CN101662312A

CN101662312A - 一种短距离无线数据传输系统

Info

Publication number: CN101662312A
Application number: CN200810244020A
Authority: CN
Inventors: 王琢玉; 张轩; 刘昊; 方晨; 陆生礼; 时龙兴
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2029-04-03
Also published as: CN101662312B

Abstract

本发明涉及一种超低功耗短距离无线数据传输系统，该系统在保证数据可靠性传输的同时，也极大的降低了设备的功耗。该系统包括一个主设备和若干从设备，还包括：将系统的一个时间周期分为通信时间段和休眠时间段的装置，在通信时间段，无线数据传输模块处于正常工作状态，在休眠时间段，微处理器处于低功率的模式，在低功率的模式下，主设备和从设备的微处理器进入休眠模式，处理器的CPU停止工作，只有微处理器的串口模块仍然处于工作状态，这时候微处理器的电流小于550μA；而无线收发单元在该低功耗模式下将停止工作；所述从设备中设有自动跟踪主设备同步装置，该装置用于根据主设备的对时帧来调整从设备的时间，使之与主设备时钟同步。

Description

一种短距离无线数据传输系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种短距离无线数据传输系统。

背景技术

短距离无线数据透明传输是一种线缆替代技术，在当前很多领域如工业生产、医疗监护、科学研究等都得到了广泛的应用，它的出现，解决了因环境和条件限制而不利于有线布线的烦恼，同时具有低成本、方便携带等优点。现有的短距离无线数据传输系统由两个部分组成：发送终端和接收终端。发送终端PC通过串口给无线发送端送数据，无线接收端再通过串口将接收的数据传给接收端PC。发送终端和接收终端的硬件设计是一样的，只不过是在固件编程时有所不同。系统实现框图，如图1所示，终端包括PC机、微处理器(MCU)、无线收发接口芯片(RFW-D100)、无线收发芯片(RFW122-M)和无线收发芯片外接的差分阻抗天线或带有匹配电路的其它天线，电路原理图如图2所示。然而现有的短距离无线数据传输系统都存在着功耗大，结构复杂，价格较高的缺点，使得这技术在很多供电受限的工业现场的应用收到了很大的限制。

发明内容

本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种超低功耗短距离无线数据传输系统，该系统在保证数据可靠性传输的同时，也极大的降低了设备的功耗。

实现上述发明目的的技术方案是：一种短距离无线数据传输系统，包括一个主设备和若干从设备；所述主设备包括微处理器(MCU)单元、无线收发单元以及无线天线和匹配电路，MCU单元与无线收发单元通过总线连接，二者构成主设备无线数据传输模块，相应的通信协议与应用程序都在MCU上实现，主设备无线数据传输模块通过串口通信总线与用户主控机实现通信；所述从设备包括MCU单元、无线收发单元以及无线天线和匹配电路，MCU单元与无线收发单元通过总线连接，二者构成从设备无线数据传输模块；用户主控机通过串口通信总线给主设备无线数据传输模块的MCU单元传送数据，MCU单元将数据进行组包处理后再送给无线收发单元无线发送出去，从设备无线数据传输模块将接收到的数据包经过解包后通过串口通信总线将数据传给的用户仪器仪表，主设备和从设备之间通过无线方式相连；其特征在于，所述系统还包括：将系统的一个时间周期分为通信时间段和休眠时间段的装置，在通信时间段，无线数据传输模块处于正常工作状态，在休眠时间段，微处理器处于低功率的模式，在低功率的模式下，主设备和从设备的微处理器进入休眠模式，处理器的CPU停止工作，只有微处理器的串口模块仍然处于工作状态，这时候微处理器的电流小于550uA；而无线收发单元在该低功耗模式下将停止工作；

所述从设备中设有自动跟踪主设备同步装置，该装置用于根据主设备的对时帧来调整从设备的时间，使之与主设备时钟同步。

所述主设备的无线数据传输模块中包括：

用于在通信时间段之初，无线广播一条对时帧的装置；

用于如果主设备的串口接收缓存中有从用户主控机(如：PC机)发送出来的数据，将对时帧帧头的数据待发域置1的装置；

用于如果主设备的串口接收缓存中没有有从用户主控机(如：PC机)发送出来的数据，将对时帧帧头的数据待发域置0的装置；

用于发送对时帧，进入接收状态的装置；

用于在对时帧发送完后紧接着将串口接收缓存中的数据打包广播出去，除最后一个数据帧外的其他数据帧的帧头数据待发域都置1的装置；

用于发送完最后一个数据帧后，进入接收状态的装置；

用于在T1(如：4ms)内没有收到从设备发送过来的数据帧，关闭无线收发单元，同时处理器进入低功耗状态，只让串口正常工作的装置；

用于在接收到从设备的数据帧后，向相应的从设备发送一个确认帧的装置；

用于根据数据帧的帧头数据待发域判断是否继续保持接收状态还是进入休眠时间段的装置；

用于在下一周期的通信时间到来时，将主设备唤醒的定时器。

所述从设备的无线数据传输模块中包括：

用于上电后无线数据传输模块进入接收状态，侦听主设备广播的对时帧的装置；

用于如果在T2段(T2＝N*T0，N＝1，2，3…)时间都没有收到对时帧，使从设备进入T4段(T4＝M*T0，M＝1，2，3…，且T4＞T2)时间的休眠的装置；

用于接收到对时帧后，调整从设备定时器的时间，使之与主设备定时器同步的装置；

用于根据对时帧帧头的数据待发域，决定是否需要继续进入接收状态的装置；

用于接收主设备的数据帧，并将之解包送到串口发送缓存的装置；

用于再根据对时帧帧头的数据待发域，决定是否需要继续保持接收状态的装置；

用于判断从设备的串口接收缓存中是否有待发送的数据的装置；

用于如果串口接收缓存中有从用户仪器仪表发送过来的数据，竞争信道的装置；

用于信道竞争成功后，将串口接收缓存里的数据打包发送给主设备，除最后一个数据帧，其他的数据帧帧头的数据待发域都置1

用于每发送完一个数据帧，就进入接收状态以接收主设备回复的确认帧，并在成功接收到确认帧后，再进入发送状态发送下一个数据帧的装置；

用于发送完最后一个数据帧，并成功接收到主设备的确认帧后，进入休眠时间段；

用于在下一周期的通信时间到来时，将从设备唤醒的定时器。

本发明中，休眠时间段的设定说明如下：

1.从设备上电后无线数据传输模块进入接收状态，侦听主设备广播的对时帧；如果在T2段(T2＝N*T0，N＝1，2，3…)时间都没有收到对时帧，从设备就进入T4段(T4＝M*T0，M＝1，2，3…，且T4＞T2)时间的休眠。休眠醒来后再次侦听对时帧T0段(T0为系统的一个时间周期)时间，如果仍然没有接收到对时帧，从设备再次进入T4段的时间的休眠，直到侦听到主设备的对时帧。

2.在通信时间段中，主设备和从设备之间的任意一方，只要在接收状态下超过设定时间T1没有收到对方的数据帧，就会进入休眠时间段。

3.在通信时间段中，主设备在接收到从设备的数据帧后，向相应的从设备发送一个确认帧，同时根据数据帧的帧头数据待发域判断是否继续保持接收状态还是进入休眠时间段。

4.在通信时间段中，从设备发送完一个数据帧后，就会等待主设备的确认帧，如果在超过设定的时间T1内没有收到主设备的确认帧，就会进入休眠时间段，没有成功等到确认的数据和没有发送完的数据留到下一个通信时间段重新通过竞争信道发送。

5.从设备发送完最后一个数据帧，并成功接收到主设备的确认帧后，进入休眠时间段。

6.没有成功竞争到信道的从设备直接进入休眠时间段，等到下一周期的通信时间段再重新竞争信道。

7.从设备如果在下一个通信时间段到来之前数据还没有发送完，就会停止发送，进入接收状态，等待主设备的对时帧。没有成功等到确认的数据和没有发送完的数据留到下一个通信时间段重新通过竞争信道发送。主设备如果在下一个通信时间段到来时，跟从设备的通信还没有结束，就会停止跟从设备的通信，并进入发送状态，发送对时帧。

本发明将系统的一个时间周期划分为休眠时间段和通信时间段，从设备通过接收主设备周期无线广播的对时帧实现于主设备的时间同步。在休眠时间段里，主设备和从设备将关闭无线模块，并且处理器进入低功耗状态。休眠时间段过后主设备和从设备都进入通信时间段，在通信时间段主设备首先无线广播一条对时帧，然后主、从设备之间开始数据传输。不需要进行数据传输的设备或数据传输结束后的设备就直接进入休眠时间段。无线收发模块同时采用直接序列扩频和OQPSK调制方式，提高了无线信号的抗干扰能力。

本发明通过采用时间同步技术，实现主设备和从设备之间的时间同步，并借助于时间同步，将主设备和从设备在没有数据传输的时候进入低功耗状态，极大的降低了装置的功耗。采用直接序列扩频和O-QPSK技术，提高了信号传输的抗干扰能力；采用CSMA-CA机制和有数据帧确认的通讯协议，提高了数据的传输可靠性。

附图说明

图1是本发明背景技术系统结构示意图

图2是本发明背景技术电路结构图

图3是本发明系统结构图

图4是本发明实施例中主设备或从设备硬件组成示意图

图5是本发明实施例的485总线通信模块电路

图6是本发明实施例无线数据传输模块电路图

图7本发明实施例的天线及匹配电路结构图

图8是本发明主设备工作流程图

图9是本发明从设备工作流程图

图10是本发明系统时间周期图

具体工作方式

下面结合实施例，做进一步说明。

实施例1

如图3所示，一种短距离无线数据传输系统，包括一个主设备和若干从设备；主设备10包括微处理器(MCU)单元、无线收发单元以及无线天线和匹配电路，MCU单元与无线收发单元通过总线连接，二者构成主设备无线数据传输模块11，相应的通信协议与应用程序都在MCU上实现，从设备20包括MCU单元、无线收发单元以及无线天线和匹配电路，MCU单元与无线收发单元通过总线连接，二者构成从设备无线数据传输模块21；用户主控机通过串口通信总线给主设备无线数据传输模块11的MCU单元传送数据，MCU单元将数据进行组包处理后再送给无线收发单元通过无线发送出去，从设备无线数据传输模块21将接收到的数据包经过解包后通过串口通信总线将数据传给的用户仪器仪表，主设备和从设备之间通过无线方式相连。

系统中还包括：将系统的一个时间周期分为通信时间段和休眠时间段的装置，在通信时间段，无线数据传输模块处于正常工作状态，在休眠时间段，微处理器处于低功率的模式，在低功率的模式下，主设备和从设备的微处理器进入休眠模式，处理器的CPU停止工作，只有微处理器的串口模块仍然处于工作状态，这时候微处理器的电流小于550uA；而无线收发单元在该低功耗模式下将停止工作；

从设备中设有自动跟踪主设备同步装置，该装置用于根据主设备的对时帧来调整从设备的时间，使之与主设备时钟同步。

如图4所示，以主设备为例(主设备和从设备的硬件设置相同)，MCU单元与无线收发单元通过总线连接，二者构成无线数据传输模块11，如图6所示，本实施例采用了由飞思卡尔提供的一款SoC芯片MC13213，该芯片集成了MCU微处理器单元和2.4GHz的无线收发单元。MCU微处理器单元和2.4GHz的无线收发单元之间通过SPI串口总线相连接。MCU微处理器单元是一个8位的HCS08内核的处理器，其集成了通用串口和定时/计时器等一系列功能。无线收发单元的频段选择的是2.4GHz的ISM频段，其物理层是按照IEEE802.15.4的标准来设计的，它的数据传输速率为250kbps，该频带划分为16个信道，每个信道占5MHz的带宽。采用直接序列扩频(DSSS)和0-QPSK的调试方式，提高了无线信号的抗干扰能力。用户主控机通过485通用串口通信总线电路30，该电路如图5所示，给主设备无线数据传输模块11的MCU单元传送数据，MCU单元将数据进行组包处理后再送给无线收发单元通过无线天线和匹配电路12，该电路的具体结构如图7所示，发送出去，从设备无线数据传输模块将接收到的数据包经过解包后通过串口通信总线将数据传给的用户仪器仪表。

如图8所示，主设备上电后每隔T0(如：100ms)就向外广播对时帧，如果主设备的串口接收缓存中有从用户主控端(如：PC机)发送出来的数据，那么对时帧帧头的数据待发域就会置1，同时在对时帧发送完后紧接着将串口接收缓存中的数据打包广播出去。如果串口接收缓存里的数据太长，主设备就会将之分包发送，并且除最后一个数据帧外的其他数据帧的帧头数据待发域都置1。主设备发送完最后一个数据帧后，进入接收状态。主设备在接收到从设备的数据帧后，进行解包，并送到主设备串口发送缓存，同时向相应的从设备发送一个确认帧，并根据数据帧的帧头数据待发域判断是否继续保持接收状态还是进入休眠时间段。如果主设备在T1(如：4ms)内没有收到从设备发送过来的数据帧，就进入休眠时间段。在休眠时间段里，主设备关闭无线收发单元，同时处理器进入低功耗状态，只有串口正常工作。定时器在下一周期的通信时间到来时将主设备唤醒，主设备打开无线收发单元，开始发送对时帧。

如图9所示，从设备上电后无线数据传输模块进入接收状态，侦听主设备广播的对时帧。如果在T2(如：300ms)时间内都没有收到对时帧，从设备就进入T4(如：5s)时间的休眠。休眠醒来后再次进行T0时间的对时帧侦听，如果仍然没有接收到对时帧，从设备再次进入T4时间的休眠。直到侦听到主设备的对时帧。

从设备接收到对时帧后，首先修正自己的时间，使之与主设备同步，然后将数据帧解包并送往串口发送缓存，并根据对时帧帧头的数据待发域决定是否需要进入接收状态。从设备顺利接收完主设备的数据帧后，开始判断自己的串口接收缓存中是否有用户仪器仪表设备发送的数据，如果串口接收缓存中有数据，从设备通过CSMA/CA机制竞争信道，只有竞争成功后，才开始将串口接收缓存里的数据打包发送给主设备。如果串口接收缓存里的数据太长，从设备会对数据进行分包发送，并且除最后一个数据帧，其他的数据帧帧头的数据待发域都置1。从设备发送完最后一个数据帧，并成功接收到主设备的确认帧后，进入休眠时间段。在休眠时间段里，从设备关闭无线收发单元，同时处理器进入低功耗状态，只有串口正常工作。

没有成功竞争到信道的其他从设备直接进入休眠时间段，等到下一周期的通信时间段再重新竞争信道。

在通信时间段中，主设备和从设备之间的任意一方只要在T1的接收状态下没有收到对方的数据帧，就会进入休眠时间段。从设备未发送完的数据(包括未确认的数据帧)会在下一个通信周期重新竞争信道并发送。

如图10所示，在第一个时间周期，主设备发送完对时帧后，紧接着发送数据帧，第一从设备和第二从设备处于接收状态，第一从设备和第二从设备接收完主设备的最后一个数据帧，并解包送到串口发送缓存后，由于自己的串口接收缓存中没有数据需要发送，所以直接进入休眠时间段，而主设备发送完最有一个数据帧后，等待T1超时后没有收到任何从设备的数据帧，所以就进入休眠时间段。

在第二个时间周期，主设备发送完对时帧后，由于串口接收缓存中没有数据待发送，所以直接进入接收状态，而第一从设备和第二从设备的串口接收缓存中都有数据等待发送，所以在收到对时帧后开始CSMA/CA竞争信道。第二从设备在信道竞争中失败，就进入休眠时间段，而第一从设备成功竞争到信道，开始与主设备进行通信。主设备收到第一从设备的最后一个数据帧并发送完确认帧后进入休眠时间段，而第一从设备在收到主设备发来的最后一个数据帧的确认帧后也进入休眠时间段。

在第三个时间周期，主设备发送完对时帧后，进入接收状态。第一从设备由于串口接收缓存中没有数据待发送，所以直接进入休眠时间段。第二从设备获得信道和主设备进行通信。通信结束后主设备和第二从设备都进入休眠时间段。

Claims

1、一种短距离无线数据传输系统，包括一个主设备和若干从设备；所述主设备包括微处理器单元、无线收发单元以及无线天线和匹配电路，MCU单元与无线收发单元通过总线连接，二者构成主设备无线数据传输模块，相应的通信协议与应用程序都在MCU上实现，主设备无线数据传输模块通过串口通信总线与用户主控机实现通信；所述从设备包括MCU单元、无线收发单元以及无线天线和匹配电路，MCU单元与无线收发单元通过总线连接，二者构成从设备无线数据传输模块；用户主控机通过串口通信总线给主设备无线数据传输模块的MCU单元传送数据，MCU单元将数据进行组包处理后再送给无线收发单元通过无线天线和匹配电路发送出去，从设备无线数据传输模块将接收到的数据包经过解包后通过串口通信总线将数据传给的用户仪器仪表，主设备和从设备之间通过无线方式相连；其特征在于，所述系统还包括：将系统的一个时间周期分为通信时间段和休眠时间段的装置，在通信时间段，无线数据传输模块处于正常工作状态，在休眠时间段，微处理器处于低功率的模式，在低功率的模式下，主设备和从设备的微处理器进入休眠模式，处理器的CPU停止工作，只有微处理器的串口模块仍然处于工作状态，这时候微处理器的电流小于550uA；而无线收发单元停止工作；

2、根据权利要求1所述的所述的传输系统，其特征是，所述主设备的无线数据传输模块中包括：

用于在通信时间段之初，无线广播一条对时帧的装置；

用于如果主设备的串口接收缓存中有从用户主控机发送出来的数据，将对时帧帧头的数据待发域置1的装置；

用于如果主设备的串口接收缓存中没有从用户主控机发送出来的数据，将对时帧帧头的数据待发域置0的装置；

用于发送对时帧，进入接收状态的装置；

用于发送完最后一个数据帧后，进入接收状态的装置；

用于在T1内没有收到从设备发送过来的数据帧，关闭无线收发单元，同时处理器进入低功耗状态，只让串口正常工作的装置；

3、根据权利要求1所述的所述的传输系统，其特征是，所述从设备的无线数据传输模块中包括：

用于如果在T2段时间都没有收到对时帧，使从设备进入T4段时间的休眠的装置，其中，T2＝N*T0，N＝1，2，3…，T4＝M*T0，M＝1，2，3…，且T4＞T2；

用于信道竞争成功后，将串口接收缓存里的数据打包发送给主设备，除最后一个数据帧，其他的数据帧帧头的数据待发域都置1；

4、根据权利要求1所述的所述的传输系统，其特征是，所述MCU单元与无线收发单元集成为一体。

5、根据权利要求1所述的所述的传输系统，其特征是，所述无线数据传输模块采用MC13213芯片。

6、根据权利要求1所述的所述的传输系统，其特征是，所述无线数据传输模块包括直接序列扩频装置。

7、根据权利要求1所述的所述的传输系统，其特征是，所述无线数据传输模块0-QPSK的调制装置。