CN105207733B - 综合语音和数据的无线接入和传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种综合语音和数据的无线接入和传输方法，包括：搭建无线射频网络架构；主设备A采用分时跳频技术与固定从设备和移动从设备进行无线通信，融合无线语音传输和对多路无线接入物联设备进行管控而实现数据传输，有效地优化了射频传输的硬件资源和空中带宽，能够降低建设成本，减少信号干扰，提高传输质量。

Description

综合语音和数据的无线接入和传输方法

技术领域

本发明属于无线接入和传输技术领域，具体涉及一种综合语音和数据的无线接入和传输方法。

背景技术

2.4G无线技术，其频段处于2.405GHz～2.485GHz之间，属于ISM(科学、医药、农业)频段，是全球范围内被广泛使用的超低辐射绿色环保频道，包括可以多达256个通信信道。2.4G无线信号具有不受外物遮挡、不受方位或者角度的限制以及信号接收快速、准确和可靠，因此，已被广泛应用于智能控制系统、智能家居和无线语音传输(无线HIFI耳机)设备中。

目前，同样工作于ISM频段的技术，还有蓝牙和zigbee技术，蓝牙主要应用于无线音频和数据传输；而zigbee技术主要应用传感控制应用，比如物联设备的组网控制应用，进行无数数据传输。

然而，对于某些同时需要语音传输和在物联设备控制中进行无数数据传输的场合。比如在教育行业中，随着“节能减排”国家战略的推进，降低校园能耗，推动绿色校园建设的需求也日益增长，学校教室既需要实现无线麦克风的接入进行语音传输，并且，同一台无线麦克风常常在不同教室使用；另外，学校教室又需要对教室能耗设备比如空调、灯光等进行管控，实现数据传输，即：服务器向空调或灯具下发控制指令，并接收空调或灯具向服务器上传的当前状态。而在教室等场合单独采用蓝牙或者zigbee技术，很难满足上述需求。其局限性包括：

1、蓝牙技术具有自动跳频抗干扰能力强、传输速率快以及可同时传输语音和数据的特点，但是蓝牙复杂的协议栈，导致额外开销较大、射频资源利用率和传输效率低下。同时，蓝牙可同时接入的数据通信设备有限，导致其在物联设备应用领域中较难推广。

2.zigbee具有低成本、低功耗，高安全和高容量的优势，但是zigbee本身的速率低，只有20～250kbps，很难在保证物联设备管控的基础上，保证高质量无线语音传送的需求。

而如果采用蓝牙+zigbee的方式进行实现，则存在硬件设备重复投资、通信信道占用率高、相互间容易产生冲突和互相干扰的缺点。

可见，在特定环境中，无法采用单一的蓝牙或者zigbee技术满足既能支持无线语音传输，又能支持对一定数量的无线物联设备进行管控而实现数据传输，如何解决上述问题，是目前迫切需要解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种综合语音和数据的无线接入和传输方法，利用2.4G无线技术，在一个无线射频子网内，利用分时和跳频传输的技术，既实现无线接入麦克风进行语音传输，又实现对多路无线接入物联设备进行管控而实现数据传输。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种综合语音和数据的无线接入和传输方法，包括以下步骤：

步骤一，搭建无线射频网络架构，所述无线射频网络架构包括远程控制中心以及n个与所述远程控制中心通信的无线射频子网；其中，每个所述无线射频子网均包括主设备、移动从设备以及m个固定从设备；n和m均为自然数；

另外，在搭建所述无线射频网络架构时，所述远程控制中心还进行以下配置：

1)所述远程控制中心向每个所述无线射频子网分配唯一的子网网络号，属于该无线射频子网的所述主设备以及m个固定从设备均存储所分配的子网网络号；

2)所述远程控制中心在搭建所述无线射频网络架构时，所述远程控制中心、各个所述主设备以及所述移动从设备均存储完全相同的公开网络标识和公开信道频点；

3)所述远程控制中心向每个所述无线射频子网的各个所述固定从设备分配唯一的固定从设备ID；

步骤二，对于任意的无线射频子网，将其记为无线射频子网A，将无线射频子网A的主设备记为主设备A，设该无线射频子网共有m个固定从设备；

所述主设备A采用以下方式与m个固定从设备和移动从设备进行无线通信：

步骤2.1，所述主设备A预存储跳频序列，该跳频序列由x个信道频点组成，分别记为：信道频点1、信道频点2…信道频点x；其中，x为自然数；

然后，所述主设备A以64ms为一个时间片，每经过一个时间片，所述主设备A即按照所述跳频序列进行一次跳频，将工作信道频点切换到所述跳频序列的下一个相邻的信道频点；

另外，所述主设备A将64ms的时间片划分为16个时隙，依次记为Ts0、Ts1…Ts15，各时隙的作用为：

1)Ts0：控制时隙，为主设备A在当前工作信道频点广播主控报文的时隙；其中，所述主控报文的报文头包括本子网网络号；所述主控报文的报文内容包括两部分，第1部分为：分别对每个固定从设备的控制指令；第2部分为：需要本轮时间片上报状态信息的特定固定从设备的特定固定从设备ID；

对于已成功加入到无线射频子网A的各个固定从设备，其必然工作于与所述主设备的工作信道频点相同的工作信道频点，因此，可同步地在此时隙接收到该主控报文，一方面，根据所述主控报文，校准本地时钟，实现固定从设备本地时钟与主设备A本地时钟同步；另一方面，各个固定从设备通过解析所述主控报文，得到对自身的控制指令，并执行该控制指令；

对于已成功加入到无线射频子网A的移动从设备，其必然工作于与所述主设备的工作信道频点相同的工作信道频点，因此，可同步地在此时隙接收到该主控报文，并根据所述主控报文，校准本地时钟，实现移动从设备本地时钟与主设备A本地时钟同步；

2)Ts1～Ts6：语音数据上传时隙，作用为：

对于已成功加入到无线射频子网A的移动从设备，其必然工作于与所述主设备的工作信道频点相同的工作信道频点，在Ts1～Ts6时隙，向主控设备A上传语音数据；

3)Ts7：固定从设备状态上传时隙，作用为：

在已成功加入到无线射频子网A的各个固定从设备中，与本轮时间片的主控报文所携带的特定固定从设备ID相对应的固定从设备，在与所述主设备的工作信道频点相同的工作信道频点，向主设备A上传自身状态信息；

4)Ts8：对频时隙，作用为：

4.1)主控设备A预先设定无线射频子网A可接入的固定从设备的最大数量为N；

因此，在连续的第1个时间片T₁到第N个时间片T_N过程中，其中，T为时间片，主控设备A在Ts8时隙切换到子网私有公共信道频点，并在子网私有公共信道频点广播对频报文；该对频报文的报文头为子网私有网络标识，该对频报文的报文内容为所述跳频序列以及本时间片所述主设备A的当前工作信道频点；

其中，对于初始上电且尚未成功加入到无线射频子网A的固定从设备，将其记为固定从设备C1；对于曾经成功加入到无线射频子网A的固定从设备，在后续通信过程中与主设备A连接中断的固定从设备，将其记为固定从设备C2；

当固定从设备C1上电后，根据预配置的子网网络号，解算得到子网私有网络标识和子网私有公共信道频点，并存储子网私有网络标识和子网私有公共信道频点；而对于固定从设备C2，当其与主设备A连接中断后，可读取到已存储的子网私有网络标识和子网私有公共信道频点；

然后，固定从设备C1和固定从设备C2均执行以下过程：

固定从设备Cj切换到子网私有公共信道频点，并在子网私有公共信道频点搜索报文头为子网私有网络标识的报文；其中，j＝1或2；

因此，固定从设备Cj可在某个时间片的Ts8时隙搜索到主控设备A广播的对频报文，获得所述跳频序列以及当前工作信道频点；然后，所述固定从设备Cj从子网私有公共信道频点切换到与主控设备A工作信道频点相同的工作信道频点，并在下一个时间片时，可根据所述跳频序列，与主控设备A同步跳频，进而实现固定从设备Cj成功加入到无线射频子网A；

4.2)而每当经过1～N这N个连续的时间片后，在第N+1时间片的Ts8时隙时，主控设备A从当前工作频点切换到公开信道频点，并在公开信道频点以特定强度的功率广播对频报文；该对频报文的报文头为公开网络标识，该对频报文的报文内容为主控设备A所在无线射频子网A的子网网络号，将该子网网络号记为子网网络号A；其中，所述特定强度的功率是指：当存在相邻的两个以上主控设备时，即存在两个以上相邻的射频子网络，对于任意的一个移动从设备，其只能搜索到唯一主控设备发送的对频报文，而不会同时搜索到两个以上主控设备发送的对频报文；

对于初始上电且尚未成功加入到任意无线射频子网的移动从设备，均切换到公开信道频点，并在公开信道频点搜索报文头为公开网络标识的报文；

假设对于移动从设备A，当其与主控设备A之间的距离满足要求时，移动从设备A可在某个时间片的Ts8时隙搜索到主控设备A广播的包含子网网络号A的对频报文；所述移动从设备A解析该对频报文，得到子网网络号A；

然后，所述移动从设备A根据子网网络号A，解算得到无线射频子网A的子网私有网络标识和子网私有公共信道频点；

然后，所述移动从设备A切换到子网私有公共信道频点，并在子网私有公共信道频点搜索报文头为子网私有网络标识的报文，因此，移动从设备A可在某个时间片的Ts8时隙搜索到主控设备A广播的包含跳频序列以及当前工作信道频点的对频报文；

然后，移动从设备A从子网私有公共信道频点切换到与主控设备A工作信道频点相同的工作信道频点，并在下一个时间片时，可根据所述跳频序列，与主控设备A同步跳频，进而实现移动从设备A成功加入到无线射频子网A；

5)Ts9～Ts14：语音数据上传时隙，作用为：

对于已成功加入到无线射频子网A的移动从设备，其必然工作于与所述主设备的工作信道频点相同的工作信道频点，在Ts9～Ts14时隙，向主设备A上传语音数据；

6)Ts15：固定从设备状态上传时隙，作用为：

在已成功加入到无线射频子网A的各个固定从设备中，与本轮时间片的主控报文所携带的特定固定从设备ID相对应的固定从设备，在与所述主设备的信道频点相同的信道频点，向主设备A上传自身状态信息。

优选的，对于每个所述无线射频子网的各个固定从设备，为同一个教室中的无线物联设备；所述移动从设备指无线麦克风。

优选的，步骤2.1中，根据所述主控报文，校准本地时钟，实现固定从设备本地时钟与主设备A本地时钟同步，具体指：

所述主设备A基于主设备本地时钟，在预设定的时间点发送主控报文；

所述固定从设备预存储接收到所述主控报文的理想时间点；因此，每当所述固定从设备接收到所述主控报文时，通过固定从设备本地时钟得到接收所述主控报文的实际时间点，所述固定从设备根据所述实际时间点与所述理想时间点的偏移度，校准固定从设备本地时钟。

优选的，步骤2.1中，所述特定强度的功率是指：-18db。

优选的，Ts1～Ts6和Ts9～Ts14均为语音数据上传时隙，在每个4ms的语音数据上传时隙，移动从设备采用以下方式向主控设备A上传语音数据：

将4ms的语音数据上传时隙划分为两个子时隙，分别记为第1子时隙和第2子时隙；

在第1子时隙，移动从设备在当前的频点发送语音信息；然后，在第2子时隙时，移动从设备进行频点翻转，即：切换到当前频点的翻转频点，然后在翻转频点发送语音信息；

对于主设备A，首先在当前频点接收移动从设备上传的语音数据，若在2ms内接收到了移动从设备发送的语音数据，则将接收到的语音数据送入解码FIFO后，进入sleep状态直到下一个接收时隙开始；否则，主设备在等待2ms后切换到当前频点的翻转频点，判断能否接收到移动从设备发送的语音数据。

本发明提供的综合语音和数据的无线接入和传输方法具有以下优点：

(1)采用分时、跳频技术，具有较强的抗干扰能力以及高传输速度的特性。

(2)不需要如蓝牙和zigbee技术一样，需要复杂的协议栈支持，本发明可以集成在低成本、低功耗的RF射频芯片上，具有配置简单的优点。

(3)本发明融合无线语音传输和对多路无线接入物联设备进行管控而实现数据传输，有效地优化了射频传输的硬件资源和空中带宽，能够降低建设成本，减少信号干扰，提高传输质量。

附图说明

图1为本发明提供的无线射频网络架构的一种具体网络拓扑结构图；

图2为本发明提供的16个时隙的分配示意图；

图3为本发明提供的无线射频子网内从设备与主设备的通信同步流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

本发明提供一种综合语音和数据的无线接入和传输方法，利用2.4G无线技术，在一个无线射频子网内，利用分时和跳频传输的技术，既实现无线接入麦克风进行语音传输，又实现对多路无线接入物联设备进行管控而实现数据传输，非常适合学校教室内，既需要进行无线扩音，又需要针对教室中的空调、灯光等能耗设备进行统一管控的场合。

具体的，本发明提供一种综合语音和数据的无线接入和传输方法，包括以下步骤：

步骤一，搭建无线射频网络架构，无线射频网络架构包括远程控制中心以及n个与远程控制中心通信的无线射频子网；其中，每个无线射频子网均包括主设备、移动从设备以及m个固定从设备；n和m均为自然数；

如图1所示，为无线射频网络架构的一种具体网络拓扑结构图，在图1中，共有两个无线射频子网，每个无线射频子网均有一台主设备，主设备可以通过IP网络或串口与远程控制中心进行互联，以便远程控制中心通过主设备而对对应的各个固定从设备或移动从设备进行远程配置和管理控制。

在图1中，每个无线射频子网配置有m个固定从设备，当然，实际应用中，各个无线射频子网所配置的固定从设备数量进行灵活调整，可不相同。每个无线射频子网还配置有1台移动从设备，这两个无线射频子网所配置的移动从设备可以相同，也可以不相同。

为方便对本发明进行理解，以教室为例，首先介绍下本发明一种应用场景：

以教室为例，每个教室布置一台主设备；教室内固定安装的各个物联设备，例如，空调、灯具和窗帘为固定从设备；同一教室内的主设备和固定从设备的地理位置均固定不变，组成1个无线射频子网；而移动从设备指无线麦克风，可接入不同的无线射频子网。

例如，教室1中的主设备和固定从设备组成无线射频子网1；教室2中的主设备和固定从设备组成无线射频子网2。因此，老师携带1个相同的无线麦克风，当老师进入到教室1时，该无线麦克风可接入无线射频子网1，进行无线扩音；而当老师进入到教室2时，该无线麦克风又可接入无线射频子网2，进行无线扩音。

另外，在搭建无线射频网络架构时，远程控制中心还进行以下配置：

1)远程控制中心向每个无线射频子网分配唯一的子网网络号，属于该无线射频子网的主设备以及m个固定从设备均存储所分配的子网网络号；

本处配置方式的原理为：

依据2.4G无线射频规范，同一无线射频子网内，所有的射频设备具有相同的子网网络号。为了避免不同的无线射频子网之间的互相干扰，每个无线射频子网内的主设备和固定从设备在系统部署时，需设定组网用的唯一的由最长32个字符组成的子网网络号。

本发明中，主设备和各个固定从设备由于始终处于同一个无线射频子网内。因此，在安装部署时统一配置子网网络号，具体的，在工程部署时，主设备接收远程控制命令，通过一定程序给固定从设备赋予构建无线射频子网的子网网络号。而此处，由于移动从设备需要工作于不同的无线射频子网，因此，不需要配置移动从设备的子网网络号。

2)远程控制中心在搭建无线射频网络架构时，远程控制中心、各个主设备以及移动从设备均存储完全相同的公开网络标识和公开信道频点；

本发明中，由于移动从设备需要工作于不同的无线射频子网，为保证移动从设备可以接入到各个不同的无线射频子网，因此，移动从设备需配置公开网络标识和公开信道频点，然后通过一定的机制就近搜索最近主设备发射出的公开网络标识，从而动态加入最近的无线射频子网，具体加入原理在后续过程介绍。

3)远程控制中心向每个无线射频子网的各个固定从设备分配唯一的固定从设备ID；

实际应用中，为实现对每个无线射频子网内各个固定从设备的高效管控以及移动从设备的高效语音传输，可设置每个无线射频子网能够接入的射频设备的最大数量，例如，每一个无线射频子网可最多由17个射频设备组成：1个主设备、1个移动从设备和最多15个固定从设备。主设备的设备ID固定为0，1～15分配给固定从设备，移动从设备无需分配ID。

步骤二，对于任意的无线射频子网，将其记为无线射频子网A，将无线射频子网A的主设备记为主设备A，设该无线射频子网共有m个固定从设备；

链路层由主设备A作为主控，其基本原理为：主设备采用分时、跳频的方式进行通信。主设备A以64ms为一个时间片，每隔64ms进行一次跳频，从而提高抗干扰能力；另外，该64ms的时间片又被分为了16个时隙，每个时隙为4ms。主设备在允许的时隙下发主控报文，主控报文携带有对每台固定从设备的控制指令；然后，固定从设备在允许的时隙内向主设备上传自身状态，从而实现主设备对固定从设备的状态管控；而移动从设备在允许的时隙内向主设备上传语音数据，实现无线扩音。

下面详细介绍主设备A与m个固定从设备和移动从设备进行无线通信的方式：

步骤2.1，主设备A预存储跳频序列，该跳频序列由x个信道频点组成，分别记为：信道频点1、信道频点2…信道频点x；其中，x为自然数；

然后，主设备A以64ms为一个时间片，每经过一个时间片，主设备A即按照跳频序列进行一次跳频，将工作信道频点切换到跳频序列的下一个相邻的信道频点，例如，假设共有10个信道频点；如果在当前时间片，主设备A工作于信道频点5，则在下一个时间片，主设备A切换到信道频点6，依此类推；而当主设备A工作于信道频点10时，在下一个时间片，主设备A会切换到信道频点1。如此循环进行跳频。

另外，主设备A将64ms的时间片划分为16个时隙，依次记为Ts0、Ts1…Ts15，如图2所示，为16个时隙的分配示意图，各时隙的作用为：

1)Ts0：控制时隙，为主设备A在当前工作信道频点广播主控报文的时隙；其中，主控报文的报文头包括本子网网络号；主控报文的报文内容包括两部分，第1部分为：分别对每个固定从设备的控制指令；第2部分为：需要本轮时间片上报状态信息的特定固定从设备的特定固定从设备ID；

对于已成功加入到无线射频子网A的各个固定从设备，其必然工作于与主设备的工作信道频点相同的工作信道频点，因此，可同步地在此时隙接收到该主控报文，一方面，根据主控报文，校准本地时钟，实现固定从设备本地时钟与主设备A本地时钟同步；另一方面，各个固定从设备通过解析主控报文，得到对自身的控制指令，并执行该控制指令；

对于已成功加入到无线射频子网A的移动从设备，其必然工作于与主设备的工作信道频点相同的工作信道频点，因此，可同步地在此时隙接收到该主控报文，并根据主控报文，校准本地时钟，实现移动从设备本地时钟与主设备A本地时钟同步；

2)Ts1～Ts6：语音数据上传时隙，作用为：

对于已成功加入到无线射频子网A的移动从设备，其必然工作于与主设备的工作信道频点相同的工作信道频点，在Ts1～Ts6时隙，向主控设备A上传语音数据；

3)Ts7：固定从设备状态上传时隙，作用为：

在已成功加入到无线射频子网A的各个固定从设备中，与本轮时间片的主控报文所携带的特定固定从设备ID相对应的固定从设备，在与主设备的工作信道频点相同的工作信道频点，向主设备A上传自身状态信息；

4)Ts8：对频时隙，作用为：

4.1)主控设备A预先设定无线射频子网A可接入的固定从设备的最大数量为N；

因此，在连续的第1个时间片T₁到第N个时间片T_N过程中，其中，T为时间片，主控设备A在Ts8时隙切换到子网私有公共信道频点，并在子网私有公共信道频点广播对频报文；该对频报文的报文头为子网私有网络标识，该对频报文的报文内容为所述跳频序列以及本时间片所述主设备A的当前工作信道频点；

其中，对于初始上电且尚未成功加入到无线射频子网A的固定从设备，将其记为固定从设备C1；对于曾经成功加入到无线射频子网A的固定从设备，在后续通信过程中与主设备A连接中断的固定从设备，将其记为固定从设备C2；

当固定从设备C1上电后，根据预配置的子网网络号，解算得到子网私有网络标识和子网私有公共信道频点，并存储子网私有网络标识和子网私有公共信道频点；而对于固定从设备C2，当其与主设备A连接中断后，可读取到已存储的子网私有网络标识和子网私有公共信道频点；

然后，固定从设备C1和固定从设备C2均执行以下过程：

固定从设备Cj切换到子网私有公共信道频点，并在子网私有公共信道频点搜索报文头为子网私有网络标识的报文；其中，j＝1或2；

因此，固定从设备Cj可在某个时间片的Ts8时隙搜索到主控设备A广播的对频报文，获得跳频序列以及当前工作信道频点；然后，固定从设备Cj从子网私有公共信道频点切换到与主控设备A工作信道频点相同的工作信道频点，并在下一个时间片时，可根据跳频序列，与主控设备A同步跳频，进而实现固定从设备Cj成功加入到无线射频子网A；

4.2)而每当经过1～N这N个连续的时间片后，在第N+1时间片的Ts8时隙时，主控设备A从当前工作频点切换到公开信道频点，并在公开信道频点以特定强度的功率广播对频报文；该对频报文的报文头为公开网络标识，该对频报文的报文内容为主控设备A所在无线射频子网A的子网网络号，将该子网网络号记为子网网络号A；其中，所述特定强度的功率是指：当存在相邻的两个以上主控设备时，即存在两个以上相邻的射频子网络，对于任意的一个移动从设备，其只能搜索到唯一主控设备发送的对频报文，而不会同时搜索到两个以上主控设备发送的对频报文，从而保证移动从设备在动态加入最近的无线射频子网时，不会加入到邻近的无线射频子网。例如，主设备在公开信道频点以-18db强度的功率广播对频报文，确保移动从设备只能在距离主设备22左右范围内，能够搜索到该对频报文；在其他时刻，即主设备未工作于公开信道频点时，主设备以10db的功率发送下行信息。

对于初始上电且尚未成功加入到任意无线射频子网的移动从设备，均切换到公开信道频点，并在公开信道频点搜索报文头为公开网络标识的报文；

假设对于移动从设备A，当其与主控设备A之间的距离满足要求时，移动从设备A可在某个时间片的Ts8时隙搜索到主控设备A广播的包含子网网络号A的对频报文；移动从设备A解析该对频报文，得到子网网络号A；

然后，移动从设备A根据子网网络号A，解算得到无线射频子网A的子网私有网络标识和子网私有公共信道频点；

然后，移动从设备A切换到子网私有公共信道频点，并在子网私有公共信道频点搜索报文头为子网私有网络标识的报文，因此，移动从设备A可在某个时间片的Ts8时隙搜索到主控设备A广播的包含跳频序列以及当前工作信道频点的对频报文；

然后，移动从设备A从子网私有公共信道频点切换到与主控设备A工作信道频点相同的工作信道频点，并在下一个时间片时，可根据跳频序列，与主控设备A同步跳频，进而实现移动从设备A成功加入到无线射频子网A；

5)Ts9～Ts14：语音数据上传时隙，作用为：

对于已成功加入到无线射频子网A的移动从设备，其必然工作于与主设备的工作信道频点相同的工作信道频点，在Ts9～Ts14时隙，向主设备A上传语音数据；

6)Ts15：固定从设备状态上传时隙，作用为：

在已成功加入到无线射频子网A的各个固定从设备中，与本轮时间片的主控报文所携带的特定固定从设备ID相对应的固定从设备，在与主设备的信道频点相同的信道频点，向主设备A上传自身状态信息。

本发明中，主设备通过T1～T6、T9～T14时隙接收移动从设备上传的语音数据。移动从设备以无线麦克风为例，无线麦克风首先按8ms为一个语音段使用48KHZ、单声道、16bit采样采集语音数据。每个语音帧的PCM数据长度为768字节。之后将PCM数据采用高质量、低延时的有损语音算法将数据帧压缩为60字节进行传输。由于在一个时间片内，最大可传输12个语音帧，而麦克风本身是8ms产生一个语音帧，在最坏的情况下，语音帧的最大传输时延为16ms((T0+T7)或者(T8+T15)+语音采集编码开销)，从而有效地保证了语音传输的实时性。

以下介绍本发明一个具体实施例：

本实施例提供一种综合语音和数据的无线接入和传输方法，使得无线语音接入传输和物联设备管理数据传输在单一系统上的融合成为可能。

在应用本技术的综合语音和数据的无线接入和传输系统中，包括远程控制中心，继承Master功能的主设备以及具有Slave功能的无线语音接入设备和物联终端设备。其中，无线语音接入设备即为前文介绍的移动从设备的一个特例，物联设备即为前文介绍的固定从设备的另一种名称。

远程控制中心与本发明中的主设备进行交互(可通过串口、以太网或者将远程控制功能直接集成到主设备上)，主要负责无线射频子网的子网网络号的分配、发送物联控制信令、接收物联设备的状态信息以及接收无线语音接入设备上传的语音信息。整个系统主要包括无线射频系统的组网、无线语音接入、从设备与主设备的通信同步三部分。

无线射频系统组网：

1、无线射频系统组网采用静态配置的方式进行，子网网络号在系统工程实施时确定。子网网络号为最长32字节的字符串标识，由远程控制中心发送给所要建立无线射频子网中的主设备。

2、采用物联设备逐步加入无线射频子网的方式进行，无线射频子网中物联设备的数量最多为16个，无线射频子网内的设备编号为1～15。

3、远程控制中心告知主设备，指定无线射频子网内设备编号的物联设备需要加入无线射频子网。

4、主设备接收到指令后，在Ts8时隙切换到子网私有公共信道频点，并在子网私有公共信道频点广播配置报文；该配置报文的报文头为子网私有网络标识，该对频报文的报文内容为需查找的固定从设备的设备ID；

5、在主设备查找固定从设备的同时，长按固定从设备上的配置按钮，使固定从设备进入配置状态。固定从设备进入配置状态后，将固定在子网私有公共信道频点搜索配置报文。

6、固定从设备接收到配置报文后，立即将配置报文中的设备ID和子网私有网络标识保存在本地作为链路配置，并退出配置状态。

7、固定从设备配置结束后，切换到子网私有公共信道频点，并在子网私有公共信道频点搜索与子网私有网络标识相匹配的对频报文；搜索到此报文后，便开始和主设备采用同步跳频的方式进行通信，并在特定时隙上传自身状态信息；

8、主设备收到固定从设备在指定时隙上传的状态信息后，停止固定从设备的查找动作，并通知远程控制中心配置成功。

9、固定从设备如果在5s内，无法搜索到配置报文，则自动退出配置状态。

10、主设备如果在30s内没有收到所要搜索的固定从设备的状态信息，则退出配置状态并通知控制中心配置失败。

无线语音接入：

1、移动从设备(麦克风)可动态加入任意无线射频子网。

2、主设备每隔1秒，在T8时隙切换到公开信道频点，并在公开信道频点利用公开网络标识以-18db的功率发送对频报文；其中，该对频报文的报文内容为主设备所在无线射频子网的子网网络号；

3、如果移动从设备在距离主设备2米以内范围，则移动从设备切换到公开信道频点，并在公开信道频点搜索报文头为公开网络标识的对频报文，一旦连续5个时间片内搜索到相同的公开网络标识，则退出搜索模式

4、移动从设备在搜索到报文头为公开网络标识的对频报文时，可从该对频报文中计算得到主设备所在的子网网络号，然后，根据子网网络号，解算得到无线射频子网的子网私有网络标识和子网私有公共信道频点；然后，移动从设备在子网私有公共信道频点搜索主设备发送的与子网私有网络标识相匹配的对频报文；

5、当移动从设备搜索到对频报文后，通过解析对频报文，可得到主设备的跳频序列以及当前工作信道频点；

6、移动从设备利用得到的跳频序列以及当前工作信道频点与主设备进行同步，并在T1～T6、T9～T14时隙内上传语音数据到主设备。

7、主设备如果在T1～T6、T9～T14时隙内接收到有效的语音数据，则认为一个有效的无线语音终端已经加入到无线射频子网，并标识它以防止另外的无线语音终端再加入无线射频子网。

8、如果主设备在2秒内再没有接收到有效的语音数据，则判定移动从设备已经掉线，并开放语音设备的接入。

9、移动从设备进行语音传输时，首先将接收主设备的主控报文进行时钟同步，然后在指定的时隙内将语音数据上传到主设备进行解码还原。为了提高传输链路的可靠性，降低语音数据的丢包率，移动从设备在每个时隙内，采用在主从两个信道同时传输的方式。具体传输方式如下：

1)4ms的传输时隙被分为2个2ms的子时隙，在第一个子时隙内，移动从设备在当前的频点上发送语音信息，之后在下一个2ms内转到当前频点的翻转频点(当前频点+128之后对256取模)上进行发送。

2)主设备在语音传输通道内，首先在当前频点上接收移动从设备的语音数据，若在2ms内接收到了移动从设备发送过来的语音数据，将接收到的语音数据送入解码FIFO后，进入sleep状态直到下一个接收时隙开始。否则，主设备在等待2ms后转到备用频点(当前频点的翻转频点)去尝试接收可能被丢失的数据帧，以尽可能地提高数据传输的可靠性。

主设备在接收到语音数据包后，调用音频解压算法，把语音数据还原成48KHz采样、16bit、双声道数据后，通过I2S总线送进音频解码器进行语音播放。

无线射频子网内从设备与主设备的通信同步：

由于当移动从设备成功加入无线射频子网后，其工作原理与固定从设备相同，因此，在本部分中，所涉及到的从设备即可以为固定从设备，也可以为移动从设备。

当从设备成功加入无线射频子网后，从设备已经获取该射频子网的跳频序列、子网私有公共信道频点和子网私有网络标识，从设备需要通过接收主设备从T0和T8时隙发出的信息来保持与主设备的同步。

具体步骤如图3所示：

S1，从设备切换到子网私有公共信道频点，并获取主设备在T8时隙发出的对频信息，解析对频信息，获取跳频序列；

S2，从设备计算主设备在下一个时间片发送T0时隙信息的工作信道频点，设置睡眠时间，使从设备能够在T0时隙接收主设备发送的同步数据。

S3，从设备判断在下一个时间片的相应跳频点能否接收到主设备在T0时隙发送的主控报文，如果能，则直接执行S5；如果不能，则认为本次数据接收失败，则执行S4；

S4，从设备判断是否已经达到与主设备失步的重试次数条件，如果条件达到，则返回S1；如果条件未达到，则返回S2；

S5，从设备处理主控报文，对下一时间片的T0时隙时间进行校准。接收同一时间片上的T8时隙数据或者在相应时隙传输语音数据或者状态数据。

综上所述，本发明提供的综合语音和数据的无线接入和传输方法，具有以下优点：

(1)采用分时、跳频技术，具有较强的抗干扰能力以及高传输速度的特性。

(2)不需要如蓝牙和zigbee技术一样，需要复杂的协议栈支持，本发明可以集成在低成本、低功耗的RF射频芯片上，具有配置简单的优点。

(3)本发明融合无线语音传输和对多路无线接入物联设备进行管控而实现数据传输，有效地优化了射频传输的硬件资源和空中带宽，能够降低建设成本，减少信号干扰，提高传输质量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种综合语音和数据的无线接入和传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，搭建无线射频网络架构，所述无线射频网络架构包括远程控制中心以及n个与所述远程控制中心通信的无线射频子网；其中，每个所述无线射频子网均包括主设备、移动从设备以及m个固定从设备；n和m均为自然数；

另外，在搭建所述无线射频网络架构时，所述远程控制中心还进行以下配置：

1)所述远程控制中心向每个所述无线射频子网分配唯一的子网网络号，属于该无线射频子网的所述主设备以及m个固定从设备均存储所分配的子网网络号；

2)所述远程控制中心在搭建所述无线射频网络架构时，所述远程控制中心、各个所述主设备以及所述移动从设备均存储完全相同的公开网络标识和公开信道频点；

3)所述远程控制中心向每个所述无线射频子网的各个所述固定从设备分配唯一的固定从设备ID；

步骤二，对于任意的无线射频子网，将其记为无线射频子网A，将无线射频子网A的主设备记为主设备A，设该无线射频子网共有m个固定从设备；

所述主设备A采用以下方式与m个固定从设备和移动从设备进行无线通信：

步骤2.1，所述主设备A预存储跳频序列，该跳频序列由x个信道频点组成，分别记为：信道频点1、信道频点2…信道频点x；其中，x为自然数；

然后，所述主设备A以64ms为一个时间片，每经过一个时间片，所述主设备A即按照所述跳频序列进行一次跳频，将工作信道频点切换到所述跳频序列的下一个相邻的信道频点；

另外，所述主设备A将64ms的时间片划分为16个时隙，依次记为Ts0、Ts1…Ts15，各时隙的作用为：

1)Ts0：控制时隙，为主设备A在当前工作信道频点广播主控报文的时隙；其中，所述主控报文的报文头包括本子网网络号；所述主控报文的报文内容包括两部分，第1部分为：分别对每个固定从设备的控制指令；第2部分为：需要本轮时间片上报状态信息的特定固定从设备的特定固定从设备ID；

对于已成功加入到无线射频子网A的各个固定从设备，其必然工作于与所述主设备的工作信道频点相同的工作信道频点，因此，可同步地在此时隙接收到该主控报文，一方面，根据所述主控报文，校准本地时钟，实现固定从设备本地时钟与主设备A本地时钟同步；另一方面，各个固定从设备通过解析所述主控报文，得到对自身的控制指令，并执行该控制指令；

对于已成功加入到无线射频子网A的移动从设备，其必然工作于与所述主设备的工作信道频点相同的工作信道频点，因此，可同步地在此时隙接收到该主控报文，并根据所述主控报文，校准本地时钟，实现移动从设备本地时钟与主设备A本地时钟同步；

2)Ts1～Ts6：语音数据上传时隙，作用为：

对于已成功加入到无线射频子网A的移动从设备，其必然工作于与所述主设备的工作信道频点相同的工作信道频点，在Ts1～Ts6时隙，向主控设备A上传语音数据；

3)Ts7：固定从设备状态上传时隙，作用为：

在已成功加入到无线射频子网A的各个固定从设备中，与本轮时间片的主控报文所携带的特定固定从设备ID相对应的固定从设备，在与所述主设备的工作信道频点相同的工作信道频点，向主设备A上传自身状态信息；

4)Ts8：对频时隙，作用为：

4.1)主控设备A预先设定无线射频子网A可接入的固定从设备的最大数量为N；

因此，在连续的第1个时间片T₁到第N个时间片T_N过程中，其中，T为时间片，主控设备A在Ts8时隙切换到子网私有公共信道频点，并在子网私有公共信道频点广播对频报文；该对频报文的报文头为子网私有网络标识，该对频报文的报文内容为所述跳频序列以及本时间片所述主设备A的当前工作信道频点；

其中，对于初始上电且尚未成功加入到无线射频子网A的固定从设备，将其记为固定从设备C1；对于曾经成功加入到无线射频子网A的固定从设备，在后续通信过程中与主设备A连接中断的固定从设备，将其记为固定从设备C2；

当固定从设备C1上电后，根据预配置的子网网络号，解算得到子网私有网络标识和子网私有公共信道频点，并存储子网私有网络标识和子网私有公共信道频点；而对于固定从设备C2，当其与主设备A连接中断后，可读取到已存储的子网私有网络标识和子网私有公共信道频点；

然后，固定从设备C1和固定从设备C2均执行以下过程：

固定从设备Cj切换到子网私有公共信道频点，并在子网私有公共信道频点搜索报文头为子网私有网络标识的报文；其中，j＝1或2；

因此，固定从设备Cj可在某个时间片的Ts8时隙搜索到主控设备A广播的对频报文，获得所述跳频序列以及当前工作信道频点；然后，所述固定从设备Cj从子网私有公共信道频点切换到与主控设备A工作信道频点相同的工作信道频点，并在下一个时间片时，可根据所述跳频序列，与主控设备A同步跳频，进而实现固定从设备Cj成功加入到无线射频子网A；

4.2)而每当经过1～N这N个连续的时间片后，在第N+1时间片的Ts8时隙时，主控设备A从当前工作频点切换到公开信道频点，并在公开信道频点以特定强度的功率广播对频报文；该对频报文的报文头为公开网络标识，该对频报文的报文内容为主控设备A所在无线射频子网A的子网网络号，将该子网网络号记为子网网络号A；其中，所述特定强度的功率是指：当存在相邻的两个以上主控设备时，即存在两个以上相邻的射频子网络，对于任意的一个移动从设备，其只能搜索到唯一主控设备发送的对频报文，而不会同时搜索到两个以上主控设备发送的对频报文；

对于初始上电且尚未成功加入到任意无线射频子网的移动从设备，均切换到公开信道频点，并在公开信道频点搜索报文头为公开网络标识的报文；

假设对于移动从设备A，当其与主控设备A之间的距离满足要求时，移动从设备A可在某个时间片的Ts8时隙搜索到主控设备A广播的包含子网网络号A的对频报文；所述移动从设备A解析该对频报文，得到子网网络号A；

然后，所述移动从设备A根据子网网络号A，解算得到无线射频子网A的子网私有网络标识和子网私有公共信道频点；

然后，所述移动从设备A切换到子网私有公共信道频点，并在子网私有公共信道频点搜索报文头为子网私有网络标识的报文，因此，移动从设备A可在某个时间片的Ts8时隙搜索到主控设备A广播的包含跳频序列以及当前工作信道频点的对频报文；

然后，移动从设备A从子网私有公共信道频点切换到与主控设备A工作信道频点相同的工作信道频点，并在下一个时间片时，可根据所述跳频序列，与主控设备A同步跳频，进而实现移动从设备A成功加入到无线射频子网A；

5)Ts9～Ts14：语音数据上传时隙，作用为：

对于已成功加入到无线射频子网A的移动从设备，其必然工作于与所述主设备的工作信道频点相同的工作信道频点，在Ts9～Ts14时隙，向主设备A上传语音数据；

6)Ts15：固定从设备状态上传时隙，作用为：

在已成功加入到无线射频子网A的各个固定从设备中，与本轮时间片的主控报文所携带的特定固定从设备ID相对应的固定从设备，在与所述主设备的信道频点相同的信道频点，向主设备A上传自身状态信息。

2.根据权利要求1所述的综合语音和数据的无线接入和传输方法，其特征在于，对于每个所述无线射频子网的各个固定从设备，为同一个教室中的无线物联设备；所述移动从设备指无线麦克风。

3.根据权利要求1所述的综合语音和数据的无线接入和传输方法，其特征在于，步骤2.1中，根据所述主控报文，校准本地时钟，实现固定从设备本地时钟与主设备A本地时钟同步，具体指：

所述主设备A基于主设备本地时钟，在预设定的时间点发送主控报文；

所述固定从设备预存储接收到所述主控报文的理想时间点；因此，每当所述固定从设备接收到所述主控报文时，通过固定从设备本地时钟得到接收所述主控报文的实际时间点，所述固定从设备根据所述实际时间点与所述理想时间点的偏移度，校准固定从设备本地时钟。

4.根据权利要求1所述的综合语音和数据的无线接入和传输方法，其特征在于，步骤2.1中，所述特定强度的功率是指：-18db。

5.根据权利要求1所述的综合语音和数据的无线接入和传输方法，其特征在于，Ts1～Ts6和Ts9～Ts14均为语音数据上传时隙，在每个4ms的语音数据上传时隙，移动从设备采用以下方式向主控设备A上传语音数据：

将4ms的语音数据上传时隙划分为两个子时隙，分别记为第1子时隙和第2子时隙；

在第1子时隙，移动从设备在当前的频点发送语音信息；然后，在第2子时隙时，移动从设备进行频点翻转，即：切换到当前频点的翻转频点，然后在翻转频点发送语音信息；

对于主设备A，首先在当前频点接收移动从设备上传的语音数据，若在2ms内接收到了移动从设备发送的语音数据，则将接收到的语音数据送入解码FIFO后，进入sleep状态直到下一个接收时隙开始；否则，主设备在等待2ms后切换到当前频点的翻转频点，判断能否接收到移动从设备发送的语音数据。