【正文】 layer. The host device controls guest device which joins in the work. The destination of data transmission is the information center. The data transfer mechanism of full function device realizes data transfer. Wireless munication protocol in the paper realizes that information center established munication work, and guest devices can transmit data to information center with the effective address which host device assign. KEY WORDS： Wireless working, protocol, CSMA, A7102C 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒 論 課題研究背景 近十年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，不論是硬件還是軟件，其變化之快都 是每個(gè)人有目共睹的 。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是指采取一定的通信協(xié)議，將分布在不同地點(diǎn)上的多個(gè)獨(dú)立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)互聯(lián)通道（即通信線路）聯(lián)接在一起，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和服務(wù)共享的計(jì)算機(jī)技術(shù)。目前應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有 Inter， 以及大大小小的企業(yè) LAN 等。一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通常由三個(gè)部分組成： 1) 可以共享的網(wǎng)絡(luò)資源 網(wǎng)絡(luò)服務(wù) ， 2) 提供網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐ǖ?， 3) 保證通信 的規(guī)則 協(xié)議。 手機(jī)通話、短信息通信無(wú)處不在； GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)為我們導(dǎo)航指路；無(wú)線智能家居設(shè)備、無(wú)線故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、農(nóng)作物環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)等典型應(yīng)用，讓我看到無(wú)線技術(shù)不斷發(fā)展和不斷擴(kuò)大，無(wú)線技術(shù)正不斷改變我們的生活方式，使人們的生活更加舒適、美好、安全。依據(jù)頻譜不同，各國(guó)的無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)都對(duì) RF 頻道的使用進(jìn)行了相應(yīng)的管理。目前，我國(guó)可以使用的 ISM 頻率為 433MHz 和 。 無(wú)線通信系統(tǒng)可分為長(zhǎng)距離無(wú)線通信系統(tǒng)和短距離無(wú)線通信系統(tǒng)。其中發(fā)送終端向外界發(fā)送數(shù)據(jù)信息，隨著距離的增加，需要中繼站來(lái)提高信號(hào)傳輸質(zhì)量，接收終端把信息接收下來(lái)并進(jìn)行分析、處理以備使用。但長(zhǎng)距離無(wú)線通訊系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是通訊距離一般在幾十米到幾千公里，但大部分需要申請(qǐng)固定的無(wú)線頻道，需要交納使用費(fèi)用。主要應(yīng)用于室內(nèi)無(wú)線信息交換。同時(shí)，在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，以太網(wǎng)是一種采用 CSMA/CD 訪問(wèn)機(jī)制，基于總線型的局域網(wǎng)，以其高度靈活、相對(duì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等顯著特點(diǎn)，成為當(dāng)前最重要、最廣泛采用的局域網(wǎng)技術(shù)。時(shí)代需要速度更快、互操作更方便以及更安全可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)， Nordic VLSI、 Freascale、Atmel、臺(tái)灣笙科公司 等 IC生廠商都相繼推出了新一代短距離無(wú)線數(shù)據(jù)通信收 發(fā)芯片，以 nRF90 CC1100、 Jennic、 A7102C 為主流的無(wú)線芯片性能得到了很大提高，最新的無(wú)線收發(fā)芯片將全部無(wú)線通信需要的調(diào)制 /解調(diào)芯片、高 /低頻放大器等全部集成在芯片中，使外圍器件大幅度減少，很容易與各種型號(hào)微控制器連接實(shí)現(xiàn)高可靠性無(wú)線通信，使開(kāi)發(fā)無(wú)線產(chǎn)品成本大大降低，開(kāi)發(fā)難度更簡(jiǎn)單，應(yīng)用更廣泛，嵌入式無(wú)線通信和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將逐步取代現(xiàn)有的 有線通信和有線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線技術(shù)將展示其巨大的影響力，必將掀起一場(chǎng) 新的技術(shù)浪潮。無(wú)線系統(tǒng)以電磁波作為傳輸介質(zhì)，避免了有線系統(tǒng)的諸多弊病，同時(shí)在成本、靈活性和使用性上全面超越有線系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，有線系統(tǒng)在安裝、維護(hù)、故障排除和升級(jí)等方面的費(fèi)用都在不斷增加，而無(wú)線系統(tǒng)的相應(yīng)費(fèi)用卻有下降的趨勢(shì)。大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)故障都發(fā)生在接口處，無(wú)線系統(tǒng)顯著地降低了接口故障的發(fā)生率。在移動(dòng)設(shè)備中，沒(méi)有了傳輸線的制約，人們能夠更加靈活地根據(jù)需要放置 器具，移動(dòng)物體。如將無(wú)線技術(shù)應(yīng)用于傳感器，可以使傳感器避免附有大量的傳輸線，移動(dòng)方便，同時(shí)也可以減小傳感器的體積。無(wú)線設(shè)備可以迅速組成有效地通信網(wǎng)絡(luò)，從而可以使我們方便快捷地進(jìn)行系統(tǒng)集成和測(cè)試。毫無(wú)疑問(wèn)，在不久的將來(lái)， 短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 將 全面進(jìn) 入人們的工作和生活。傳感器網(wǎng)絡(luò)是無(wú)線 組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的另一大領(lǐng)域。分散的傳感器通過(guò)無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)傳感器之間和 主 控制中心之間的通信。 像無(wú)線路燈控制系統(tǒng)，終端節(jié)點(diǎn)可以測(cè)量該燈的電壓、電流、功率、功率因 素等各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，將這些數(shù)據(jù)發(fā)往終端信息中心進(jìn)行的處理以獲得各種所需要的信息。 (2)緊急和突發(fā)場(chǎng)合 。此時(shí)無(wú)線自組網(wǎng)能夠在這些惡劣和特殊的環(huán)境下提供通信支持，對(duì)搶險(xiǎn)和救災(zāi)工作具有重要意義。 (3)偏遠(yuǎn)野外地區(qū) 。無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)具有單獨(dú)組網(wǎng)能力和自組織特點(diǎn)，是這些場(chǎng)合通信的最佳選擇。 無(wú)線自組網(wǎng)的快速、簡(jiǎn)單組網(wǎng)能力使得它可以用于臨時(shí)場(chǎng)合的通信。 (5)動(dòng)態(tài)場(chǎng)合和分布式系統(tǒng) 。無(wú)線自組網(wǎng)還可以用于在自動(dòng)高速公路系統(tǒng)(AHS)中協(xié)調(diào)和控制車(chē)輛，對(duì)工業(yè)處理過(guò)程進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等。 個(gè)人局域網(wǎng) (PAN)是無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)的又一應(yīng)用領(lǐng)域，用于實(shí)現(xiàn)PDA、手機(jī)、掌上電腦等個(gè)人電子通信設(shè)備之間的通信，并可以構(gòu)建虛擬教室和討論組等嶄新的移動(dòng)對(duì)等應(yīng)用 (MPZP)。 熊川：基于 A7102C 的短距離無(wú)線通信網(wǎng)設(shè)計(jì) 4 (7)商業(yè)應(yīng)用 。 (8)其它應(yīng)用 。比如它可以用來(lái)擴(kuò)展現(xiàn)有蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)地鐵和隧道等場(chǎng)合的無(wú)線覆蓋，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)和飛機(jī)等交通工具之通信，用于輔助教學(xué)和構(gòu)建未來(lái)的移動(dòng)無(wú)線城域網(wǎng)和自組織廣域網(wǎng)等。 第一章敘述了短距離無(wú)線 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 的背景、意義 以及發(fā)展趨勢(shì)，介紹了本課題研究的意義和內(nèi)容。 第三章詳細(xì)敘述了網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案以及硬件組成，并介紹了各元件的規(guī)格參數(shù)和編程重點(diǎn)。 第五章 主要介紹了系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果和分析，并 在此基礎(chǔ)上提出了一些改進(jìn)的措施，對(duì)實(shí)際的應(yīng)用也作了簡(jiǎn)單的介紹。 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 2 章 無(wú)線通信 和網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)基本理論 無(wú)線通信技術(shù)基本原理 通信的主要任務(wù)就是傳送信息。它由發(fā)信設(shè)備、收信設(shè)備、信道等各部分組成。其原理圖如圖 所示。接收機(jī)輸入端的高頻放大器的功能是對(duì)天線上收到熊川：基于 A7102C 的短距離無(wú)線通信網(wǎng)設(shè)計(jì) 6 的所需信號(hào)進(jìn)行初步的選擇和放大，“選擇”就是只選取頻率為關(guān)的所需信號(hào)，抑制其它頻率的無(wú)用信號(hào)，這通常是靠放大器中的調(diào)諧電路實(shí)現(xiàn)。 短距離無(wú)線通信技術(shù) 目前有代表性的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有 ： 藍(lán)牙網(wǎng) 、 IrDA、 (WLAN)、HomeRF、 ZigBee。用來(lái)在筆 記本計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話、以及其它 的無(wú)線設(shè)備之間建立起一種小型、經(jīng)濟(jì)、短距離的無(wú)線鏈路。 藍(lán)牙技術(shù)具有如下的特點(diǎn) ： 第一，可同時(shí)發(fā)送語(yǔ)音與數(shù)據(jù)，藍(lán)牙技術(shù)定義了電路交換與包交換的數(shù)據(jù)傳輸類型，能夠同時(shí)支持語(yǔ)音與數(shù)據(jù)信息的傳輸。為了避免與此頻段上的其它通信系統(tǒng)互相干擾，藍(lán)牙技術(shù)采用頻率跳躍技術(shù)來(lái)消除干擾和降低電波衰減。第四，可以應(yīng)用于各種電子設(shè)備，根據(jù)藍(lán)牙技術(shù)核心規(guī)范的定義，藍(lán)牙技術(shù) 幾 以應(yīng)用到各種移動(dòng)設(shè)備上，如移動(dòng)電話、無(wú)繩電話、 筆記本電腦以及各式各樣的無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)備。 IrDA 技術(shù)，簡(jiǎn)單的講是 一種利用紅外線技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)。同時(shí)由于 Inter 的迅猛發(fā)展和圖形文件的增多， IrDA 的高速率傳輸優(yōu)勢(shì)在掃描儀和數(shù)碼相機(jī)等圖形處理設(shè)備中更可發(fā)揮長(zhǎng)處。 支持兩種傳輸速率，即基于BPSK 的 1Mb/s 和 QPSK 的 2Mb/s，目前的 標(biāo)準(zhǔn)支持的最大速率達(dá)到11Mb/s。目前的 方式采用了直接序列擴(kuò)頻 (DSSS)，它所支持的范圍室外為 300 米，辦公環(huán)境中為 100 米。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的高效傳輸， HomeRF 采用了 標(biāo)準(zhǔn)中的 CSM/CA 模式，它與 CSM/CD 類似，以競(jìng)爭(zhēng)的方式來(lái)獲取對(duì)信道的控制權(quán)。 HomeRF 工作在 頻段，它采用數(shù)字調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)，速率為 50 跳 /s，共有 75 個(gè)帶寬為 1MHz 的跳頻信道。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。 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)。 ZigBee 是一種通過(guò)簡(jiǎn)捷方式實(shí)現(xiàn)“無(wú)線”溝通的方式。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)。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。但是幀結(jié)構(gòu)的定義 有所區(qū)別。 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。 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。它直接影響總線、接口和網(wǎng)絡(luò)的性能。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)?。物理層基本?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)。 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 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。 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。 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)。 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。 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。 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) 。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。 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)。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)。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)。同時(shí)它的網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間較小，傳輸誤差較低。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。 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。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)。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。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)。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)。 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。 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。 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)。 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