无线数据传输系统的设计与应用

游海云



无线数据传输系统的设计与应用

游海云

（福建广播电视大学 漳州分校，福建 漳州 363000）

介绍一种无线数据传输系统的设计与应用。该系统以nRF24l01 无线收发模块和STR89C52 单片机为核心, 通过软、硬件设计，充分发挥“跳频”、“学习”、“配对防错”等先进技术，实现了无线数据信息传输的安全可靠，具有低成本、易扩展、操作简单等特点, 可应用于远程无线数据传输。

无线数据传输；nRF24L01；STC89C52

引言

随着网络和通信技术的高速发展, 使人们对无线通信的需求越来越迫切。在传统的自动控制系统中,数据传输都是通过金属导线。而在一些特殊场合下，传输信号的电缆线可能会很长、很粗，比如电梯上或流水线上，都会有几十米的电缆，甚至几百米，不安全，也不符合节能减耗的要求。数据的无线传输方式的使用解决了上述难题, 有效的节约了人力物力。但如何确保信息的绝对安全一直是用户的最大忧虑，因此开发出抗干扰能力强的产品就成为设计者的目标。目前在无线传输技术方面，各国都有新的技术问世。比如日本冲电气工业公司早在2008年展示了利用集成美国Integration Associates公司芯片的发送和接收模块，进行了简单的演示。作为将来设想的应用，提到了“遥控”和“安全”，并在日本销售Integration公司RF芯片包括发送IC“IA4220B”、接收IC“IA4320”和收发IC“IA4420B”3种，展示了其运用的广阔前景。本系统是一种基于nRF24L01无线数据传输系统。该系统具成本低, 体积小, 传输速率高, 具有良好的通用性和可靠性，以及较高的应用价值。

1 系统结构

本系统由信源的读取和信宿控制两部分组成。信源采集的数据至核心器件的单片机（MCU），经运算和转换后发送给射频模块，通过跳频和加密等措施发射到接收端；接收端对射频模块的数据进行判断和读取，在MCU的控制下射频模块执行指令和数据的编码与解码、数据的调制与解调等操作，完成系统的无线传输功能。系统设计总体框图如图1所示。

图1 系统设计总体框图

2 硬件设计

2.1 MCU

本系统选用的MCU 为STC89C52单片机，是一种低功耗、高性能CMOS八位MCU，具有8KB 的可反复擦写的FLASH程序存储器，可以实现在线编程调试；512字节RAM，其存储空间足以容纳本系统程序；32 位I/O 口线，看门狗定时器，4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，STC89C52 内置系统ISP 监控程序，超强抗干扰，超强抗静电，高速，高可靠，低价格。本系统使用其构架的基本功能，用单片机的I/O 口模拟SPI 口与nRF24L01 射频芯片通信。

2.2 无线射频模块

本系统无线射频模块选用Nor idc 公司推出的高速、低功耗、低成本无线通信芯片nRF24L01。nRF24L01 芯片是一款工作在2.4～2.5GHz 世界通用I S M 频段的单片无线收发芯片，其收发器包括: 频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制解调器等功能模块，输出功率、通信频道、自动重发次数等参数可通过程序进行配置，并融合了增强型SchockBurstTM 技术，该技术使低速SPI数据率和高速RFI数据率更有效地配合，降低能耗。数据传输速率最高可达2Mbps，GFSK（Gauss frequency Shift Keying，高斯频移键控）高效调制，125个频道满足多点通讯和跳频通讯需求。内置硬件8/16位CRC校验，低功耗，nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA。接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式) 空闲模式仅1uA，可采用3.6V干电池2000mAh供电，便于节能设计。

特有的跳频技术(Frequency-Hopping Spread Spectrum； FHSS)，大大提高了远距离传输的抗干扰能力和距离重点要解决的问题。由于2.4G频段没有使用授权限制，目前家用电器、手机、无线网络都集中在此频段，干扰问题难以避免。本系统在2.4GHz频带以一定的频宽将其划分为若干个无线电频率信道，并且以使用接收和发送两端一样的频率跳跃模式来接发讯号及防止数据撷取。[1]

2.3 发射模块框图

图2 发射模块框图

2.4 接收模块框图

图3 接收模块框图

3软件设计

3.1 发射和接收程序

使用nRF24L01芯片进行无线数据通信时不需要进行曼彻斯特编码, 编程和应用非常方便。该系统软件主要控制程序分为发射模块程序和接收模块程序两部分。

具体的软件发射程序流程如图4所示，软件接收程序流程如图5所示。

图4 发射流程图

图5 接收流程图

3.2 跳频功能实现

实现跳频功能的工作原理是，收发双方传输信号的载波按照预定规律进行离散变化。以达到避开干扰，完成传输[1]。具体的流程图如图6所示。

图6 跳频流程图

3.3 数据传输协议

在无线数据传输中, 数据必须进行规定格式的处理才能有效的降低传输过程中的误码率。采用合适的数据传输协议，有利于提高数据的传输效率及有效性[2]。本系统采用的传输数据格式为：

起始码特征码识别码工作码校验码结束码

3.4 智能型学习配对功能的实现

当接收端收到一个数据包后, 必须向发送端确认, 若校验无误, 方可对该数据包进行处理。整个确认过程就是学习配对功能的实现。即将两个发射数据作为学习码，在配对时将发射端的学习码储存在接收端MCU的掉电不丢失存储区中。等下次接收端有收到数据时，先将本次接收到的学习码与存储在MCU中的学习码进行比较，相同才可控制接收端输出。本系统可学习6个发送端，6个发送端对应同一接收器的6个不同输出，并有相应的数字及指示灯显示，学习过的发射端下回使用时无需要再次学习即可控制接收端输出。

学习方法如下：先按下接收端的学习按键，等待接收。再按下发送端的学习按键，学习成功，退出学习过程。若在接收端按下学习按键5s内没有收到发送端数据，则学习指示灯快闪，代表学习失败，退出学习过程。若长按接收端学习按键8s，蜂鸣器快响，可清除接收端的所有学习码。

学习工作流程图如图7所示。

4结束语

为了提高抗干扰能力和传输距离，本设计还重点研究了以下几方面的内容：①选择合适的识别码（即引导码和系统码），以确保本产品与其它RFID设备的信号不串扰；②选择合适的信息码（键码），以确保本产品之间的信号不串扰；③优化天线设计，提高发射功率，增加传输距离；④设计低能耗的发射电路和接收电路，并且优化软件设计，在保证传输系统的稳定性的前提下，延长电池的使用时间，实现绿色环保；⑤采用贴片元器件，缩小发射电路体积，以便安装在现有设备内，避免产品改变外形，降低成本。采用本系统进行无线通讯试验，结果：运行稳定，最大输出功率为100Mw，空旷无障碍最大通信距离约为半径200米左右，并且使用和维护的成本较低，在无线数据传输领域有应用前景。

图7 学习工作流程图

[1] 时志云，盖建平，王代华．新型高速无线射频器件nRF24L01及其应用[J]．国外电子元器件，2007(8)：42-44．

[2] 杨旭，李德敏，张谦益．基于nRF24L01 的一种无线通信协议设计[J]．通讯技术，2011(7)．

Design and Implementation of Wireless Data Transmission System

YOU Hai-yun

(The Open University of Fujian，Zhangzhou Branch, Zhangzhou，Fujian 363000，China)

The article aims to introduced the design and implementation of a wireless data transmission system. The key of system is nRF24l01 wireless transfer - receive module along with STR89C52 Single Chip Micyoco, which will achieve advanced technology in " hopping", " learning " and " matching mistakes " etc by designing certain software and hardware system and will be characterized by security, low- cost, easy expansion and convenient operation, thus it can use widely in long-distance wireless data transmission.

wireless data transmission；nRF24L01; STC89C52

（责任编辑：季平）

2012－04－15

游海云 (1973－)，女，福建漳州人，实验师，本科，研究方向：微机应用及自动控制。

TN92

A

1673-1417（2012）02-0006-05