shù)據(jù)開始在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

(3)新節(jié)點加入。系統(tǒng)中的節(jié)點數(shù)量可以隨時變化，新節(jié)點加入的時機是不確定的。如果新節(jié)點在主機廣播數(shù)據(jù)包過程中加入到廣播區(qū)域，則新節(jié)點直接當(dāng)作從機接收數(shù)據(jù)，第一輪接收的數(shù)據(jù)不完整，不會在下一輪被移交主機權(quán)；如果新節(jié)點在主機移交過程中加入，響應(yīng)主機詢問包的返回包內(nèi)攜帶的數(shù)據(jù)完整性標(biāo)志是無效的，此時也不會被移交主機權(quán)?？偟膩碚f，即使有新的節(jié)點加入到系統(tǒng)中，也不會影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

1.2 節(jié)點電路結(jié)構(gòu)

無線傳輸系統(tǒng)中的每個節(jié)點使用Xilinx公司的Spartan 3E系列FPGA作為主芯片，其內(nèi)部包含1.9萬個邏輯單元(Slice)、28個硬件乘法器(MUL)、28個18 KB高速內(nèi)嵌靜態(tài)存儲器(BRAM)模塊、8個數(shù)字時鐘管理器(DCM)，足以實現(xiàn)大部分復(fù)雜邏輯。無線射頻端采用Silicon Labs公司的SI4463芯片作為收發(fā)器。SI4463是一款支持4GFSK調(diào)制模式的高性能低功耗射頻收發(fā)器，其無線信號的空中速率可調(diào)范圍為0.123 kb/s～1 Mb/s，發(fā)射功率最大可達(dá)20 dBm，足夠?qū)崿F(xiàn)433 MHz無線收發(fā)功能。

節(jié)點的收發(fā)邏輯和數(shù)據(jù)處理均使用數(shù)字電路實現(xiàn)，其基本框圖如圖3所示。其中，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯電路包括主控模塊、收發(fā)模塊、分包模塊、組包模塊以及數(shù)據(jù)先進(jìn)先出隊列(FIFO)。收發(fā)模塊使用串行時序信號配置射頻芯片的寄存器，使射頻芯片可以在發(fā)送和接收兩種工作模式之間進(jìn)行切換，并實現(xiàn)調(diào)整射頻信號的調(diào)制參數(shù)、傳輸速率、發(fā)射功率等狀態(tài)。分包模塊用于在當(dāng)前節(jié)點作為主機時，把待發(fā)送數(shù)據(jù)流分成固定尺寸的數(shù)據(jù)塊，并加入數(shù)據(jù)長度、包類型、包編號、主機序列號、校驗和等信息封裝成數(shù)據(jù)包，傳輸給射頻芯片調(diào)制發(fā)射。組包模塊用于在當(dāng)前節(jié)點作為從機時，從射頻芯片讀取數(shù)據(jù)，并按照從中分離出有效數(shù)據(jù)，組合成連續(xù)的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)FIFO在當(dāng)前節(jié)點是主機時，用于緩存待發(fā)送數(shù)據(jù)流；當(dāng)前節(jié)點是從機時，用于緩存來自射頻芯片的數(shù)據(jù)包。

圖3 無線傳輸系統(tǒng)節(jié)點基本框圖

射頻芯片中包含多個控制和狀態(tài)寄存器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。FPGA通過串行外設(shè)總線(Serial Peripheral Interface，SPI)的nSEL、SDI、SCLK信號線向芯片內(nèi)部寄存器中寫入數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對芯片收發(fā)參數(shù)的控制以及待發(fā)送數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)移?；蛲ㄟ^nSEL、SDO、SCLK信號線從芯片內(nèi)部讀出數(shù)據(jù)，實現(xiàn)收發(fā)狀態(tài)以及已接收數(shù)據(jù)包的讀取。SI4463芯片中包含兩組最大容量為64 B的數(shù)據(jù)FIFO，其發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的端口被分別映射為地址0x66和0x77的兩組可讀可寫寄存器，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的流程如圖5所示。

圖4 SI4463射頻芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5 接收和發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

圖5(a)中，首先通過SPI總線SDI信號線向射頻芯片串行發(fā)送接收FIFO映射寄存器地址0x77，并立即讀取SDO總線上的數(shù)據(jù)，如果返回串行數(shù)據(jù)為0xFF，則代表成功尋址到0x77寄存器，可以進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)讀取操作；然后，發(fā)送0xFF值到SDI，并同時讀取SDO的返回值，該值為接收FIFO中的有效數(shù)據(jù)長度；讀取到FIFO中數(shù)據(jù)長度后，進(jìn)行多次發(fā)送0xFF和讀取返回值的循環(huán)，每個循環(huán)將數(shù)據(jù)長度自減一，直到數(shù)據(jù)長度為0，代表所有數(shù)據(jù)均已讀出，結(jié)束讀FIFO過程。

圖5(b)中，首先發(fā)出發(fā)送FIFO的映射寄存器地址0x66；待接收到0xFF返回值后，發(fā)送需要寫入到FIFO中的數(shù)據(jù)總長度；然后進(jìn)行多個發(fā)送數(shù)據(jù)和驗證返回值的循環(huán)，直到所有待發(fā)送數(shù)據(jù)全部被寫入到發(fā)送FIFO中。接收和發(fā)送FIFO的空滿標(biāo)志位、數(shù)據(jù)計數(shù)等信息可以通過0x15寄存器讀出，在每次對射頻芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)的操作時，應(yīng)先讀取0x15寄存器，判斷FIFO中是否有空位寫入數(shù)據(jù)，或是否已緩存了有效數(shù)據(jù)供讀取，防止FIFO溢出。

2 系統(tǒng)測試與性能

由于本文所述的無線傳輸系統(tǒng)中的每個通信節(jié)點都具有完全相同的結(jié)構(gòu)，因此只要驗證了兩個以上節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)可以正常通信，即可證明該無線傳輸系統(tǒng)的可行性。所以，測試過程主要從信號的覆蓋和數(shù)據(jù)的傳輸角度進(jìn)行。由于本文所述的無線傳輸系統(tǒng)可以收發(fā)任意形式的數(shù)據(jù)流，為了方便測試，使用通用計算機作為數(shù)據(jù)源，通過串口將數(shù)據(jù)流傳送給傳輸平臺的某個節(jié)點，經(jīng)由無線傳輸系統(tǒng)廣播傳送后，在其他的節(jié)點上通過串口接收并存入另一個上位機的磁盤。在傳輸完成后，對發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計算丟失的數(shù)據(jù)包總數(shù)，驗證無線傳輸過程的可靠性。另外，由于系統(tǒng)中每個節(jié)點擁有完全等價的功能，為了測試節(jié)點的實際信號覆蓋范圍和傳輸速率，測試的過程中使用了兩個節(jié)點進(jìn)行文件傳輸測試。

無線傳輸?shù)目膳渲脜?shù)包含信號空中速率、頻率偏移、發(fā)射功率。衡量傳輸性能的參數(shù)包括傳輸距離、穿透能力、傳輸速率、信號強度(RSSI)、丟包率。測試結(jié)果如表1所示。

表1 無線節(jié)點傳輸距離測試

3 結(jié)論

通過移交主機權(quán)的方式實現(xiàn)了廣播發(fā)射機乃至信號覆蓋區(qū)域的自適應(yīng)切換，最終使所有節(jié)點都完整地接收所有數(shù)據(jù)包。該系統(tǒng)不需要建立專門的發(fā)射基站，在需要傳輸新數(shù)據(jù)時通過有線連接的方式將數(shù)據(jù)交給系統(tǒng)中的任意一個節(jié)點，通過主機轉(zhuǎn)移的機制，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳播。在100 mW以內(nèi)的發(fā)射功率下，每個節(jié)點在阻擋較少時的覆蓋半徑可達(dá)100 m以上，即使阻擋較多，也能達(dá)到近50 m的覆蓋半徑，傳輸速率最高可達(dá)8 kb/s，足以傳輸對帶寬需求不高的數(shù)據(jù)流。測試結(jié)果表明，本文所述的433 MHz頻段的無線傳輸系統(tǒng)具備可行性。

測試結(jié)果也顯示出該無線傳輸系統(tǒng)有一些待改進(jìn)的方面，比如，在空中速率設(shè)置得過高時，會導(dǎo)致有效傳輸距離明顯降低，丟包率上升，穿透能力顯著下降等。上述缺陷的主要原因在于目前采用的433 MHz射頻芯片使用普通的GFSK調(diào)制方式，且芯片發(fā)射功率有限，難以提升傳輸性能。然而，隨著射頻芯片制造工藝的提升，433 MHz收發(fā)芯片的性能正按照摩爾定律逐漸發(fā)展和提高，該問題將來也一定會得到比較好的解決。

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A design of wireless transmission solution in peer-to-peer networks based on band 433 MHz

Deng Fang1, Li Bing2, Dong Qian2

(1. School of Electronics Technology, Wuxi Vocational College of Science and Technology, Wuxi 214000, China;2. School of Microelectronics, Southeast University, Nanjing 210018, China)

In this paper, a wireless transmission solution based on band 433 MHz was designed to realize a kind of non-host information sharing system in peer-to-peer networks. Host handover in all radio transmitters in the signal coverage area can be adaptively switched, and eventually, all nodes completely receive the whole package. Each node uses FPGA chip. The testing results show that each node covers up to 100 m, and transmission rate is up to 8 kb/s, under the transmission power of 100 mW. The design provides a way about network data transmission, which has good application value.

433 MHz; non-host; wireless transmission; FPGA

TN92

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.021

鄧芳，李冰，董乾.一種基于對等網(wǎng)絡(luò)的433 MHz頻段無線傳輸方案的設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(20)：71-74，79.

江蘇省產(chǎn)業(yè)研究院產(chǎn)業(yè)重大原創(chuàng)性技術(shù)創(chuàng)新項目(B02015009)

2017-03-27)

鄧芳(1981-)，女，碩士研究生，講師，主要研究方向：電子與通信工程。

李冰(1968-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：大數(shù)據(jù)云計算。

董乾(1982-)，男，博士研究生，工程師，主要研究方向：高效數(shù)據(jù)處理硬件算法設(shè)計與驗證。