嵌入式系统中一对多通信技术设计与实现

摘要：针对当前高校实验室信息管理自动化布线困难、建设及维护费用高、信息反馈不及时的问题，提出一种使用物联网RFID射频识别技术来实现实验室智能开放管理的方案。系统使用MSP430单片机作为实验室主控系统，负责接收并处理无线模块传送的设备使用信息，并通过TCP连接服务器获取并操作数据。该方案可以使实验室管理更加科学化、信息化、自动化，提高实验管理水平与设备使用效率。

关键词：物联网；无线通信；一对多；实验室管理；自动化；实验过程控制

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）12-2792-03

在电子商务和物联网应用中，射频卡技术和无线数据通讯技术是不可或缺的重要组成部分，因此，在智能实验室管理中，实验台51单片机与实验室主控系统MSP430单片机之间的分布式通信尤为重要，两者之间采用一对多无线通信，可以降低布线及维护难度。

通信是本系统中的关键环节，MSP430单片机通过TCP网络连接与控制室通信，获取相关数据。而后，MSP430单片机与多个实验台51单片机进行通信，将设备分配情况分别存储于实验台51单片机。

1 nRF24L01无线通信原理

无线通信模块采用工作在2.4GHz，ISM频段的nRF24L01芯片，具有低功耗的特点，其工作电压为1.9～3.6V，通过SPI总线与MCU相连。具有126个频道，能够满足多点通信和跳频通信的需要，支持CRC校验，能够提供高达2Mbps的传输速率，可以工作在有较强干扰、低功耗的场合。

实验测试证明，当有门、窗、墙等障碍物阻挡时，无线射频通信范围在10～20m，适用于单个实验室内部通信。如需更大通信范围，可适当增加功率放大装置。多个实验室可以分别使用不同的频道。以下为nRF24L01无线模块操作的基本函数：

设置通讯频段：NRF_Set_Channel（0）；

设置数据通道：NRF_Set_Pipe（0）；

设置为接收模式：SET_NRF_RX_Mode（）；

读取RF-Setup寄存器值：NRF_SPI_Read_Reg（RF_SETUP）；

设置发射速率：NRF_SPI_RW_Reg（NRF_WRITE_REG+RF_SETUP，0x__）；

接收数据：NRF_RxPacket（RX_PAYLOAD）；

发送数据：NRF_TxPacket（String）；

2 硬件配置结构分析

2.1 实验台51单片机简介

实验台51单片机采用最新的STC11F60XE高速1T型单片机，单时钟周期指令执行，60KB片内FLASH，1280B片内RAM，运行速度高达32MHz，完全满足复杂系统开发。

2.2 实验室主控系统MSP430单片机简介

MSP430单片机超低功耗，具有强大的处理能力，工作稳定，能够满足比较复杂的程序要求。

2.3 无线模块设计

实验台单片机控制板由51单片机控制nRF24L01无线模块，实验室主控系统由MSP430单片机控制nRF24L01无线模块。此无线模块支持动态数据长度、多点通讯，表1为无线模块和MSP430F5438单片机连接方式：

表1 无线模块与开发板连线对应表

3 基于nRF24L01技术的分布式无线通信设计

系统使用MSP430单片机作为实验室主控系统，负责接收并处理无线模块传送的设备使用信息，并通过TCP连接服务器获取并操作数据。控制室主系统向实验室子系统发送预约等控制信息，实验室子系统向控制室主系统发送实验过程控制信息，包括学生实验设备的时间、设备的故障情况等。在实验室子系统中，各实验台对应的单片机控制板通过无线模块与实验室主控系统进行无线通信，如图1所示。

系统初始化时，将nRF24L01射频芯片配置成EnhancedShockBurstTM模式，使其具有自动应答和自动重传的功能，极大地减少丢包率。设置射频收、发模块同时工作在2.4GHz信道、发射速率均为1MHz、发射功率设为最大值0dB、频道0自动应答允许。

发送数据时，将接收端的地址和待发送的数据按SPI总线时序送入nRF24L01，配置CONFIG寄存器，使之进入发送模式。将CE信号置高至少10μs激发nRF24L01进行发射。EnhancedShockBurstTM模式下的发射，会自动给射频数据加字头，加CRC校验码打包，高速发射数据包。当接收到自动应答信号时，表示发射成功；否则，会自动重传数据，直到在规定时间内还未接到应答信号，则表示发射失败。接收数据时，首先配置本机地址和待接收的数据包大小，配置CONFIG寄存器，进入接收模式，将CE置高130μs，进入监视状态，等待数据包的到来，当接收到正确的数据包后，nRF24L01自动把字头、地址和CRC校验位移去，同时，nRF24L01把STATUS寄存器的RX_DR置位，产生中断信号，通知微控制器，微控制器将数据读出，所有数据读取完毕后，清除状态寄存器，无线模块收发流程如图2所示。

4 结束语

2.4GHz无线通信是一项新兴的短距离无线通信解决方案，用无线通信将信号进行较远距离传输，工作稳定、维护简单，数据传送准确可靠，维修运行成本低，很适合智能实验室管理一对多通信使用。需要改进的地方就是随着接入的实验台越多，轮询的时间越长，致使数据的实时性有所下降。

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