基于NRF2401的標(biāo)靶數(shù)據(jù)透傳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬苗立,倪雪松,李香娜,張 莉

(1.華北科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院 北京 東燕郊 065201；2.華北科技學(xué)院 保衛(wèi)處 北京 東燕郊 065201)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，我國的社會生產(chǎn)越來越智能化[1，2]。然而，在許多軍事或非軍事訓(xùn)練中，報(bào)靶依然采用人工報(bào)靶，這存在諸多問題如：對報(bào)靶者的依賴性比較大；報(bào)靶效率比較低下，不利于指導(dǎo)打靶人員射擊技術(shù)的提高；射擊場子彈橫飛，存在極大的安全隱患等。為了實(shí)現(xiàn)科技強(qiáng)軍推進(jìn)軍隊(duì)現(xiàn)代化，許多智能的設(shè)備被引入到部隊(duì)。為了結(jié)束人工報(bào)靶，一些部隊(duì)通過智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)對靶位傳感器的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了打靶報(bào)靶的電子化[3]。但是這些設(shè)備往往是有線通信，需要昂貴的布線成本。一些研究者設(shè)計(jì)了無線通信設(shè)備避免了布線的代價(jià)[4]，然而這些無線設(shè)備在復(fù)雜的山區(qū)等環(huán)境中很難保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，并且這些網(wǎng)絡(luò)的通用型較差[5，6]。

為了減少對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的依賴并增加其通用性，本文設(shè)計(jì)了一種基于nRF2401的標(biāo)靶數(shù)據(jù)透傳系統(tǒng)，它擁有以下優(yōu)點(diǎn)：①該協(xié)議設(shè)計(jì)了健全的無線透傳協(xié)議，保證了傳輸數(shù)據(jù)不丟失不重復(fù)；②所設(shè)計(jì)的協(xié)議實(shí)現(xiàn)了一對多的通信傳輸，可以根據(jù)需求隨意組建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；③設(shè)計(jì)了本地存儲機(jī)制，可以防止由于網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性或者數(shù)據(jù)的擁擠造成的數(shù)據(jù)丟失。需要注意的是，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)僅限于數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)直接來自與現(xiàn)有的智能標(biāo)靶系統(tǒng)(河北石家莊某公司的生產(chǎn)的智能標(biāo)靶系統(tǒng))。

1 TDTS的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前的部隊(duì)打靶一般配備多個靶位，最后數(shù)據(jù)匯總到一處(教官處)。本文所設(shè)計(jì)的標(biāo)靶數(shù)據(jù)透傳系統(tǒng)的模式是一對多的，即包含了一個主節(jié)點(diǎn)和多個從節(jié)點(diǎn)，每一個從節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個靶位，主節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)的匯總節(jié)點(diǎn)。每個從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)之間建立連接，從節(jié)點(diǎn)之間不互通，具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在工作過程中，主節(jié)點(diǎn)以一定的頻率依次向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有待傳數(shù)據(jù)的握手信息，從節(jié)點(diǎn)在收到主節(jié)點(diǎn)的握手信息后回復(fù)帶有待傳數(shù)據(jù)的應(yīng)答信息。握手信息和應(yīng)答信息里均攜帶著待傳送的數(shù)據(jù)。詳細(xì)的數(shù)據(jù)協(xié)議格式在第三部分進(jìn)行介紹。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 TDTS的硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主/從節(jié)點(diǎn)硬件由控制中心(單片機(jī)stm32f103r8t6)，網(wǎng)絡(luò)單元(無線射頻模塊nrf2401與信號放大器)組成，還包括了硬件的ID標(biāo)識，RJ45有線網(wǎng)口(W4500)、RS232接口，RS485等一些外圍擴(kuò)展接口。

圖2 系統(tǒng)的硬件框圖

2.2 STM32單片機(jī)

STM32單片機(jī)是目前主流的高性能低成本單片機(jī)[7]，擁有充足的外設(shè)資源。本系統(tǒng)采用STM32作為主控芯片(MCU)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信單元

nRF24L01是射頻收發(fā)芯片[8]，載波是2.4G，芯片內(nèi)集成了頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊。nRF24L01有四種發(fā)射功率，其傳輸距離為15～50 m。為了擴(kuò)大通信距離，除nRF24L01內(nèi)置的放大器，系統(tǒng)還包含了外設(shè)放大器，可以根據(jù)需要選擇不同的型號，以滿足不通的通信距離需求。

2.4 數(shù)據(jù)輸入輸出單元

主/從節(jié)點(diǎn)可以通過一些預(yù)留的外圍接口與應(yīng)用的其他環(huán)節(jié)連接，預(yù)留接口包括有線網(wǎng)口，一線制接口，RS484串口、RS232串口等。預(yù)留多種接口可以保證系統(tǒng)與多種標(biāo)靶傳感器對接。

2.5 節(jié)點(diǎn)ID單元

為了保證每個節(jié)點(diǎn)都有一個全球唯一的網(wǎng)絡(luò)ID，本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)置了節(jié)點(diǎn)的ID標(biāo)識，其網(wǎng)絡(luò)通信地址信息由ID標(biāo)識提供。本系統(tǒng)選擇的ID標(biāo)識芯片為DS2411芯片，該芯片可提供64位(8位家族碼+48位序列號+8位CRC校驗(yàn)碼)的全球唯一序列號[9-10]。本系統(tǒng)利用DS2401芯片中的48位序列號的低40位作為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)ID。

2.6 本地?cái)?shù)據(jù)存儲單元

本地?cái)?shù)據(jù)存儲單元主要用于對本地?cái)?shù)據(jù)的暫時存儲。在一些條件惡劣，工況復(fù)雜多變的部隊(duì)環(huán)境，無線設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定性很難保證。為了消除無線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性對整個系統(tǒng)帶來的不利影響，在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)的本地存儲機(jī)制。所有接收的數(shù)據(jù)按照順序暫存到本地，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)空閑或者穩(wěn)定的時候從本地存儲機(jī)制里調(diào)取待傳輸數(shù)據(jù)。主/從節(jié)點(diǎn)收發(fā)的數(shù)據(jù)可以通過主/從節(jié)點(diǎn)上預(yù)留的接口發(fā)送到下一個處理單元。同樣，其待發(fā)送的數(shù)據(jù)也來源于其預(yù)留的接口。

3 TDTS透傳協(xié)議的設(shè)計(jì)

TDTS的難點(diǎn)之一是保證所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不丟失、不重發(fā)。為了保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備無誤的進(jìn)行傳輸，所提出的系統(tǒng)在本地暫存的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了傳輸協(xié)議，協(xié)議格式如表1所示。

表1 協(xié)議格式

3.1 協(xié)議格式

系統(tǒng)中主從節(jié)點(diǎn)擁有相同的協(xié)議格式，協(xié)議長度為32個字節(jié)，其中第一個字節(jié)為節(jié)點(diǎn)待發(fā)送的數(shù)據(jù)包ID，第二個字節(jié)為節(jié)點(diǎn)已收到的數(shù)據(jù)包ID。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包ID是一組數(shù)據(jù)的標(biāo)簽，它們均在1～255之間順序循環(huán)，其中發(fā)送數(shù)據(jù)包ID是本地待發(fā)送數(shù)據(jù)包的ID，接收數(shù)據(jù)包ID是本地接收到的數(shù)據(jù)包的ID。第三個字節(jié)為發(fā)送數(shù)據(jù)長度，是本地當(dāng)前待發(fā)送數(shù)據(jù)包所攜帶的待傳數(shù)據(jù)的長度，其值在0～29之間。發(fā)送的數(shù)據(jù)為當(dāng)前待發(fā)送數(shù)據(jù)包內(nèi)所攜帶的數(shù)據(jù)。打包時，若待傳數(shù)據(jù)長度M>29，則發(fā)送數(shù)據(jù)長度字節(jié)設(shè)為29，并按照順序選取29個數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸；若待傳數(shù)據(jù)長度M≤29，則設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)長度為M，并將所有待傳數(shù)據(jù)打包；若待傳數(shù)據(jù)為0，則數(shù)據(jù)包第二個字節(jié)設(shè)為0。為了表述簡單，我們把主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包稱為握手?jǐn)?shù)據(jù)包，從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包成為應(yīng)答數(shù)據(jù)包。

3.2 數(shù)據(jù)包的傳輸

本系統(tǒng)為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膮f(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，對于不同的網(wǎng)絡(luò)故障設(shè)置了不同的處理機(jī)制。為了更好的理解數(shù)據(jù)包的傳輸過程，將整個傳輸過程分為三種情況：主從節(jié)點(diǎn)間不間斷連續(xù)通信的正常情況，如圖3所示；主節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功，從節(jié)點(diǎn)應(yīng)答失敗，如圖4所示；主節(jié)點(diǎn)發(fā)送不成功，如圖5所示。主/從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸過程如下：

圖3 主從節(jié)點(diǎn)正常發(fā)送

圖4 主節(jié)點(diǎn)發(fā)送握手正常，從節(jié)點(diǎn)應(yīng)答不成功

圖5 主節(jié)點(diǎn)發(fā)送握手不成功

步驟1：主節(jié)點(diǎn)將發(fā)送地址切換到某一個從節(jié)點(diǎn)(即切換到準(zhǔn)備向其發(fā)送握手?jǐn)?shù)據(jù)包的從節(jié)點(diǎn)地址)，按照表1所示的協(xié)議格式打包握手?jǐn)?shù)據(jù)包向該從節(jié)點(diǎn)(以下統(tǒng)稱從節(jié)點(diǎn))發(fā)送，其中發(fā)送數(shù)據(jù)包ID設(shè)置為當(dāng)前待向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的握手?jǐn)?shù)據(jù)包ID，接收數(shù)據(jù)包ID設(shè)置為已接收到的從節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答數(shù)據(jù)包的ID。

步驟2：主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)及發(fā)送過程中的故障處理，分為以下三種情況：

① 從節(jié)點(diǎn)沒有接收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的握手?jǐn)?shù)據(jù)包，從節(jié)點(diǎn)不做響應(yīng)(如圖5所示)；

② 從節(jié)點(diǎn)接收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送握手?jǐn)?shù)據(jù)包，并且接收到的握手?jǐn)?shù)據(jù)包ID與已經(jīng)接收到的握手?jǐn)?shù)據(jù)包ID一樣(說明該握手?jǐn)?shù)據(jù)包在上一次傳輸時已經(jīng)接收到了)，則從節(jié)點(diǎn)用上一次的應(yīng)答信息進(jìn)行應(yīng)答(即再次通知主節(jié)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)包信息已收到)(如圖4所示)。

③ 從節(jié)點(diǎn)接收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的握手?jǐn)?shù)據(jù)包，并且當(dāng)前接收到的握手?jǐn)?shù)據(jù)包ID比已接收到的數(shù)據(jù)包ID大1，說明當(dāng)前接收到的是新的握手?jǐn)?shù)據(jù)包，則解析該握手?jǐn)?shù)據(jù)包所攜帶的數(shù)據(jù)信息，暫存到本地，等待進(jìn)一步的處理。同時將已接收的握手?jǐn)?shù)據(jù)包ID加1，將已發(fā)送的應(yīng)答數(shù)據(jù)包ID加1，并將從節(jié)點(diǎn)按照表1所示的協(xié)議格式打包數(shù)據(jù)包作為應(yīng)答數(shù)據(jù)包發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)(如圖3所示)。

步驟3：主節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)及接收過程的故障處理，該步驟分為以下四種情況：

① 在規(guī)定時間內(nèi)主節(jié)點(diǎn)沒有接收到步驟2中從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的應(yīng)答數(shù)據(jù)包，此時，這節(jié)點(diǎn)認(rèn)為與步驟2中的從節(jié)點(diǎn)通信失敗。主節(jié)點(diǎn)切換到與下一個從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，等下一輪切換到該從節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送步驟1中的握手?jǐn)?shù)據(jù)包(如圖4～5所示)。

② 主節(jié)點(diǎn)接收到步驟2中從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的應(yīng)答數(shù)據(jù)包，若該數(shù)據(jù)包為已接收的應(yīng)該數(shù)據(jù)包，則主節(jié)點(diǎn)丟棄該應(yīng)答數(shù)據(jù)包，并等待下一次輪候時，繼續(xù)發(fā)送步驟2中的握手?jǐn)?shù)據(jù)包；若應(yīng)答數(shù)據(jù)包為新數(shù)據(jù)包，則解析該握手?jǐn)?shù)據(jù)包所攜帶的數(shù)據(jù)信息，暫存到本地，等待進(jìn)一步的處理。同時將已接收的應(yīng)答數(shù)據(jù)包ID加1，將待發(fā)送握手?jǐn)?shù)據(jù)包ID加1。并切換到與下一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信(如圖3所示)。

需要注意的是，雖然無線通信的速度可以達(dá)到光速，但是nRF2401與單片機(jī)之間通過SPI接口進(jìn)行通信，這對于網(wǎng)絡(luò)通信是比較耗時的，為了給主從節(jié)點(diǎn)足夠的收發(fā)時間，保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，建議主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送握手信息的間隔不要少于3毫秒。

4 效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的系統(tǒng)的有效性，設(shè)計(jì)了以下兩個實(shí)驗(yàn)。其中，實(shí)驗(yàn)一為實(shí)驗(yàn)室測試，實(shí)驗(yàn)二是實(shí)際測試。

4.1 實(shí)驗(yàn)一

將所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)按照圖6所示的模型進(jìn)行測試，兩臺PC機(jī)通過RS232與主/從節(jié)點(diǎn)相連，并進(jìn)行數(shù)據(jù)對傳。主節(jié)點(diǎn)以5ms的間隔向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送握手信息。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)、外接功率放大器、加遮擋物和斷電等方式來獲得不同通信距離(能力)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。如圖7所示。為了充分驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的TDTS通信的穩(wěn)定性，本文做了7組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中，第一組實(shí)驗(yàn)是系統(tǒng)在正常情況下的通信情況，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)無差錯的傳輸。第二組和第三組實(shí)驗(yàn)分別模擬了主從節(jié)點(diǎn)故障時，系統(tǒng)的通信情況。第四組實(shí)驗(yàn)?zāi)M了節(jié)點(diǎn)好時壞時系統(tǒng)的通信能力。第五組實(shí)驗(yàn)，模擬了系統(tǒng)的應(yīng)對節(jié)點(diǎn)通信故障的能力。第六組和第七組實(shí)驗(yàn)?zāi)M了系統(tǒng)外接功率放大器擴(kuò)充通信距離的能力。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對于主從節(jié)點(diǎn)的各種故障，系統(tǒng)具有足夠的應(yīng)對能力。

圖6 測試模型1

表2 測試結(jié)果

4.2 實(shí)驗(yàn)二

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用的穩(wěn)定性。將所設(shè)計(jì)的標(biāo)靶數(shù)據(jù)透傳系統(tǒng)應(yīng)用到甘肅某部隊(duì)靶場。具體的應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖7所示，從節(jié)點(diǎn)1-6連接不同的靶位，其中一號靶位通過SPI接口采集數(shù)據(jù)，2號靶位通過RS485采集數(shù)據(jù)，其余靶位通過RS232接口采集數(shù)據(jù)。為了滿足實(shí)際需要，按照靶場規(guī)模，主節(jié)點(diǎn)在nRF24L01與天線之間級聯(lián)了兩級放大器，使通信距離達(dá)2 km。設(shè)備在該部隊(duì)正常運(yùn)行一年的時間，經(jīng)歷了不同天氣(晴，大風(fēng)，大霧，雨、雪)情況。實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)均能正確傳輸靶位數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的有效性。

圖7 應(yīng)用實(shí)例拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

(1) 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，可根據(jù)需要隨意組建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(2) 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)本地暫存機(jī)制克服了無線網(wǎng)絡(luò)通信擁堵引起的數(shù)據(jù)丟失問題。同時，完善的數(shù)據(jù)通信協(xié)議避免了無線網(wǎng)絡(luò)通信不穩(wěn)定引起的漏傳、錯傳、重復(fù)傳等問題，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，通過級聯(lián)放大器的方法，可以擴(kuò)充傳輸距離，目前實(shí)際中已擴(kuò)充至2 km。