一種基于時分多址原理的新型無線采集網(wǎng)絡(luò)

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(北京智芯微電子科技有限公司, 北京 100192)

引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的傳感器系統(tǒng)被接入無線網(wǎng)絡(luò)，為構(gòu)建智慧城市添磚加瓦。在眾多網(wǎng)絡(luò)傳感應(yīng)用中，有大量設(shè)備具有位置固定、采集周期恒定、數(shù)據(jù)傳輸量小的特點(如水表、燃?xì)獗怼囟扔嫛穸扔嫷?。這類設(shè)備如果使用傳統(tǒng)的無線組網(wǎng)方案(如GPRS)，勢必會增加設(shè)備的硬件成本和運營成本，還會造成公共基站的資源浪費。本文通過對一種簡化的“時分多址”組網(wǎng)方法的研究，和廣大讀者共同探討大容量數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的低成本方案。

1 什么是時分多址

簡單來說，時分多址技術(shù)就是將通信信道的工作時間，按照一定的規(guī)則劃分成若干個時間段。網(wǎng)絡(luò)中不同設(shè)備節(jié)點分別獨占一個時間段進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備節(jié)點，在不同的時間段完成數(shù)據(jù)傳輸工作，共同使用整個通信信道。時分多址技術(shù)對單一頻譜的利用率較高，對頻率資源占用很小，由于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備節(jié)點工作在同一頻點，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的設(shè)計相對簡單。時分多址技術(shù)對時鐘同步的要求很高，往往有一套很復(fù)雜的時鐘同步機(jī)制。本文中描述的基于RX8025T芯片的無線采集網(wǎng)絡(luò)只是借用了時分多址技術(shù)的思想，通過高精確度的實時時鐘芯片來實現(xiàn)信道的分時復(fù)用。

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

鑒于一對多的數(shù)據(jù)采集式應(yīng)用場景，無線采集網(wǎng)絡(luò)采用的是典型的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。主節(jié)點承擔(dān)整個網(wǎng)絡(luò)時標(biāo)基準(zhǔn)的建立，接收從節(jié)點傳回的數(shù)據(jù)，維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)的運行；從節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，并將采集的數(shù)據(jù)傳送給主節(jié)點；一個網(wǎng)絡(luò)中只有一個主節(jié)點；從節(jié)點只能與主節(jié)點通信，從節(jié)點之間不能通信。無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 無線采集網(wǎng)絡(luò)的主要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

無線采集網(wǎng)絡(luò)的主要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有時段值、時間同步周期、節(jié)點地址等。

① 時段值。時段值是指無線采集網(wǎng)絡(luò)分割成的時間片段的大小。該參數(shù)控制著單個從節(jié)點能夠占用無線網(wǎng)絡(luò)的時間長短。

② 時間同步周期。時間同步周期是指主節(jié)點進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)時間同步的周期。從節(jié)點需要根據(jù)時間同步周期定時地從休眠狀態(tài)切換到工作狀態(tài)，對自身的時鐘進(jìn)行同步。

③ 節(jié)點地址。節(jié)點地址是無線采集網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的唯一標(biāo)識。從節(jié)點通過節(jié)點地址確定主節(jié)點，并根據(jù)自身的節(jié)點地址計算其占用的通信時段。

4 主節(jié)點的幀種類

4.1 時間同步幀

時間同步幀是由主節(jié)點根據(jù)時間同步周期定時發(fā)起的，在整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行廣播發(fā)送的時間同步指令。該帖包含時標(biāo)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集標(biāo)識。時標(biāo)數(shù)據(jù)供網(wǎng)絡(luò)中的從節(jié)點設(shè)備進(jìn)行時鐘同步；數(shù)據(jù)采集標(biāo)識用來發(fā)起一次數(shù)據(jù)采集。當(dāng)從節(jié)點檢測到數(shù)據(jù)采集標(biāo)識后，會按照自身的通信時段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，時間同步幀結(jié)構(gòu)如下所示：

幀頭廣播地址時標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集標(biāo)識幀尾

4.2 數(shù)據(jù)確認(rèn)幀

數(shù)據(jù)確認(rèn)幀是主節(jié)點收到從節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)之后的應(yīng)答幀,該幀可包含主節(jié)點下發(fā)給從節(jié)點的指令數(shù)據(jù)。其中，從節(jié)點地址為目標(biāo)從節(jié)點的節(jié)點地址；主節(jié)點幀號為主節(jié)點當(dāng)前發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的幀號；從節(jié)點幀號為當(dāng)前數(shù)據(jù)確認(rèn)幀應(yīng)答的數(shù)據(jù)幀幀號；指令數(shù)據(jù)為主節(jié)點發(fā)送給從節(jié)點的指令信息。數(shù)據(jù)確認(rèn)幀格式如下：

幀頭從節(jié)點地址主節(jié)點幀號從節(jié)點幀號指令長度指令數(shù)據(jù)幀尾

5 從節(jié)點的幀種類

數(shù)據(jù)幀是從節(jié)點在其所屬的時間段內(nèi)發(fā)送給主節(jié)點的數(shù)據(jù)信息。該幀包含了從節(jié)點的采集數(shù)據(jù)信息和上一次指令完成的狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如下：

幀頭主節(jié)點地址從節(jié)點幀號主節(jié)點幀號采集數(shù)據(jù)指令完成標(biāo)識幀尾

6 無線采集網(wǎng)絡(luò)的工作方式

6.1 正常校時

圖2 正常校時流程

當(dāng)主節(jié)點不需要從節(jié)點上傳數(shù)據(jù)時，主節(jié)點需要每隔一定時間(時間同步周期)進(jìn)行一次廣播校時，從節(jié)點只需要接收校時指令進(jìn)行本地校時，不需要進(jìn)行應(yīng)答。正常校時流程圖如圖2所示。

6.2 校時并抄讀數(shù)據(jù)

當(dāng)主節(jié)點需要抄讀數(shù)據(jù)時，需要在時間同步幀中的數(shù)據(jù)采集標(biāo)識里進(jìn)行標(biāo)記。從節(jié)點在收到一個指令時段值的時間后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。按節(jié)點地址由小到大的順序，每隔一個時段值，一個從節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)上報。主節(jié)點收到上報數(shù)據(jù)后給予應(yīng)答。上報與應(yīng)答的時間不超過一個時段值。校時并抄讀數(shù)據(jù)流程圖如圖3所示。

圖3 校時并抄讀數(shù)據(jù)流程圖

6.3 校時、抄讀數(shù)據(jù)并下發(fā)指令

當(dāng)主節(jié)點發(fā)送“數(shù)據(jù)確認(rèn)幀”增加了指令數(shù)據(jù)時，從節(jié)點收到該幀后，需要額外執(zhí)行相應(yīng)的指令，并在下次抄讀數(shù)據(jù)時傳送指令執(zhí)行狀態(tài)信息。校時、抄讀數(shù)據(jù)、發(fā)送指令流程圖如圖4所示。

圖4 校時、抄讀數(shù)據(jù)、發(fā)送指令流程圖

7 RX8025T實時時鐘芯片

RX8025T芯片是在電力設(shè)備中廣泛應(yīng)用的一款實時時鐘芯片,它具有寬工作電壓、超低功耗、無外圍器件、晶振時鐘可輸出，全溫度范圍(-40～85 ℃)時鐘誤差為±5×10-6等優(yōu)點。RX8025T芯片的生產(chǎn)商以日本愛普生為代表，國內(nèi)也有如上海貝嶺等廠家生產(chǎn)。由于RX8025T芯片應(yīng)用廣泛，目前在低功耗領(lǐng)域中具有相當(dāng)大的價格優(yōu)勢。RX8025T芯片的通信接口為I2C總線，應(yīng)用時除總線上拉電阻和電源退耦電容外，不需要其他外圍器件。RX8025T芯片應(yīng)用電路圖如圖5所示。

圖5 RX8025T芯片應(yīng)用電路圖

圖中，R6、R7為I2C總線的上拉電阻；C12為芯片電源的退耦電容；FOUT引腳為32.768 kHz的時鐘輸出腳；FOE為時鐘輸出控制引腳。當(dāng)FOE為邏輯高電平時，F(xiàn)OUT輸出32.768 kHz的時鐘。當(dāng)FOE為邏輯低電平時，F(xiàn)OUT為高阻態(tài)。

8 節(jié)點設(shè)備的時鐘校正

在整個無線采集網(wǎng)絡(luò)中，主節(jié)點是唯一的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)設(shè)備。主節(jié)點設(shè)備對硬件成本的要求不高,假定主節(jié)點設(shè)備的時鐘是精準(zhǔn)的,那么相對于從節(jié)點，主節(jié)點的時鐘誤差忽略不計。

圖6 從節(jié)點設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖

從節(jié)點大多對功耗和成本有極高的要求，因此只能采用低成本的無源晶振。無源晶振的精度受溫度的影響較大，必須進(jìn)行校正。RX8025T芯片在全溫區(qū)(-40～85 ℃)具有±5×10-6的誤差精度，如果通過8025T芯片輸出的32.768 kHz信號對單片機(jī)的時鐘進(jìn)行校正，就可以保證單片機(jī)自身的時鐘在全溫區(qū)也達(dá)到±5×10-6的誤差精度。從節(jié)點設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

從節(jié)點內(nèi)部的單片機(jī)負(fù)責(zé)整個設(shè)備的運算和控制。單片機(jī)通過功能模塊實現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制功能。溫度傳感器負(fù)責(zé)采集當(dāng)前的環(huán)境溫度；8025T負(fù)責(zé)提供實時時鐘和32.768 kHz的校準(zhǔn)時鐘；無線模塊負(fù)責(zé)設(shè)備的無線通訊。從節(jié)點的時鐘校時主要是通過單片機(jī)、8025T和溫度傳感器來實現(xiàn)的，時鐘校正流程圖如圖7所示。

圖7 時鐘校正流程圖

9 無線采集網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點容量

無線采集網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點容量受三個要素約束:一是數(shù)據(jù)采集的周期，即主節(jié)點發(fā)起一次數(shù)據(jù)采集的時間間隔；二是從節(jié)點上傳數(shù)據(jù)時，由從節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)第一個字節(jié)開始，到從節(jié)點接收主節(jié)點應(yīng)答的最后一個字節(jié)結(jié)束；三是時段值的大小。無線采集網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點容量與節(jié)點上傳數(shù)據(jù)用時負(fù)相關(guān)，與數(shù)據(jù)采集的周期、時段值正相關(guān)。其約束關(guān)系如下：

(1)

數(shù)據(jù)采集周期≥時段值×節(jié)點容量

(2)

以數(shù)據(jù)采集周期為12小時，時段值為1 s，從節(jié)點上傳數(shù)據(jù)用時600 ms為例，任意兩個從節(jié)點的最大時鐘誤差是基準(zhǔn)誤差的兩倍，即5×10-6×2=10-5，由式(1)可得節(jié)點容量為40 000個；由式(2)可得節(jié)點容量≤43 200個。綜合來看，這個無線采集網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點容量為40 000個。

結(jié) 語

崔永旭(中級工程師)，主要研究方向為電力電子、嵌入式設(shè)備開發(fā)。