基于CC1101的时分多址接入系统设计

引言

在终端节点众多，通讯传输范围较大的基于CC1101的 低功耗无线传感网络中，由于无线信道的共享特性，当相邻 的链路上同时进行数据通讯时，链路之间易相互干扰而产生 冲突。无线网络中通道防冲突的能力直接依赖于媒体接入控制 (Medium Access Control，MAC)协议如何管理信道资源。为 了实现整个网络能够长期有效的工作，如何在为终端节点提供 足够的、长期的能量的前提下进行防冲突设计成为重中之重。

1时分多址技术

时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)技术， 是把通信系统的工作时间分割成周期性互不重叠的时间段, 再将每个时间段的时间划分成若干个小段，每小段称为一个 时隙，每一个用户都在指定的时隙里接通信道，其他的用户 在另外的所指定的时隙里接通信道。TDMA方式最初用于 卫星通信中，现在也逐渐使用于其它的各种通信场合，可大大 提高网络的通讯速率，可靠性和网络容纳量。

将时分多址的技术引入到低功耗无线传感网络设计中, 由集中器将工作时间分割成周期性互不重叠的时间段，再将 每个时间段划分成若干时隙，终端节点在每个时间段的所分 配的固定时隙加入网络或者上报数据，可提高无线网络的通 讯速率、可靠性和网络容纳性。

2系统架构

整个通信网络系统由上位机(远程监控终端)、集中器和 终端节点所组成，其系统架构如图1所示。其中，终端节点可 以作为传感器节点(采集温度、湿度、电池电量、或地磁等信息) 通过自组网的方式捜索加入合适的集中器的网络后，定时或节 点满足一定上报条件时在自身上报时隙内向网内集中器上报数据，集中器接收网内终端节点上报的数据，进行整理，在收到 上位机的轮询命令后，再将数据上传给上位机进行处理、记 录和显示。系统中包含无线和485有线通讯网络，其中集中器 同上位机之间采用485总线进行通信，而集中器同终端节点之 间则是使用CC1101射频模块通过无线信号进行通信。

3硬件设计

集中器和终端节点的微处理器均选用MSP430G2553作 为核心控制单元。MSP430G2553是一款16位超低功耗、具 有精简指令集的混合信号处理器，休眠模式下仅0.5 uA，外 设功能丰富，而且具有UART、SPI、I2C等接口，便于通信模 块与外部系统互联，并具有24个IO 口、10位AD、定时器， 以及16 KB的FLASH,满足用户对通信模块的扩展需求, 适于用户根据需求定制或编写通信协议。

集中器和终端节点进行无线通讯的无线模块选用TI公司 的无线射频芯片CC1101，该无线通讯模块具有高灵敏度、低 功耗、低成本、低误码率、支持无线传感网络等优势。除 了微处理器模块和无线收发模块外，系统中还包括有电源和 电源管理模块，以及485转换模块等，这里不再赘述。

4软件设计

集中器同终端节点之间采用时分多址的方式进行通讯，其具体过程是 ：集中器定时向外广播发送一帧网络信标（周期为 T），根据时分多址将信标周期 T 等分为 n 个网络时隙，每个网络时隙为Δt，将第一个网络时隙Δt 预留下来给未入网的终端节点入网交互，其余的Δt 分配给已加入网络分配有网络编号的终端节点根据自身网络编号（网络编号是在终端节点加入集中器网络时，集中器所分配的）进行数据交互。图 2 所示为不同频点的集中器按照时分多址的方式同终端节点进行通讯的示意图。

另外，根据自组网通讯方式的设计，可以通过增加集中器的个数，扩充系统的规模。系统中可设置多个集中器，每个集中器的无线通讯的频段不同，终端节点可通过扫频的方式搜索加入合适规模的集中器的网络，每个由不同频段集中器组建的通讯网络都是互不干扰的，即使通讯中有终端节点由于意外脱离了网络，也可以通过扫频重新加入网络。图3所示为终端节点的工作流程图，图4所示则是时分多址的相关流程图，集中器的工作流程相对简单，这里不再赘述。事实上，这里的节点工作的流程也进行了一定的简化，所有的处理都是在秒中断、无线接收中断和时隙定时器中断子程序中进行的，节点大绝大多数时间都处于低功耗3的状态下，这样可以大大的降低节点的功耗。

时分多址应用设计的关键在于Δt和无线数据传输率Data·rate的选择。在Δt时间内，需要完成终端节点发送入网帧或上报数据帧给集中器，以及集中器接收到数据后还要对终端节点进行回复的过程，若设这个过程的时间为TAll，那么，要保证通讯的正常，则必须满足Δt>TAll。这里：

其中 TT 为终端节点或集中器发送数据所花费时间，TR 为终端节点接收数据所花费时间，TDeal是集中器处理时间的时间。另外，TR ≈ TT，TDeal 约为 2 ms，则 TAll ≈ 3TT+2 ms。根据 TT 同无线通讯 Data · rate 之间的关系，可以得出如下公式 ：

其中，LJ为终端节点所发送的字节长度，包括前导码4个字节、同步字4个字节、长度字1个字节、有效负载7个字节和CRC校验2个字节，共计18个字节。这样，将式（2）带入式（1）中可得：

由上面的公式可知，时隙Δt的选择跟Date·rate成反比关系，Δt选择越小，要求Data·rate越大；另外，当时，隙Δt选择的越小，在一定的信标周期内，系统的容纳量越大，但是，系统的稳定性也越差。因此，对于时隙Δt选取要谨慎，通常可通过测试进行选取。

5系统测试结果

针对波特率分别为10、38.4、100Kb/s时的不同时隙进行测试的结果如表1所列。

如表1可知，当时隙选择在大于15 ms时，时分多址系 统在三种波特率下均可运行。

另外，搭建使用时分多址接入技术的1个集中器带50个 终端节点的无线传感系统进行长时间的运行，使无线通讯波 特率选择38.4 Kb/s （选择10 Kb/s波特率数据传输太慢，选择 100 Kb/s数据传输距离有局限性，因此，选择居中的38.4 Kb/s）， 将时隙Af分别定为20 ms、30 ms和40 ms，分别对不同时隙 下的系统稳定性进行测试，其测试结果如表2所列。

6 结 语

根据本文的测试数据，说明选择波特率、时隙和信标周 期在38.4 Kb/s、40 ms和3 s时，能获得很稳定的测试结果。 实际使用证明，将该无线接入技术应用于智能停车管理系统, 系统的稳定性和实时性均获得了良好的应用效果。

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