一种基于对等网络的433 MHz频段无线传输方案的设计*

邓 芳，李 冰，董 乾

(1.无锡科技职业学院 电子技术学院，江苏 无锡 214000；2.东南大学 微电子学院，江苏 南京 210018)

一种基于对等网络的433MHz频段无线传输方案的设计*

邓 芳1，李 冰2，董 乾2

(1.无锡科技职业学院 电子技术学院，江苏 无锡 214000；2.东南大学 微电子学院，江苏 南京 210018)

基于433 MHz频段设计了一套无线传输解决方案，实现了一种基于对等网络的无主机信息共享系统。本方案中通过移交主机权的方式实现了广播发射机乃至信号覆盖区域的自适应切换，最终使所有节点都完整地接收到数据包。方案中每个节点均使用FPGA为主芯片，经系统测试，在100 mW以内的发射功率下，每个节点覆盖半径可达100 m，传输速率最高可达8 kb/s。本设计提供了一种网络式的数据传输方式，有良好的应用价值。

433 MHz频段；无主机；无线传输；FPGA

0 引言

随着无线网络的普及，2.4 GHz和433 MHz频段作为载体被越来越多的无线传输的解决方案或协议使用，然而WiFi、蓝牙、ZigBee[1]等均在2.4 GHz频段，不可避免地，2.4 GHz频段变得逐渐拥挤，设备之间的通信越来越容易受到同频干扰[2-3]。而在我国可以直接使用433 MHz频段设计窄带传输系统，该频段属于可免申请使用的频段，还有一定的发展空间。

2.4 GHz和433 MHz两个频段相比较：2.4 GHz频段传输速率大，防碰撞好，抗干扰能力强，穿透性差，通信距离近，更适合移动环境的应用；433 MHz频段传输距离远，穿透性强，通信距离远，抗干扰能力弱。因此，433 MHz频段的设备能够用于建立密集建筑物或较高楼群内的窄带网络通信[4]。一般433 MHz无线传输设备遵循发射功率小于1 W的规定[5]，免于对同频段的其他设备和系统造成干扰。另外，433 MHz射频解决方案价格低廉，功耗很低，被广泛用于无线抄表[6-7]、物联网节点[8-10]、环境监控[11-12]等应用场景的通信。尤其是，433 MHz频段可以用于进行点对点或小范围广播传输，可以在各终端设备之间进行通信，不需要额外架设基站，大大提升了传输系统的灵活性。

本文旨在提供一种网络式的数据传输方式，实现一种基于对等网络(Peer-to-Peer Netwok)的无主机信息共享系统，选择基于433 MHz频段设计了一套无线传输解决方案。为了提高系统的灵活性、可扩展性和安全性，系统中的每个节点都使用FPGA作为主芯片，所有的逻辑全部使用基于硬件描述语言(Hardware Description Language， HDL)的硬件电路实现。

1 无线传输系统方案

1.1 通信协议

本文所述的433 MHz频段无线传输系统采用如图1所示的分层传输协议。其中，物理层由数字基带和射频电路构成，主要负责携带信息的数字量与使用433 MHz载波进行调制的无线信号之间的相互转换。数据链路层、传输层和应用层均由数字电路构成，应用层负责提供与外部交互的接口；传输层用于把待发送数据分块，并封装成数据包的形式，或把接收到的数据包进行拆包组合，生成完整的数据流；数据链路层用于监控系统状态、检查接收数据完整性、切换系统中节点的工作状态以及控制发送速率。

图2 设计的系统无线传输示意图

图1 433 MHz无线传输系统协议栈

由于433 MHz频段的开放性，数据传输并不限定于一种固有的传输协议。本文所述的无线传输系统使用一种轮换主机的广播式方案。传输系统中的每个收发节点具有完全相同的结构，在不同的时刻可以分别充当广播主机或接收从机的角色，在当前主机广播发送完信息后，会广播问询数据包；接收到问询的从机将返回一个响应数据包，其中包含当前从机的序列号、信号质量、数据更新标志以及数据完整性标志；当前主机根据接收到的返回包内容，选中移交对象并发送移交数据包，通知对象从机切换为主机模式，并将自己切换为从机模式；每个发送循环结束后，只要返回包表明有从机节点完整接收了全部数据，则进行一次主机权限移交，否则，不变更主机再进行一次发送循环。

如图2(a)所示，某时刻，节点1被激活，作为主机广播发送数据包，在信号覆盖范围内，有节点2、3、5、6共四个从机接收数据，在完成一轮完整的数据发送过程后，节点2、3、6均接收到了所有的数据包，并缓存在内部。但是，由于节点5与主机之间的距离较远，信号不稳定，导致接收到的数据不完整，有一部分数据包丢失。完成发送后，节点1主机发送问询包，然后根据各节点返回包的数据完整性信息和接收信号强度，将主机权限移交给与节点5返回信号强度最接近的节点6。如图2(b)所示，节点6作为主机时，节点1已有全部数据，只有节点4、5作为从机接收数据包。当节点6发送问询包时，节点1、4、5都会发送返回包。假设节点4、5都正确接收了所有数据。如图2(c)所示，在节点6将主机权限交给信号强度最弱的节点1时，节点1再次作为主机发送数据，由于范围内的节点都已拥有全部数据，而返回包携带的信息指出信号最弱的节点刚好是上一次移交权限的主机，于是将主机权限移交给当前信号次弱的节点3。如图2(d)所示，当节点3作为主机时，将数据广播传递给节点8，如果节点8接收到全部的数据，则返回包指示数据已全部接收，由于此时广播范围内只有一个主机，于是节点3将主机权限交给节点8。传输系统在没有新的待发送数据输入的情况下，始终保持一个主机广播数据，多个从机接收的状态，从而保证传输中途进入广播区域的节点也能完整地接收到数据包广播信息。

因为系统由多个节点构成，且主机权在各节点之间交换，所以系统的设计要考虑如下三种特殊情形的处理。

(1)信道竞争。在各个节点发送返回包的过程中，不可避免地会出现信道竞争，即多个从机节点同时试图向信道发送数据包，导致信道无法正常发送数据。所以，本文所述的无线传输系统中的每个节点都具备信道退避功能，在主机节点广播问询包时，包内携带时间同步信息，所有接收到问询包的从机节点都会进行一次与主机节点之间的时间同步。从机发送返回包同样使用广播方式，发送返回包的时间相对于同步时间之间的延迟随机为0～1 024 ms，主机节点将等待1 024 ms来接收返回包，如果两个或两个以上的从机节点的延迟时间恰好相同，则这些节点的返回包将被忽略。

(2)数据更新。如果要发送一组新的数据包，只需要使用串行接口(UART)接驳到系统中的某一个节点上，然后向该节点发送更新数据。该节点在接收到更新数据后，首先会判断自身是否已是主机，如果是主机，则在完成当前一轮的数据传输后，不移交主机权限，发送更新指令给各从机节点，然后开始传输新数据。否则，当前节点不是主机，则等待下一次接收到询问包时，向主机返回数据更新标志，主机接收到该标志后，将主机权限移交给该节点，使更新后的数据开始在网络中传输。

(3)新节点加入。系统中的节点数量可以随时变化，新节点加入的时机是不确定的。如果新节点在主机广播数据包过程中加入到广播区域，则新节点直接当作从机接收数据，第一轮接收的数据不完整，不会在下一轮被移交主机权；如果新节点在主机移交过程中加入，响应主机询问包的返回包内携带的数据完整性标志是无效的，此时也不会被移交主机权。总的来说，即使有新的节点加入到系统中，也不会影响系统的工作状态。

1.2 节点电路结构

无线传输系统中的每个节点使用Xilinx公司的Spartan 3E系列FPGA作为主芯片，其内部包含1.9万个逻辑单元(Slice)、28个硬件乘法器(MUL)、28个18 KB高速内嵌静态存储器(BRAM)模块、8个数字时钟管理器(DCM)，足以实现大部分复杂逻辑。无线射频端采用Silicon Labs公司的SI4463芯片作为收发器。SI4463是一款支持4GFSK调制模式的高性能低功耗射频收发器，其无线信号的空中速率可调范围为0.123 kb/s～1 Mb/s，发射功率最大可达20 dBm，足够实现433 MHz无线收发功能。

节点的收发逻辑和数据处理均使用数字电路实现，其基本框图如图3所示。其中，FPGA内部逻辑电路包括主控模块、收发模块、分包模块、组包模块以及数据先进先出队列(FIFO)。收发模块使用串行时序信号配置射频芯片的寄存器，使射频芯片可以在发送和接收两种工作模式之间进行切换，并实现调整射频信号的调制参数、传输速率、发射功率等状态。分包模块用于在当前节点作为主机时，把待发送数据流分成固定尺寸的数据块，并加入数据长度、包类型、包编号、主机序列号、校验和等信息封装成数据包，传输给射频芯片调制发射。组包模块用于在当前节点作为从机时，从射频芯片读取数据，并按照从中分离出有效数据，组合成连续的数据流。数据FIFO在当前节点是主机时，用于缓存待发送数据流；当前节点是从机时，用于缓存来自射频芯片的数据包。

图3 无线传输系统节点基本框图

射频芯片中包含多个控制和状态寄存器，其内部结构如图4所示。FPGA通过串行外设总线(Serial Peripheral Interface，SPI)的nSEL、SDI、SCLK信号线向芯片内部寄存器中写入数据，实现对芯片收发参数的控制以及待发送数据包的转移。或通过nSEL、SDO、SCLK信号线从芯片内部读出数据，实现收发状态以及已接收数据包的读取。SI4463芯片中包含两组最大容量为64 B的数据FIFO，其发送和接收数据的端口被分别映射为地址0x66和0x77的两组可读可写寄存器，发送和接收数据包的流程如图5所示。

图4 SI4463射频芯片内部结构

图5 接收和发送数据流程图

图5(a)中，首先通过SPI总线SDI信号线向射频芯片串行发送接收FIFO映射寄存器地址0x77，并立即读取SDO总线上的数据，如果返回串行数据为0xFF，则代表成功寻址到0x77寄存器，可以进行后续的数据读取操作；然后，发送0xFF值到SDI，并同时读取SDO的返回值，该值为接收FIFO中的有效数据长度；读取到FIFO中数据长度后，进行多次发送0xFF和读取返回值的循环，每个循环将数据长度自减一，直到数据长度为0，代表所有数据均已读出，结束读FIFO过程。

图5(b)中，首先发出发送FIFO的映射寄存器地址0x66；待接收到0xFF返回值后，发送需要写入到FIFO中的数据总长度；然后进行多个发送数据和验证返回值的循环，直到所有待发送数据全部被写入到发送FIFO中。接收和发送FIFO的空满标志位、数据计数等信息可以通过0x15寄存器读出，在每次对射频芯片进行数据相关的操作时，应先读取0x15寄存器，判断FIFO中是否有空位写入数据，或是否已缓存了有效数据供读取，防止FIFO溢出。

2 系统测试与性能

由于本文所述的无线传输系统中的每个通信节点都具有完全相同的结构，因此只要验证了两个以上节点构成的网络可以正常通信，即可证明该无线传输系统的可行性。所以，测试过程主要从信号的覆盖和数据的传输角度进行。由于本文所述的无线传输系统可以收发任意形式的数据流，为了方便测试，使用通用计算机作为数据源，通过串口将数据流传送给传输平台的某个节点，经由无线传输系统广播传送后，在其他的节点上通过串口接收并存入另一个上位机的磁盘。在传输完成后，对发送和接收的数据进行对比，计算丢失的数据包总数，验证无线传输过程的可靠性。另外，由于系统中每个节点拥有完全等价的功能，为了测试节点的实际信号覆盖范围和传输速率，测试的过程中使用了两个节点进行文件传输测试。

无线传输的可配置参数包含信号空中速率、频率偏移、发射功率。衡量传输性能的参数包括传输距离、穿透能力、传输速率、信号强度(RSSI)、丢包率。测试结果如表1所示。

表1 无线节点传输距离测试

3 结论

通过移交主机权的方式实现了广播发射机乃至信号覆盖区域的自适应切换，最终使所有节点都完整地接收所有数据包。该系统不需要建立专门的发射基站，在需要传输新数据时通过有线连接的方式将数据交给系统中的任意一个节点，通过主机转移的机制，即可实现数据的传播。在100 mW以内的发射功率下，每个节点在阻挡较少时的覆盖半径可达100 m以上，即使阻挡较多，也能达到近50 m的覆盖半径，传输速率最高可达8 kb/s，足以传输对带宽需求不高的数据流。测试结果表明，本文所述的433 MHz频段的无线传输系统具备可行性。

测试结果也显示出该无线传输系统有一些待改进的方面，比如，在空中速率设置得过高时，会导致有效传输距离明显降低，丢包率上升，穿透能力显著下降等。上述缺陷的主要原因在于目前采用的433 MHz射频芯片使用普通的GFSK调制方式，且芯片发射功率有限，难以提升传输性能。然而，随着射频芯片制造工艺的提升，433 MHz收发芯片的性能正按照摩尔定律逐渐发展和提高，该问题将来也一定会得到比较好的解决。

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A design of wireless transmission solution in peer-to-peer networks based on band 433 MHz

Deng Fang1, Li Bing2, Dong Qian2

(1. School of Electronics Technology, Wuxi Vocational College of Science and Technology, Wuxi 214000, China;2. School of Microelectronics, Southeast University, Nanjing 210018, China)

In this paper, a wireless transmission solution based on band 433 MHz was designed to realize a kind of non-host information sharing system in peer-to-peer networks. Host handover in all radio transmitters in the signal coverage area can be adaptively switched, and eventually, all nodes completely receive the whole package. Each node uses FPGA chip. The testing results show that each node covers up to 100 m, and transmission rate is up to 8 kb/s, under the transmission power of 100 mW. The design provides a way about network data transmission, which has good application value.

433 MHz; non-host; wireless transmission; FPGA

TN92

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.021

邓芳，李冰，董乾.一种基于对等网络的433 MHz频段无线传输方案的设计[J].微型机与应用，2017,36(20)：71-74，79.

江苏省产业研究院产业重大原创性技术创新项目(B02015009)

2017-03-27)

邓芳(1981-)，女，硕士研究生，讲师，主要研究方向：电子与通信工程。

李冰(1968-)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：大数据云计算。

董乾(1982-)，男，博士研究生，工程师，主要研究方向：高效数据处理硬件算法设计与验证。