一种基于时分多址原理的新型无线采集网络

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(北京智芯微电子科技有限公司, 北京 100192)

引 言

随着物联网技术的不断发展，越来越多的传感器系统被接入无线网络，为构建智慧城市添砖加瓦。在众多网络传感应用中，有大量设备具有位置固定、采集周期恒定、数据传输量小的特点(如水表、燃气表、温度计、湿度计等)。这类设备如果使用传统的无线组网方案(如GPRS)，势必会增加设备的硬件成本和运营成本，还会造成公共基站的资源浪费。本文通过对一种简化的“时分多址”组网方法的研究，和广大读者共同探讨大容量数据采集网络的低成本方案。

1 什么是时分多址

简单来说，时分多址技术就是将通信信道的工作时间，按照一定的规则划分成若干个时间段。网络中不同设备节点分别独占一个时间段进行通信，网络中的所有设备节点，在不同的时间段完成数据传输工作，共同使用整个通信信道。时分多址技术对单一频谱的利用率较高，对频率资源占用很小，由于网络内的设备节点工作在同一频点，接收机和发射机的设计相对简单。时分多址技术对时钟同步的要求很高，往往有一套很复杂的时钟同步机制。本文中描述的基于RX8025T芯片的无线采集网络只是借用了时分多址技术的思想，通过高精确度的实时时钟芯片来实现信道的分时复用。

2 网络拓扑结构

鉴于一对多的数据采集式应用场景，无线采集网络采用的是典型的星型网络结构。主节点承担整个网络时标基准的建立，接收从节点传回的数据，维护整个网络的运行；从节点负责数据的采集，并将采集的数据传送给主节点；一个网络中只有一个主节点；从节点只能与主节点通信，从节点之间不能通信。无线网络拓扑结构图如图1所示。

图1 无线网络拓扑结构图

3 无线采集网络的主要网络参数

无线采集网络的主要网络参数有时段值、时间同步周期、节点地址等。

① 时段值。时段值是指无线采集网络分割成的时间片段的大小。该参数控制着单个从节点能够占用无线网络的时间长短。

② 时间同步周期。时间同步周期是指主节点进行网络时间同步的周期。从节点需要根据时间同步周期定时地从休眠状态切换到工作状态，对自身的时钟进行同步。

③ 节点地址。节点地址是无线采集网络中所有设备的唯一标识。从节点通过节点地址确定主节点，并根据自身的节点地址计算其占用的通信时段。

4 主节点的帧种类

4.1 时间同步帧

时间同步帧是由主节点根据时间同步周期定时发起的，在整个网络内进行广播发送的时间同步指令。该帖包含时标数据和数据采集标识。时标数据供网络中的从节点设备进行时钟同步；数据采集标识用来发起一次数据采集。当从节点检测到数据采集标识后，会按照自身的通信时段进行数据传输，时间同步帧结构如下所示：

帧头广播地址时标数据数据采集标识帧尾

4.2 数据确认帧

数据确认帧是主节点收到从节点发送的数据之后的应答帧,该帧可包含主节点下发给从节点的指令数据。其中，从节点地址为目标从节点的节点地址；主节点帧号为主节点当前发送的数据帧的帧号；从节点帧号为当前数据确认帧应答的数据帧帧号；指令数据为主节点发送给从节点的指令信息。数据确认帧格式如下：

帧头从节点地址主节点帧号从节点帧号指令长度指令数据帧尾

5 从节点的帧种类

数据帧是从节点在其所属的时间段内发送给主节点的数据信息。该帧包含了从节点的采集数据信息和上一次指令完成的状态信息。数据帧结构如下：

帧头主节点地址从节点帧号主节点帧号采集数据指令完成标识帧尾

6 无线采集网络的工作方式

6.1 正常校时

图2 正常校时流程

当主节点不需要从节点上传数据时，主节点需要每隔一定时间(时间同步周期)进行一次广播校时，从节点只需要接收校时指令进行本地校时，不需要进行应答。正常校时流程图如图2所示。

6.2 校时并抄读数据

当主节点需要抄读数据时，需要在时间同步帧中的数据采集标识里进行标记。从节点在收到一个指令时段值的时间后，开始进行数据上传。按节点地址由小到大的顺序，每隔一个时段值，一个从节点进行数据上报。主节点收到上报数据后给予应答。上报与应答的时间不超过一个时段值。校时并抄读数据流程图如图3所示。

图3 校时并抄读数据流程图

6.3 校时、抄读数据并下发指令

当主节点发送“数据确认帧”增加了指令数据时，从节点收到该帧后，需要额外执行相应的指令，并在下次抄读数据时传送指令执行状态信息。校时、抄读数据、发送指令流程图如图4所示。

图4 校时、抄读数据、发送指令流程图

7 RX8025T实时时钟芯片

RX8025T芯片是在电力设备中广泛应用的一款实时时钟芯片,它具有宽工作电压、超低功耗、无外围器件、晶振时钟可输出，全温度范围(-40～85 ℃)时钟误差为±5×10-6等优点。RX8025T芯片的生产商以日本爱普生为代表，国内也有如上海贝岭等厂家生产。由于RX8025T芯片应用广泛，目前在低功耗领域中具有相当大的价格优势。RX8025T芯片的通信接口为I2C总线，应用时除总线上拉电阻和电源退耦电容外，不需要其他外围器件。RX8025T芯片应用电路图如图5所示。

图5 RX8025T芯片应用电路图

图中，R6、R7为I2C总线的上拉电阻；C12为芯片电源的退耦电容；FOUT引脚为32.768 kHz的时钟输出脚；FOE为时钟输出控制引脚。当FOE为逻辑高电平时，FOUT输出32.768 kHz的时钟。当FOE为逻辑低电平时，FOUT为高阻态。

8 节点设备的时钟校正

在整个无线采集网络中，主节点是唯一的网络数据处理和网络维护设备。主节点设备对硬件成本的要求不高,假定主节点设备的时钟是精准的,那么相对于从节点，主节点的时钟误差忽略不计。

图6 从节点设备结构框图

从节点大多对功耗和成本有极高的要求，因此只能采用低成本的无源晶振。无源晶振的精度受温度的影响较大，必须进行校正。RX8025T芯片在全温区(-40～85 ℃)具有±5×10-6的误差精度，如果通过8025T芯片输出的32.768 kHz信号对单片机的时钟进行校正，就可以保证单片机自身的时钟在全温区也达到±5×10-6的误差精度。从节点设备结构框图如图6所示。

从节点内部的单片机负责整个设备的运算和控制。单片机通过功能模块实现设备的数据采集和控制功能。温度传感器负责采集当前的环境温度；8025T负责提供实时时钟和32.768 kHz的校准时钟；无线模块负责设备的无线通讯。从节点的时钟校时主要是通过单片机、8025T和温度传感器来实现的，时钟校正流程图如图7所示。

图7 时钟校正流程图

9 无线采集网络的节点容量

无线采集网络的节点容量受三个要素约束:一是数据采集的周期，即主节点发起一次数据采集的时间间隔；二是从节点上传数据时，由从节点发送数据第一个字节开始，到从节点接收主节点应答的最后一个字节结束；三是时段值的大小。无线采集网络的节点容量与节点上传数据用时负相关，与数据采集的周期、时段值正相关。其约束关系如下：

(1)

数据采集周期≥时段值×节点容量

(2)

以数据采集周期为12小时，时段值为1 s，从节点上传数据用时600 ms为例，任意两个从节点的最大时钟误差是基准误差的两倍，即5×10-6×2=10-5，由式(1)可得节点容量为40 000个；由式(2)可得节点容量≤43 200个。综合来看，这个无线采集网络的节点容量为40 000个。

结 语

崔永旭(中级工程师)，主要研究方向为电力电子、嵌入式设备开发。