利用NRF24L01 实现设备的网格状无线互联

2020-06-02郑蓓林赵克安

化工自动化及仪表 2020年2期

刘军郑蓓林黄萍赵克安

（1.浙江中控自动化仪表有限公司；2.杭州职业技术学院）

在物联网时代，各个设备之间实现互联、相互通信已经成为一种必然趋势。目前市场上的物联技术，远距离的可以采用运营商布设的NB-IoT网络，中距离的可以采用Lora 无线方案，短距离的可以采用WiFi、蓝牙及RFID 等互联方案。笔者讨论一种超低成本、简单便捷，在场区范围内的无线物联方案。

1 NRF24L01 简介

NRF24L01 是一款工作在2.4～2.5GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片，3.3V 供电。该芯片可通过SPI 接口配置126 个1Mbit/s 速率的频点，或者63 个2Mbit/s 速率的频点，SPI 的最大速率可达10Mbit/s。最大发射功率0dB 时供电电流30mA，最大通信距离为可视100m，稳定收发距离10m。加上功放芯片，最大发射功率可达20dB，此时供电电流250mA，最大通信距离为可视1 000m，稳定收发距离100m。芯片可设6 个物理地址，可提供6 个通道单独通信。每个通道具有CRC 校验功能、自动应答和自动重发功能。自动延迟重发的时间与次数可自由配置。每帧最大为32 字节，拥有3 级缓存，可以通过SPI 接口查询寄存器状态后接收数据。

2 组网方案

NRF24L01 的6 个通道的物理地址都有5 个字节的长度，其中前两个自由分配，其余4 个地址的前4 个字节必须与第2 个地址的前4 个字节相同。这样，把第1 个通道地址留作他用，第2个通道地址作为本网格的广播接收地址，其前4个字节也可以作为本网格的网格号，最后一个字节定为255 （0xFF）。假如网格号为【0xC2、0xC2、0xC2、0xC2】，则第2 个通道物理地址为【0xC2、0xC2、0xC2、0xC2、0xFF】。第3～6 通道的物理地址分别设为【0xC2、0xC2、0xC2、0xC2、0x00】【0xC2、0xC2、0xC2、0xC2、0x01】【0xC2、0xC2、0xC2、0xC2、0x02】【0xC2、0xC2、0xC2、0xC2、0x03】。除了广播地址，每个节点可以分到4 个不同的地址，这样依次按顺序分配，整个网格可以有63 个节点。规定地址末位为0、4、8、……，逻辑方向向左；地址末位为1、5、9、……，逻辑方向向下；地址末位为2、6、10、……，逻辑方向向右；地址末位为3、7、11、……，逻辑方向向上，形成如图1 所示的网格网络。网格外围的32 个地址为无效地址，规定图1 所示相邻的地址相互通信。要实现网格内节点能相互通信，需把所有节点设在同一个频点上。

3 路由设计

为了避免网格内节点无线信号的相互干扰，首先关闭自动应答与自动重发功能，以令牌的方式进行数据传输［1］。设定如下路由规则：每个节点按“左-下-右-上”的顺序尝试连接，传递发送的数据包；边缘节点无效地址的方向不进行连接尝试；本节点接收或发出的通道不再收发同一数据包，最后发送通道只接收盲端退回的同一数据包；已被遍历的节点拒绝接收非退回的数据包。例如图1 中的地址为31 的通道所在节点发起访问，发送数据到地址为63 的通道，按上述路由规则，其路由过程如图2 所示。遍历所有节点，最终到达终点。如果终点返回应答数据，则按同样的路由规则由终点发往起点。

图1 网格逻辑设计

图2 网格路由

在实际工程中，各节点不会按图1 所示顺序安装，但逻辑上还是可以按图1 的顺序来进行路由，但可能存在路由被撕裂的情况。按笔者的路由规则，只要不被完全撕裂，形成孤岛，还是可以遍历到每一个节点。图3 所示为被撕裂情况下的路由过程。如果终点是图中的A点或B点，只要数据包被退回到C点时就可以遍历到A点或B点了。

图3 被撕裂情况下的路由

本网格型网络总连接数63×4-32=220 个。最坏情况，数据包被退回两次，一次发送一次退回，再次发送与退回，连接次数220×4=880。NRF24L01 进入发射状态需要10μs，切换回接收状态需要130μs，共140μs。设置连接超时1ms，则最坏遍历时间为（1+0.14）×880=1003.2ms，故本方案具有较高的实用性。