【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 s，共有 75 個(gè)帶寬為 1MHz 的跳頻信道。調(diào)制方式為恒定包絡(luò)的 FSK調(diào)制。在 2FSK 方式下，最大數(shù)據(jù)傳輸率為 1Mb/s， 4FSK 方式下，速率可達(dá) 2Mb/s。最新的 中，其數(shù)據(jù)峰值可達(dá) 10Mb/s。 ZigBee[5]是一種近年來(lái)才興起的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技 術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它出現(xiàn)的時(shí)間較短，2020 年底才由 ZigBee 聯(lián)盟發(fā)布了 版本規(guī)范，尚未進(jìn)入大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用；但是，它的上升勢(shì)頭十分明顯，已有 Chip、 Freescale、 CompXs、 Ember 四家公司在 05 年 4 月通過(guò)了 ZigBee 聯(lián)盟對(duì)其產(chǎn)品所作的測(cè)試和兼容性驗(yàn)證。 ZigBee 是一種通過(guò)簡(jiǎn)捷方式實(shí)現(xiàn)“無(wú)線”溝通的方式。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) ，在具有上訴特點(diǎn)之外，同時(shí)還具有短時(shí)延、高容量、高安全、免執(zhí)照頻段等特點(diǎn)。它主要應(yīng)用在距離短、低功 耗且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)想，它的應(yīng)用目標(biāo)主要是：工業(yè)控制 (如自動(dòng)控制設(shè)備、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) )，醫(yī)護(hù) (如監(jiān)視和傳感 )，家庭智能控制 (如照明、水電氣計(jì)量幾報(bào)警 )，消費(fèi)類電子等大量的應(yīng)用場(chǎng)合。一般而言， ZigBee 技術(shù)應(yīng)用在以下幾方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)： (1)需要無(wú)線通信交換信息的低成本裝置； (2)數(shù)據(jù)的交換量較小、傳輸?shù)乃俾室蟛桓撸? (3)功耗要求極低，采用電池供電且需要維持較長(zhǎng)時(shí)間 (4)需要多個(gè) (尤其是大量 )設(shè)備組成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)， 主要進(jìn)行檢測(cè)和控制的場(chǎng)合。 本文設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì) 的通信協(xié)議有些地方 借鑒 于 ZigBee 技術(shù)，主要表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的組建上和設(shè)備的劃分上，采取這種方式的原 因主要是因?yàn)獒槍?duì)實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境大多是低速率和低成本的原因。但是幀結(jié)構(gòu)的定義 有所區(qū)別。 熊川：基于 A7102C 的短距離無(wú)線通信網(wǎng)設(shè)計(jì) 8 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 是 網(wǎng)絡(luò)的各層及其協(xié)議的集合，是 通信系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，它為網(wǎng)絡(luò)硬件、軟件、協(xié)議、存取控制和拓?fù)涮峁?biāo)準(zhǔn) [1]。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 需要完成的工作包括發(fā)起通信的設(shè)備必須將數(shù)據(jù)通信的通路進(jìn)行激活，以保證要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能在這條通路上正確發(fā)送和接收；要告訴網(wǎng)絡(luò)如何識(shí)別接收數(shù)據(jù)的 設(shè)備；發(fā)起通信的設(shè)備必須查明對(duì)方設(shè)備是否開(kāi)機(jī)，并且與網(wǎng)絡(luò)連接正常；通信雙方傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式必須按照事先定義好的格式；對(duì)出現(xiàn)的各種差錯(cuò)和意外事故，如數(shù)據(jù)傳送、錯(cuò)誤或丟失等，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相應(yīng)的處理機(jī)制等。由此可見(jiàn)，相互通信的兩個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須高度協(xié)調(diào)工作才行，所以現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)基本都采用“分層”的思想，這樣能將一個(gè)龐大而復(fù)雜的問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為若干較小的局部問(wèn)題來(lái)處理 。 開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型 OSI 用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳送層、對(duì)話層、表示層和應(yīng)用層七個(gè)層次描述網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)， 結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 它的規(guī)范對(duì)所有的廠 商是開(kāi)放的，具有 指導(dǎo) 國(guó)際網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和開(kāi)放系統(tǒng)走向的作用。它直接影響總線、接口和網(wǎng)絡(luò)的性能。目前常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)有 FDDI、以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)和快速以太網(wǎng)等。從網(wǎng)絡(luò)互連的角度看，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵要素是協(xié)議和拓?fù)洹? 圖 典型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 本文設(shè)計(jì)同樣也采用了分層的結(jié)構(gòu)，由于主要應(yīng)用于 短距離和低速率的要求，所以協(xié)議主要由物理層、鏈路層和應(yīng)用層組成。物理層基本由 A7102C 來(lái)完成，鏈路層則是本文設(shè)計(jì)協(xié)議的重點(diǎn)，應(yīng)用層本文設(shè)計(jì)較少體現(xiàn)，通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)模擬應(yīng)用層數(shù)據(jù)。各層的重要性是必不可少的 ，比如在鏈路層的操 作最后就是調(diào)用物理層的相關(guān)函數(shù)來(lái)完成收發(fā)操作 。 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 CSMA/CA 無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) 的 MAC 和 協(xié)議的 MAC 非常相似，都是在一個(gè)共享媒體之上支持多個(gè)用戶共享資源，由發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)前先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的可用性。在 協(xié)議中，是由一種稱為 載波偵聽(tīng) /沖突檢測(cè) [8](CSMA/CD,Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)的協(xié)議來(lái)完成調(diào)節(jié)，這個(gè)協(xié)議解決了在 Ether 上的各個(gè)工作站如何在線纜上進(jìn)行傳輸?shù)膯?wèn)題，利用它檢測(cè)和 避免當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)網(wǎng)絡(luò)上的沖突。在 無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議中，沖突的檢測(cè)存在一定的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題稱為 Near/Far現(xiàn)象，這是由于要檢測(cè)沖突，設(shè)備必須能夠一邊接受數(shù)據(jù)信號(hào)一邊傳送數(shù)據(jù)信號(hào)，而這在無(wú)線系統(tǒng)中是無(wú)法辦到的。鑒于這個(gè)差異，在 中對(duì) CSMA/CD 進(jìn)行了一些調(diào)整，采用了新的協(xié)議 載波偵聽(tīng) /沖突避免(CSMA/CA， Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)或者 分布式協(xié)調(diào)功能 (DCF,Distributed Coordination Function)。 CSMA/CA 利用 ACK 信號(hào)來(lái)避免沖突的發(fā)生，也就是說(shuō)，只有當(dāng)客戶端收到網(wǎng)絡(luò)上返回的 ACK 信號(hào)后才確認(rèn)送出的數(shù)據(jù)已經(jīng)正確到達(dá)目的。 CSMA/CA 協(xié)議的工作流程分為 以下 兩個(gè) 部分 : (1)送出數(shù)據(jù)前，監(jiān)聽(tīng)媒體狀態(tài)，等沒(méi)有人使用媒體，維持一 段時(shí)間后，再等待一段隨機(jī)的時(shí)間后依然沒(méi)有人使用，才送出數(shù)據(jù)。 由于 每個(gè)設(shè)備采用的隨機(jī)時(shí)間不同，所以可以減少?zèng)_突的機(jī)會(huì)。 (2)送出數(shù)據(jù)前，先送一段小小的請(qǐng)求傳送報(bào)文 (RTS,Request to Send)給目 標(biāo)端，等待目標(biāo)端回應(yīng) (CTS,Clear to Send)報(bào)文后，才開(kāi)始傳送。 利用 RTSCTS 握手(handshake)程序，確保接下來(lái)傳送資料時(shí)，不會(huì)被碰撞。 同時(shí) 由于 RTSCTS 封包都很小，讓傳送的無(wú)效開(kāi)銷變小。 CSMA/CA 通過(guò)這兩種方式來(lái)提供無(wú)線的共享訪問(wèn)，這種顯式的 ACK 機(jī)制在處理無(wú)線問(wèn)題時(shí)非常有效。然而不管是對(duì)于 還是 來(lái)說(shuō)，這種方式都增加了額外的負(fù)擔(dān)，所以 網(wǎng)絡(luò)和類似的 Ether 網(wǎng)比較總是在性能上稍遜一籌。 本文設(shè)計(jì)采用了類似于 CSMA/CA 的虛擬 載 波偵聽(tīng)機(jī)制，功能上只具有偵聽(tīng)的功能，不具有沖突避免的功能，由于 硬件的原因，本文設(shè)計(jì)采用了讀取接收緩存的方式來(lái)識(shí)別信道是否處于通信狀態(tài)，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，能夠正常接收到數(shù)據(jù)幀，則可以認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)處于通信狀態(tài)，該 終端節(jié)點(diǎn)必須隨機(jī)退避一段時(shí)間之后，再偵聽(tīng)信道以判斷是否發(fā)送數(shù)據(jù) 。 熊川：基于 A7102C 的短距離無(wú)線通信網(wǎng)設(shè)計(jì) 10 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指用傳輸媒體互連各種設(shè)備的物理布局，就是用什么方式把網(wǎng)絡(luò)中的 終端 設(shè)備連接起來(lái)。拓?fù)鋱D給出網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、工作站的網(wǎng)絡(luò)配置和相互間的連接，它的結(jié)構(gòu)主要有星型結(jié)構(gòu)、環(huán)型結(jié)構(gòu)、總線結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)、樹(shù)型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié) 構(gòu)、蜂窩狀結(jié)構(gòu)以及它們的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。 在這里主要介紹本文設(shè)計(jì)中所用到的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 星型結(jié)構(gòu) 星型結(jié)構(gòu) (圖 )是最古老的一種連接方式，大家每天都使用的電話屬于這種結(jié)構(gòu)。星型結(jié)構(gòu)是指各工作站以星型方式連接成網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)有中央節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)（ 全功能節(jié)點(diǎn) 、 精簡(jiǎn)節(jié)點(diǎn) ）都與中央節(jié)點(diǎn)直接相連，這種結(jié)構(gòu)以中央節(jié)點(diǎn)為中心，因此又稱為集中式網(wǎng)絡(luò)。這種結(jié)構(gòu)便于集中控制，因?yàn)槎擞脩糁g的通信必須經(jīng)過(guò)中心站。由于這一特點(diǎn)，也帶來(lái)了易于維護(hù)和安全等優(yōu)點(diǎn)。端用戶設(shè)備因?yàn)楣收隙C(jī)時(shí)也不會(huì)影響其它端用戶間的 通信。同時(shí)它的網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間較小，傳輸誤差較低。但這種結(jié)構(gòu)非常不利的一點(diǎn)是，中心系統(tǒng)必須具有極高的可靠性，因?yàn)橹行南到y(tǒng)一旦損壞，整個(gè)系統(tǒng)便趨于癱瘓。對(duì)此中心系統(tǒng)通常采用雙機(jī)熱備份，以提高系統(tǒng)的可靠性。 本文設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的星型網(wǎng)絡(luò)主要是由信息中心或者全功能設(shè)備 (具有有效的且有組網(wǎng)功能的網(wǎng)絡(luò)地址 )所建立的，這兩種設(shè)備是具有組網(wǎng)的功能，首先有該類設(shè)備發(fā)出組網(wǎng)幀后，其他節(jié)點(diǎn)收到該幀之后才發(fā)出請(qǐng)求發(fā)送幀，來(lái)得到自己的地址；最后以形成一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)。 圖 星型結(jié)構(gòu) 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 樹(shù)型結(jié)構(gòu) 樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) (圖 )可 以簡(jiǎn)單的形容為多個(gè)星型結(jié)構(gòu)的集合。若干個(gè)星型拓?fù)溥B接到一起，可以使通信區(qū)域大幅擴(kuò)大。樹(shù)型結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)需要多個(gè)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)服務(wù)：首先，樹(shù)型結(jié)構(gòu)必須提供動(dòng)態(tài)地址分配機(jī)制；其次樹(shù)型結(jié)構(gòu)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須根據(jù)信息的發(fā)送者和接收者做出一個(gè)最簡(jiǎn)單的路由選擇，保證信息向前發(fā)送；最后，樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)必須提供可配置的范圍樹(shù)型，以此表明網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有多少資源支持樹(shù)型結(jié)構(gòu)。 圖 樹(shù)型結(jié)構(gòu) 樹(shù)型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是成本較低、覆蓋范圍較大，缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)環(huán)境適應(yīng)性差，同時(shí)若任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的中斷和鼓掌將會(huì)導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)。所以說(shuō)相對(duì)來(lái)說(shuō)，樹(shù)型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn) 定性較差。 本文設(shè)計(jì)所生成的樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)，主要由信息中心和全功能設(shè)備兩者共同完成。上電初，是由網(wǎng)絡(luò)信息中心發(fā)出組網(wǎng)幀之后，其他可與信息中心通信的終端節(jié)點(diǎn)獲得網(wǎng)絡(luò)地址之后，如該地址具有組網(wǎng)功能 (全功能設(shè)備 )，就可以由該設(shè)備發(fā)出組網(wǎng)幀，以組成下一級(jí)的星型網(wǎng)絡(luò)，這樣 逐 級(jí) 向外擴(kuò)展，最后 數(shù)據(jù) 的中轉(zhuǎn)都是由全功能設(shè)備來(lái)完成，這樣就形成一個(gè)樹(shù)型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 本章小 結(jié) 本章主要介紹了無(wú)線通信技術(shù)的基本知識(shí)，其最為重要的就是通信過(guò)程中信號(hào)的流向，這對(duì)我們理解通信系統(tǒng)的工作原理有很大的幫助。其次介紹了各種無(wú)線短程通信技術(shù)的基 本情況和特別，并針對(duì)實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境在本文設(shè)計(jì)中參照了一定的知識(shí)。最后就是介紹了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一些重要的概念 和思想，同樣 按照實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境，提出本文設(shè)計(jì)中所體現(xiàn)的一些基本的思想，如 載波偵聽(tīng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，協(xié)議分層等重要的思想。 在此基礎(chǔ)上，為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組建搭配一個(gè)完整的硬件環(huán)境，接下來(lái)的一章就全面介紹節(jié)點(diǎn)的各個(gè)硬件組成部分。熊川：基于 A7102C 的短距離無(wú)線通信網(wǎng)設(shè)計(jì) 12 第 3 章 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)整體架構(gòu) 一個(gè)完整的系統(tǒng)不僅包括硬件資源，同樣也包括軟件資源，并相輔相成、缺一不可。 完整的網(wǎng)絡(luò)由分布在不同位置上的節(jié)點(diǎn)組成，但是僅有這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還不夠，還得需 要相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)它們之間的通信才能完成網(wǎng)絡(luò)的組建，最后才能發(fā)揮出它應(yīng)有的作用。 本文設(shè)計(jì)所體現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)由三類節(jié)點(diǎn)組成，分別是信息中心、全功能設(shè)備和精簡(jiǎn)設(shè)備。 整個(gè)的網(wǎng)絡(luò)首先是由信息中心發(fā)起的，其他節(jié)點(diǎn)在得到有效網(wǎng)絡(luò)地址之后，再根據(jù)該地址判斷是否屬于 全功能設(shè)備，然后由全功能設(shè)備發(fā)起組網(wǎng)，這樣一級(jí)一級(jí) 向外擴(kuò)展，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。 一個(gè)完整的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，必須有無(wú)線收發(fā)模塊，本文設(shè)計(jì)采用臺(tái)灣笙科公司的 A7102C 無(wú)線 IC 芯片，該芯片可以工作在 ISM 頻段的 433M 等多個(gè)頻段，設(shè)計(jì)中采用的是 433M 單信道的方式，整 個(gè)通信也是一個(gè)半雙工的通信方式；其次，終端節(jié)點(diǎn)還必須有微處理器，用于 控制 無(wú)線模塊的工作方式，另外一個(gè)很重要的就是協(xié)議的處理，設(shè)計(jì)中協(xié)議部分完全采用軟件的方式實(shí)現(xiàn) ，設(shè)計(jì)中采用的 AT89C52 單片機(jī)，利用 單片機(jī)的普通 I/O 口模擬無(wú)線模塊的讀寫時(shí)序來(lái)與其協(xié)調(diào)。 最后，配以必要的外圍電路來(lái)完成整個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件環(huán)境搭建，主要是通過(guò)一定的顯示方式來(lái)表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的各種情況，對(duì)于信息中心，主要是通過(guò)液晶的方式，其他節(jié)點(diǎn)都采用 LED 的方式來(lái)表達(dá)，黃色燈表示連接網(wǎng)絡(luò)成功，綠色燈表示數(shù)據(jù)傳送成功，紅色燈表示模塊處于發(fā)送的過(guò)程中。下面詳細(xì) 介紹節(jié)點(diǎn)的重要硬件組成部分。 A7102C無(wú)線 收發(fā) 模塊 A7102C 是 臺(tái)灣笙科 (AMICCOM)推出的一款工作 用于無(wú)線 315/433/868/915MHz的單片 CMOS 無(wú)線收發(fā) IC 芯片， 采用 32 腳的 QFN 封裝，采用模擬 SPI 接口數(shù)據(jù)傳送方式。通信 方式為半雙工方式，不能同時(shí)進(jìn)行收發(fā)操作，實(shí)際工作頻率采用其中的一個(gè)頻段，所以為單信道的通信線路，實(shí)際中需配以必要的外圍電路，包括濾波電路和晶振等。 該芯片 廣泛應(yīng)用于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制、無(wú)線接入、家庭智能控制和無(wú)線玩具等數(shù)據(jù)速率要求不是很高的應(yīng)用場(chǎng)合。 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 模塊功能 特點(diǎn) A7102C 由于采用了低功耗設(shè)計(jì)，高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，滿足無(wú)線管制的要求，無(wú)須使用許可證，因此在低功耗、低成本無(wú)線傳輸設(shè)備的選用時(shí)具有很大的優(yōu)勢(shì)。 A7102C 芯片具有如下功能特點(diǎn)： (1)A7102C 芯片具有多工作頻率的通道選擇； (2)可編程的 RF 輸出功率，最高可達(dá) 15dBm； (3)低功耗，輸出功率為 0dBm 時(shí)，接收電流為 13mA,發(fā)送電流為 20mA； (4)供應(yīng)電源 電壓 范圍： ~ ； (5)可編程的數(shù)據(jù)速率選擇，最高可達(dá) 150Kbps； (6)沒(méi)有外部的表面聲波濾 波器； (7)可編程選擇的 RTC 功能； (8)具有片上 8 位 AD 轉(zhuǎn) 換； (9)片上集成溫度傳感器； (10)具有可編程選擇的 FEC/CRC 數(shù)據(jù)加密 、校驗(yàn) 功能； (11)可編程選擇的 Manchester 數(shù)據(jù)編碼； (12)64 字節(jié)的發(fā)送 /接收 FIFO 緩存，最大可擴(kuò)展到 256 個(gè)字節(jié)； A7102C 芯片引腳如圖 所示： 圖 A7102C 引腳圖 本文設(shè)計(jì)所采用的是無(wú)線收發(fā)模塊 只具有無(wú)線收發(fā)功能，對(duì)于芯片提供的一些其他功能本文設(shè)計(jì)中沒(méi)有利用到，所以實(shí)際的模塊只是利用了其中的通信部分功能，對(duì)熊川：基于 A7102C 的短距離無(wú)線通信網(wǎng)設(shè)計(jì) 14 于必