CN105578383A - 基于2.4g的组网通信系统及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于2.4G的组网通信系统及通信方法，基于2.4G的组网通信系统包括一个主机、组网通信模块、多个从机，主机与从机之间通过组网通信模块连接，主机和多个从机都采用2.4G无线通信协议并实现双向数据传输。本发明以低成本硬件方案实现兼顾大流量数据双向传输和质量较高的音频传输，并且适用于轻体量、低功耗的场景。

Description

基于2.4G的组网通信系统及通信方法

技术领域

本发明涉及一种通信系统及通信方法，特别是涉及一种基于2.4G的组网通信系统及通信方法。

背景技术

随着信息技术的发展，要求在数据产生现场进行处理的数据比重不断增加，但计算机的处理能力不可能无限增强，因此常把分散的计算机合成计算机组网。而如何合理规范控制数据信息在组网各节点之间的交互流通，成为一个重要的研究课题，并且对多领域的技术存在影响。

例如，机器人通信控制技术是机器人技术的关键之一，特别对于机器人群组而言，通信技术的加入可大幅提高机器人群组的使用效率。所以针对机器人群组，交互性良好的无线通信网络是一个十分迫切的需求。但将目前较常使用的无线通信方式应用在该平台上多存在以下局限：

首先，在最常使用的单主机多从机的2.4G无线通信协议中，一般由一个主机和多个从机构成一个无线星形网络，但当主机和从机的接收和发送角色固定后，数据的传输方向也就固定单一（除了响应信号），当主机和从机的数据交换量较大时，协议的使用受到了一定的限制。若应用到机器人群组中，则控制器可发送控制指令给机器人，机器人接收后可对控制器响应，但无法将机器人当前的状态告知控制方，很大程度上限制了机器人群组的功能。如果通过改变主机和从机角色来改变数据传输方向，功耗则会随状态的频繁改变而相应增加，不适合低功耗场景。

其次，一些通用无线通信协议标准虽然内容丰富且适用性广，如WiFi和蓝牙，但支持这些广泛应用的标准协议体系，相应地增加了无线通信协议本身的体量，对于一些简单的群组交互而言造成了大量的无意义数据的传输。对比之下，2.4G无线通信技术的传输速率可媲美蓝牙，功耗却大大降低，其工作方式和数据包也更为简洁和易于利用。

再次，针对音频传输的解决方案，上文提及的蓝牙等通用标准协议为了保证协议工作的完整性，需要将相当大的一部分频宽用于维护系统整体的兼容性，相应地，音频信号传输的带宽就难以得到充分的保障。而基于2.4G无线传输技术可采用自定义传输协议，无需担心兼容性问题，可以最大限度地降低带宽的浪费。

最后，针对硬件的限制要求方面，低端的2.4G芯片一般只适用于传输数据量较小的场合，传输音频略显吃力，而高端的2.4G芯片则一般进行功能专一化，比如2.4GHz无线音频流器件nRF24Z1可支持I2S无缝音频，提供一个高达1.5Mbps的透明音频信道，但相应地，其只能提供一个低速率的控制信道，处理一些低速任务，数据传输效率较低，这些限制了其在需要兼顾数据与音频传输场合的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于2.4G的组网通信系统及通信方法，其以低成本硬件方案实现兼顾大流量数据双向传输和质量较高的音频传输，并且适用于轻体量、低功耗的场景。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于2.4G的组网通信系统，其特征在于，其包括一个主机、组网通信模块、多个从机，主机与从机之间通过组网通信模块连接，主机和多个从机都采用2.4G无线通信协议并实现双向数据传输。

优选地，所述组网通信模块包括唤醒模块、路由模块、音频模块、控制模块、反馈模块；由唤醒模块进行匹配应答实验，确定当前任务下的从机数量和从机信息，之后根据需要，由路由模块切换至不同模块实现相应的切换方式：切换方式一：切换至音频模块，主机向从机传输音频数据，供从机播放；切换方式二：切换至控制模块，主机可向从机或发送控制类指令，控制从机行为；切换方式三：切换至反馈模块，主机发送查询从机状态指令，获取从机状态信息。

优选地，所述主机和从机均包含控制器和无线收发模块。

本发明还提供一种基于2.4G的组网通信方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1，开机后，主机进行匹配应答实验，确定当前任务下的从机数量和从机信息，进入下一步骤；

步骤2，根据需要，主机可向从机或发送控制类指令控制从机行为，或发送查询从机状态指令获得从机状态信息，或传输音频数据给从机供从机播放。

优选地，所述步骤1包括以下子步骤：

步骤11，主机按照存储的分机与相应地址的对照表，按次序向从机的特定地址发送报文；

步骤12，若从机接收到报文，返回一帧带有从机信息的报文给主机；

步骤13，主机如超时未接收到返回报文，则表示当前从机不在线，继续向下一地址发送报文，直至结束。

优选地，所述步骤11中当主机向特定地址发送报文时，主机处于发送状态，发送后立即切换到接收状态，等待从机返回报文。

优选地，所述步骤2当主机向从机发送控制类指令时，所述步骤2进一步包含如下子步骤：

步骤21，主机向从机发送控制类指令；

步骤22，从机接收到指令后，向主机返回报文指示自身状态，若状态繁忙则拒绝执行该条指令，否则回复开始执行状态。

优选地，所述步骤2当主机向从机发送查询状态指令时，所述步骤2进一步包含如下子步骤：

步骤211，主机向从机发送查询状态指令；

步骤212，从机返回包含从机各项传感器数据的报文。

优选地，所述当主机向从机发送音频数据时，所述步骤2进一步包含如下子步骤：

步骤221，主机发送音频传输指令，并设置采样率；

步骤222，从机收到音频传输指令，向主机发送应答信号；

步骤223，主机收到从机应答信号后，解码一帧音频数据，向从机发送音频同步指令，设置音频数据样本数量；

步骤224，主机向从机发送音频数据，每次发送完成后进入接收状态，等待从机buffer空闲指令；

步骤225，从机接收完一帧音频数据后，进入发送状态，等待buffer空闲，向主机发送buffer空闲指令；

步骤226，发送完成或者超时未接收到后，主机向从机发送音频传输结束指令，从机予以应答。

本发明的积极进步效果在于：本发明以低成本硬件方案实现兼顾大流量数据双向传输和质量较高的音频传输，并且适用于轻体量、低功耗的场景。本发明以低成本硬件方案实现兼顾大流量数据一对多双向传输和质量较高的音频传输，是一个低廉高效的无线组网技术，适用于轻体量、低功耗的场景，也适合室内无线设备的互联。与最常使用的单主机多从机的2.4G无线通信协议相比，本发明可在不改变主机和从机角色的情况下进行数据的双向传输，减少了角色频繁转换带来的功耗。同时，本发明还放宽了在需要兼顾数据和音频传输场合下对硬件的限制要求，使用普通2.4G芯片即可实现传输大流量数据和较高质量的音频。与通用无线通信协议相比，本发明工作方式使用方便，数据包简洁，节省了维护系统整体兼容性的频宽，充分利用了传输带宽，大幅提高了有效数据传输速率，特别对于音频传输具有重要意义。总体而言，本发明依赖的硬件成本低廉，但使用便捷、所需的功耗低、适用场合广，实现效果较同等硬件基础的一般无线通信协议优异。

附图说明

图1为本发明基于2.4G的组网通信系统的原理框图。

图2为本发明中组网通信模块的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

本发明基于2.4G的组网通信系统包括一个主机、组网通信模块、多个从机，主机与从机之间通过组网通信模块连接，主机和多个从机都采用2.4G无线通信协议并实现双向数据传输。所述主机和从机均包含控制器和无线收发模块。

关于地址分配的情况如下：每一个主机和从机都拥有一个唯一的地址，占5个字节，共计40位。用地址的前4个字节标识不同的群组，即群组与群组之间这4个字节编号不可重复。每一个群组内的主机与从机前4个字节地址相同，用最后一个字节标识区别群组内的机器。一般主机该字节为00，从机按加1递增，理论上，一个主机最多可以配置255个从机，具体例子如下表1所示：

表1地址分配表

通信过程中，任一主机或从机只能处于发（TX）或者收（RX）状态，且只能有一个处于TX状态，其余均处于RX状态。默认主机开机处于TX状态，从机处于RX状态。

组网通信模块采用nRF24L01型单片无线收发器芯片且工作频率为2.4GHz。为了使主机与从机之间可以正确发送、接收并解析数据，并用以控制其下一步执行，数据必须按照一种主机与从机均可识别的格式（即2.4G组网通信协议）进行传送。

2.4G组网通信协议的数据帧有效长度为32字节，包括指令类型和数据两个部分。每帧报文第0字节为报文指令类型，理论上其长度决定最多可设置的指令类型为256种，足够一般通信情况使用。每帧报文第1~31字节为数据，根据该帧报文指令类型的不同，该部分数据按不同的结构进行解读。

组网通信模块包括以下几个功能模块：唤醒模块、路由模块、音频模块、控制模块、反馈模块。

开机后，由唤醒模块进行匹配应答实验，确定当前任务下的从机数量和从机信息，之后根据需要，由路由模块切换至不同模块实现相应的切换方式：

切换方式一：切换至音频模块，主机向从机传输音频数据，供从机播放；

切换方式二：切换至控制模块，主机可向从机或发送控制类指令，控制从机行为；

切换方式三：切换至反馈模块，主机发送查询从机状态指令，获取从机状态信息。

开机后，主机首先进行匹配应答实验：主机按照存储的分机与相应地址的对照表，按次序向特定地址发送报文，然后进入接收模式，等待从机返回报文。从机接收到报文，进入发送模式，返回一帧带有从机信息的报文给主机。主机如超时未接收到返回报文，则表示当前从机不在线，继续向下一地址发送报文，直至结束，以确定当前任务下的从机数量和从机信息。

为了在从机上播放来自主机的音频，需要通过音频模块将音频数据进行传输。与其它无线音频传输协议相比，本发明尽量简化了音频传输部分的控制类指令，从而提升了数据传输的有效速率，至少可达256Kbps，而同样工作在2.4G频段的Zigbee协议，其链路上的速率可达250Kbps，但除掉信道竞争应答和重传等消耗，真正能被利用的速率可能不足100Kbps。从主机的角度而言，其传输步骤主要包括如下步骤：

步骤S1，主机发送音频传输指令，并设置采样率等；

步骤S2，主机由发送模式转为接收模式，若收到从机返回的报文后，则转入步骤S3，否则采取重发机制，若超时仍未接收到，则返回步骤S1；

步骤S3，解码一帧音频数据，发送音频同步指令，设置音频数据样本数量等；

步骤S4，在音频数据传输过程中，主机发送完成之后进入接收状态，等待从机buffer（缓冲）空闲指令，若收到从机buffer（缓冲）空闲指令，则转入步骤S5，若从机返回buffer状态繁忙，则转入步骤S6；

步骤S5，判断数据是否全部发送完成，若完成则发送数据传输完成指令，转入步骤S7，否则返回步骤S3；

步骤S6，从机buffer状态繁忙，等待后若超时未接收到，重新进入接收模式等待从机buffer指示指令；

步骤S7，结束。

从从机的角度而言，其传输步骤主要包括如下步骤：

步骤S11，开机后默认为接收模式；

步骤S12，当接收到主机发来的音频数据开始传输指令时，进入发送模式，返回数据给主机，同时解析主机发来的数据，得出采样率等信息，并设置；

步骤S13，启动音频数据接收模式；

步骤S14，判断接收到的指令是否是音频同步指令，是则转入步骤S15，否则转入步骤S19；

步骤S15，解析数据得出数据量等信息，进入音频接收模式；

步骤S16，判断接收是否完成或超时，是则转入步骤S17，否则继续执行本步骤；

步骤S17，判断当前直接内存存储数据是否传输完成，是则转入步骤S18，否则继续执行本步骤；

步骤S18，进入发送模式，发送buffer空闲指令，进入接收模式，转入步骤S12；

步骤S19，判断接收到的指令是否是文件传输完成指令，是则转入步骤S20，不是则转入普通控制指令处理流程；

步骤S20，结束。

音频同步指令之后，报文所有32个字节均用来传输音频数据，即报文结构无指令类型一项。在传输大流量音频的的情况下，这种方式无疑大幅提高了有效传输速率，但可能牺牲了一部分稳定性，不过对于本发明的目标使用场合而言，其错误率仍可达到使用要求，传输质量仍有保障。

当主机向从机发送控制类指令时，可控制从机调用从机上的电机等装置，并按相应规则执行。从机接收到指令后，向主机返回报文指示自身状态，若状态繁忙则拒绝执行该条指令，否则回复开始执行状态。

当主机向从机发送查询状态指令时，可由从机返回的报文中获取从机各项传感器的相关信息。

关于超时的定义，涉及组网通信模块本身自带的重发机制。在非音频数据传输语境下，主机所发报文除去不需要应答的报文外，若等待20ms（可设置）后没有收到从机返回的报文，则再次返回TX状态，重新发送，继续进入接收状态。最多手动重发5次（可设置），若仍然没有回复，则视为超时。简化传输协议可有效提升数据传输速率，但可能牺牲一部分稳定性方面的指标，引入重发机制，可降低丢包率，弥补稳定性方面的缺失，保障传输质量。

本发明以单方向数据传输的2.4G无线通信协议为基础的。以主从机器人群组为例，位于主机器人上的无线收发装置通过无线传输形式将控制指令数据等，传输给位于从机器人上的无线收发装置，从机器人上的无线收发装置接收后进行解析，然后将解析后的数据用以控制从机器人。相反地，从机器人的相关传感器等信息由从机器人上的无线收发装置通过无线传输形式传输给位于主机器人上的无线收发装置，处理后指示主机器人的下一步操作。其它从机器人与主机器人的无线通信过程与之相同。利用2.4G组网通信协议，更方便主机器人获取从机器人的状态，有效实现主机器人对从机器人的闭环控制。使用上述协议中的音频传输部分，主机器人可依次发送开启音频传输模式指令、音频同步指令，以此设置音频传输的采样率、样本数的相关参数，之后根据从机器人返回报文中指示的buffer状态，等待或继续传输音频数据，如此可实现从机器人播放来自主机器人的音频数据，而无需在从机器人另设本地存储。使用上述协议中的控制类指令和查询从机状态指令部分，主机器人可通过控制类指令控制从机器人移动，同时通过查询从机状态指令获取从机器人的坐标、轮子转速和避障模块状态等，从而继续调整控制指令，再发送控制类指令使得从机器人按既定模式或轨迹移动。

本发明基于2.4G的组网通信方法包括以下步骤：

步骤1，开机后，主机进行匹配应答实验，确定当前任务下的从机数量和从机信息，进入下一步骤；

步骤2，根据需要，主机可向从机或发送控制类指令控制从机行为，或发送查询从机状态指令获得从机状态信息，或传输音频数据给从机供从机播放。

其中，步骤1包括以下子步骤：

步骤11，主机按照存储的分机与相应地址的对照表，按次序向从机的特定地址发送报文；当主机向特定地址发送报文时，主机处于发送状态，发送后立即切换到接收状态，等待从机返回报文。

步骤12，若从机接收到报文，返回一帧带有从机信息的报文给主机；

步骤13，主机如超时未接收到返回报文，则表示当前从机不在线，继续向下一地址发送报文，直至结束。

其中，报文包含的数据可包括但不限于主机、从机的硬件序列号、软件版本号等。

以若干字节表示主机和从机地址，并且按照一定规则进行分配，标识群组与群组、或一个群组内的主机与从机。一定规则的具体内容如下：从机和主机的地址是由5个字节组成，对同一群组内的主机和从机，地址的前4个字节是相同的，主机地址最后一个字节是0，从机地址从1-255进行分配。比如主机地址是aa-bb-cc-dd-00,从机地址是aa-bb-cc-dd-01,aa-bb-cc-dd-02以此类推。

当主机向从机发送控制类指令时，所述步骤2进一步包含如下子步骤：

步骤21，主机向从机发送控制类指令；

步骤22，从机接收到指令后，向主机返回报文指示自身状态，若状态繁忙则拒绝执行该条指令，否则回复开始执行状态。

当主机向从机发送查询状态指令时，所述步骤2进一步包含如下子步骤：

步骤211，主机向从机发送查询状态指令；

步骤212，从机返回包含从机各项传感器数据的报文。

其中，从机返回数据可包括但不限于从机电池状态、从机位置坐标、罗盘数据等。

当主机向从机发送音频数据时，所述步骤2进一步包含如下子步骤：

步骤221，主机发送音频传输指令，并设置采样率；

步骤222，从机收到音频传输指令，向主机发送应答信号；

步骤223，主机收到从机应答信号后，解码一帧音频数据，向从机发送音频同步指令，设置音频数据样本数量；

步骤224，主机向从机发送音频数据，每次发送完成后进入接收状态，等待从机buffer空闲指令；

步骤225，从机接收完一帧音频数据后，进入发送状态，等待buffer空闲，向主机发送buffer空闲指令；

步骤226，发送完成或者超时未接收到后，主机向从机发送音频传输结束指令，从机予以应答。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于2.4G的组网通信系统，其特征在于，其包括一个主机、组网通信模块、多个从机，主机与从机之间通过组网通信模块连接，主机和多个从机都采用2.4G无线通信协议并实现双向数据传输。

2.如权利要求1所述的基于2.4G的组网通信系统，其特征在于，所述组网通信模块包括唤醒模块、路由模块、音频模块、控制模块、反馈模块；由唤醒模块进行匹配应答实验，确定当前任务下的从机数量和从机信息，之后根据需要，由路由模块切换至不同模块实现相应的切换方式：切换方式一：切换至音频模块，主机向从机传输音频数据，供从机播放；切换方式二：切换至控制模块，主机可向从机或发送控制类指令，控制从机行为；切换方式三：切换至反馈模块，主机发送查询从机状态指令，获取从机状态信息。

3.如权利要求2所述的基于2.4G的组网通信系统，其特征在于，所述主机和从机均包含控制器和无线收发模块。

4.一种基于2.4G的组网通信方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1，开机后，主机进行匹配应答实验，确定当前任务下的从机数量和从机信息，进入下一步骤；

步骤2，根据需要，主机可向从机或发送控制类指令控制从机行为，或发送查询从机状态指令获得从机状态信息，或传输音频数据给从机供从机播放。

5.如权利要求4所述的基于2.4G的组网通信方法，其特征在于，所述步骤1包括以下子步骤：

步骤11，主机按照存储的分机与相应地址的对照表，按次序向从机的特定地址发送报文；

步骤12，若从机接收到报文，返回一帧带有从机信息的报文给主机；

步骤13，主机如超时未接收到返回报文，则表示当前从机不在线，继续向下一地址发送报文，直至结束。

6.如权利要求5所述的基于2.4G的组网通信方法，其特征在于，所述步骤11中当主机向特定地址发送报文时，主机处于发送状态，发送后立即切换到接收状态，等待从机返回报文。

7.如权利要求4所述的基于2.4G的组网通信方法，其特征在于，所述步骤2当主机向从机发送控制类指令时，所述步骤2进一步包含如下子步骤：

步骤21，主机向从机发送控制类指令；

步骤22，从机接收到指令后，向主机返回报文指示自身状态，若状态繁忙则拒绝执行该条指令，否则回复开始执行状态。

8.如权利要求4所述的基于2.4G的组网通信方法，其特征在于，所述步骤2当主机向从机发送查询状态指令时，所述步骤2进一步包含如下子步骤：

步骤211，主机向从机发送查询状态指令；

步骤212，从机返回包含从机各项传感器数据的报文。

9.如权利要求4所述的基于2.4G的组网通信方法，其特征在于，所述当主机向从机发送音频数据时，所述步骤2进一步包含如下子步骤：

步骤221，主机发送音频传输指令，并设置采样率；

步骤222，从机收到音频传输指令，向主机发送应答信号；

步骤223，主机收到从机应答信号后，解码一帧音频数据，向从机发送音频同步指令，设置音频数据样本数量；

步骤224，主机向从机发送音频数据，每次发送完成后进入接收状态，等待从机buffer空闲指令；

步骤225，从机接收完一帧音频数据后，进入发送状态，等待buffer空闲，向主机发送buffer空闲指令；

步骤226，发送完成或者超时未接收到后，主机向从机发送音频传输结束指令，从机予以应答。