CN107580362A - 一种低功耗远距离无线传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗远距离无线传输系统，包括一个主MCU、若干分MCU及与各MCU分别相对应的射频芯片；所述主MCU和其对应的射频芯片构成无线传输中心节点，若干分MCU与各自对应的射频芯片连接构成无线传输子节点，MCU对应连接的射频芯片为基于LoRa技术的无线射频收发芯片。所述中心节点与子节点采用星状网拓扑结构和TDMA介质访问层协议组网。子节点完成数据采集，并在对应的时隙内发送给中心节点，中心节点汇总数据，连接主机并显示。子节点采用RTC时钟自动唤醒的方式保证组网的低功耗，同时配合跳频通信技术降低了无线传输系统的同频干扰问题。本发明、满足物联网应用对功耗和距离的需求，可广泛应用于智能停车、智能抄表等智慧城市项目中。

Description

一种低功耗远距离无线传输系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种低功耗远距离无线传输系统。

背景技术

物联网被认为是继计算机、互联网之后的第三次信息革命浪潮。到目前为止，物联网已经在全世界得到极大重视，很多国家和企业纷纷提出了各自的物联网发展战略。我国政府部门对物联网行业发展表现出了积极的支持态度，已发布一系列政策文件推动物联网的产业进展。2016年12月27日，国务院发布的《“十三五”国家信息化规范》中有20处提到“物联网”，明确提出10个物联网发展专项行动计划实施物联网重大应用示范工程，推进物联网应用区域试点。世界各地的调研机构和运营商均预测物联网将成为下一个万亿级市场。IDC预计，2020年全球物联网市场规模将达1.7万亿美元；中国移动也预计，2020年全球物联网市场规模将达8300亿美元，物联网连接设备将达500亿[3]。物联网产业发展前景广阔。随着物联网的快速发展，从个人电子产品到工业机械和传感器等相关应用逐渐的接入网络。通信技术是网络连接的基础。没有通信技术的支持，物联网感知的大量信息无法进行有效地交换和共享，从而也不能利用基于这些物理世界的数据产生丰富的物联网应用。无线通信因其结构简单、成本低、克服有线通信在某些情况下布线困难等优势成为现阶段研究的重点。

表1现有无线数据传输方案对比

现有成熟的无线传输技术如表1。其中采用蓝牙(Bluetooth)、紫蜂(Zigbee)和无线路由(WiFi)技术的无线数据传输终端工作频段是2.4GHz，基于蜂窝移动通信技术的4G频段由于运营商不同，大致分布在1800MHz～1900MHz、2.3GHz和2.5GHz等专用频段上。从现有无线传输方案可以看出，每种无线传输方案都有各自的优势，比如采用Bluetooth技术的方案相较其他方案，功耗较低，基于跳频技术可以实现安全传输，但数据传输率较低、通信距离较短；基于Zigbee技术的方案相比其他方案的优势是可以实现局域内快速组网，同时功耗较低，缺点是随着网络节点的增多，无线数据在节点间传输延时较高，相应的数据传输率较低；WiFi技术与上述两种方案相比，数据传输率较高，在物理层增加功率放大器模块可以实现远距离无线数据传输，同时与网关相连可以直接连接Internet。但是WiFi技术功耗较大，虽然可以基于Mesh组网，但其对应网络拓扑结构对通信数据传输影响较大。基于WiFi技术的无线通信终端还具有数据安全性没法保障的缺点；3G/4G或者GSM等基于蜂窝技术的无线传输方案可以使用现有基站实现远距离无线传输，缺点是在基站没法覆盖的偏远地区，无法使用。

现有无线传输系统方案的硬件结构如图1示，主要由MCU电路和射频芯片电路两部分构成，MCU主要作用是运行协议栈，控制并把数据通过某种通信接口传输到射频芯片，射频芯片主要完成调制、解调，把调制好的无线电磁波信号传到物理空间和从物理空间感应接收电磁波信号。基于Bluetooth和WiFi的应用一般采用这种方案。

采用Zigbee技术的方案与与采用Bluetooth和WiFi技术方案不同点在于，有良好的自组网特性。如图2所示，采用Zigbee技术方案中，节点分为3种类型，分别为协调器节点、路由器节点和终端节点。协调器节点主要任务是构建网络，一旦网络构建完毕，退化为路由器节点。路由器节点主要功能是数据路由，终端节点主要完成数据采集和发送。

从以上现有无线数据传输方案可以看出，现有方案只能应用于某些特定条件下。比如在低功耗方面，Bluetooth有天然的优势，而数据传输率较大时，WiFi优势明显，Zigbee的优势在于组网简单方便。随着物联网技术的发展，物联网应用对无线通信技术的需求是如何在较低功耗下实现远距离无线传输。低功耗是物联网无线传输设备的基本需求，因为低功耗意味着同样电池容量供电设备能工作更长的时间，远距离保证了无线传输设备能够覆盖较大的通信范围。现有成熟的无线通信技术无法满足物联网应用对传输距离和功耗的需求。现阶段，市场上尚未存在一种解决上述问题的低成本、远距离低功耗无线传输方案。

发明内容

本发明目的是：提供一种低功耗远距离无线传输系统，该传输系统具有在较低的运行功耗下实现远距离的无线数传功能，同时配合通信协议能够在较低的成本下实现安全保密通讯、组网和跳频通信等功能。

本发明的技术方案是：

一种低功耗远距离无线传输系统，包括一个主MCU、若干分MCU及与若干分别与主MCU、分MCU对应连接的射频芯片；所述主MCU和其对应的射频收发芯片构成无线传输的中心节点，若干分MCU与各自对应的射频芯片连接构成无线传输的子节点；所述中心节点分别与各子节点无线连接，用于对各无线传输子节点时钟的同步和数据的处理，各子节点在分MCU的控制下完成无线数据收发。

优选的，所述主MCU为MCU0，各分MCU分别为MCU1～MCU5，主MCU和分MCU对应连接的射频芯片分别为基于LoRa技术的无线收发芯片。

优选的，所述中心节点分别与各子节点之间采用集中式组网协议，完成对子节点数据的采集和命令的传输。

优选的，所述中心节点分别与各子节点之间采用星状网拓扑结构，以满足对无线传输实时性的要求。

优选的，所述中心节点和各子节点采用TDMA的介质访问层协议组网；子节点在各自的时隙内与中心节点无线传输。

优选的，所述各子节点采用RTC定时的方式唤醒，以降低组网功耗。

优选的，所述主MCU采用STM32系列单片机，各分MCU采用STM8系列或者采用8051内核的单片机。

优选的，所述主MCU通过扩展通信接口与多块射频收发芯片连接以保证子节点的数量。

优选的，所述中心节点和子节点采用跳频技术以降低同频干扰。

本发明的优点是：

本发明所提供的低功耗远距离无线传输系统，采用一个中心节点和多个子节点构成，中心节点和子节点采用星状网结构，介质访问层协议使用TDMA方式组网，能够在较低的运行模式下实现远距离无线传输，具有成本低、安全保密通讯、组网方便等优势，满足物联网应用对无线通信功耗和距离的需求。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为现有的基于Bluetooth或者WiFi技术的无线数据传输模型；

图2为现有的基于Zigbee技术的无线数据传输模型；

图3为本发明所提出的低功耗远距离无线传输模型；

图4为MCU与无线射频芯片连接的硬件结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图3所示，本发明所揭示的低功耗远距离无线传输系统，包括硬件和软件两部分内容。模块包括一个主MCU(MCU0)、5个分MCU(MCU1、MCU2、MCU3、MCU4、MCU5)和分别与主MCU和5各分MCU相对应连接的的基于LoRa技术的无线射频芯片。主MCU一般采用性能较为强劲的MCU芯片，如STM32系列单片机；分MCU采用性能一般的MCU芯片，如STM8系列或者采用8051内核的单片机，无线射频收发芯片采用基于LoRa技术的射频芯片SX1278，如图4所示。主MCU和射频收发芯片构成中心节点，各分MCU和射频收发芯片构成无线传输子节点。其中主MCU通过SPI通信接口连接到射频收发芯片，中心节点通过UART通信接口连接到主机，中心节点与子节点使用星状网拓扑结构，基于TDMA技术和跳频技术实现组网功能。

MCU0和LoRa射频芯片连接构成中心节点，主要协调各子节点的通信处理和对系统时钟同步。主节点在无线传输系统建立初始阶段，充当协调器的角色，子节点通过竞争的方式加入到主节点所建立的网络。加入主节点网络所实现的方法是子节点首先监听无线信道的RSSI值，如果检测到无线信道的RSSI较低，如大于-90dBm，则可认为信道上没有其他节点加入网络，这时，子节点发送加入网络指令。主节点在没有接收任务时进入CAD(信道检测)模式，CAD模式是基于LoRa技术芯片所独有的信道检测模式，主节点在CAD模式下检测信道是否存在前导码，如果存在则进入接收模式接收子节点的入网请求，发送子节点的网络地址后再次进入CAD模式。

分MCU和LoRa射频芯片连接构成低功耗无线传输子模块，主要完成数据采集并在TDMA分配的时隙内发送给中心节点。子节点在没有到达自己的时隙内保持睡眠状态降低功耗，时隙到达后唤醒采集数据，并发送给中心节点，然后定时接收中心节点发送回来的确认帧信号，如果在一个数据发射接收回合内没有接收到确认帧信号则再次发送直到时隙结束。时隙的分配参照Semtech Calculator软件计算的无线数据包在空中传输时间，每个时隙后保留一定的时隙保证无线信号的处理时间偏差。每个时隙的大小是数据包在空中传输时间的整数倍。在一个通信周期内，还包括一部分时隙分配用于命令的传输。

为节省电量，子节点在自己的时隙内与中心节点通信，不在自己的时隙时保持睡眠状态，子节点的唤醒使用RTC定时唤醒的方式。在TDMA时隙分配时，根据网络地址分配子节点的RTC定时唤醒时间。为确保定时精度，RTC时钟选用32.786kHz的外部晶振，如图4所示。每个周期中心节点发送通信指令时，首先完成时钟同步功能，然后进入睡眠状态，等待自己的时隙到来。RTC中断唤醒后，子节点开始和通信节点通信，通信时隙结束后，子节点再次进入睡眠模式。再次启动RTC定时功能，等待接收中心节点的通信开始指令。

MCU管理着4个信道的查询表，当有数据包需要发送时，MCU从信道查询表中选取一个信道进行数据传输。在预定跳频周期结束之后，发射机和接收机自动跳频到下一个信道。对于发射机，工作频率首先选定信道0。在信道中发送前导码和报头，接着发送数据包，同时信道计数器加1，并产生中断信号，必须在跳频周期结束之前选择新的工作信道，以保证下次跳频时工作于新的工作频率，之后清除中断信号。接收机也是从信道0开始。信道的带宽是250KHz，不同信道间距是1MHz。

本发明所设计的低功耗远距离无线传输系统硬件上采用低功耗的MCU处理芯片和射频收发芯片，软件协议上通过自动唤醒功能和时分多址的方式保证了子节点在没有发送任务时保持较低的运行功耗。同时配合远距离的LoRa射频芯片和星状网拓扑结构实现远距离无线传输。通过上面的介绍，可看出本发明所设计实现的低功耗远距离无线传输系统满足物联网应用对无线通信成本、距离和功耗的需求。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低功耗远距离无线传输系统，其特征在于：包括一个主MCU、若干分MCU及与若干分别与主MCU、分MCU对应连接的射频芯片；所述主MCU和其对应的射频收发芯片构成无线传输的中心节点，若干分MCU与各自对应的射频芯片连接构成无线传输的子节点；所述中心节点分别与各子节点无线连接，用于对各无线传输子节点时钟的同步和数据的处理，各子节点在分MCU的控制下完成无线数据收发。

2.根据权利要求1所述的低功耗远距离无线传输系统，其特征在于：所述主MCU为MCU0，各分MCU分别为MCU1～MCU5，主MCU和分MCU对应连接的射频芯片分别为基于LoRa技术的无线收发芯片。

3.根据权利要求2所述的低功耗远距离无线传输系统，其特征在于：所述中心节点分别与各子节点之间采用集中式组网协议，完成对子节点数据的采集和命令的传输。

4.根据权利要求3所述的低功耗远距离无线传输系统，其特征在于：所述中心节点分别与各子节点之间采用星状网拓扑结构，以满足对无线传输实时性的要求。

5.根据权利要求3所述的低功耗远距离无线传输系统，其特征在于：所述中心节点和各子节点采用TDMA的介质访问层协议组网；子节点在各自的时隙内与中心节点无线传输。

6.根据权利要求5所述的低功耗远距离无线传输系统，其特征在于：所述各子节点采用RTC定时的方式唤醒，以降低组网功耗。

7.根据权利要求3所述的低功耗远距离无线传输系统，其特征在于：所述主MCU采用STM32系列单片机，各分MCU采用STM8系列或者采用8051内核的单片机。

8.根据权利要求3所述的低功耗远距离无线传输系统，其特征在于：所述主MCU通过扩展通信接口与多块射频收发芯片连接以保证子节点的数量。

9.根据权利要求3所述的低功耗远距离无线传输系统，其特征在于：所述中心节点和子节点采用跳频技术以降低同频干扰。