基于PIC單片機的無線數據傳輸系統設計

程　坤，朱　勇，趙劍楠，張來源

(黑龍江大學 電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

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基于PIC單片機的無線數據傳輸系統設計

程坤，朱勇，趙劍楠，張來源

(黑龍江大學 電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

針對于有線通信布線繁瑣以及通信故障不易檢查等問題，立足于無線技術的高效性和便捷性，運用硬件與軟件相結合的方式，提出了基于PIC單片機的無線數據傳輸系統設計方法。所設計的無線數據傳輸系統具有實現雙PC機間的數據傳輸功能。設計分析與測試結果表明，基于PIC單片機的無線數據傳輸系統穩定性更強、可擴展性更全面，并使得短距離無線通信質量增強，為提高網絡通信的傳輸可靠性提供了新的解決方案。

PIC單片機；無線通信；通信質量；可靠性

0　引言

隨著科技的進步和社會的發展，人們期望能夠隨時隨地、不受地域和時空的限制，進行信息的交流。如今各種各樣的智能控制系統也同樣需要依賴于信息的傳輸來實現各自的功能[1]。與有線傳輸相比，無線傳輸不需要傳輸線纜，并且施工簡單，成本低廉，其突出的優點在各領域應用極為廣泛，如：無線數據采集、智能家居、無線抄表、精準農業等。短距離無線通信具備如下特征：① 成本低；② 功耗低；③ 對等通信[2]。由于是短距離無線通信，所以在“距離”被限制這一缺點上也就轉變為它所具備低功耗的優點[3]。

1　無線數據傳輸系統的硬件電路設計

1.1系統工作原理

該系統分為無線收發電路和單片機控制電路兩部分，即主機與從機，每當主機發送命令時，從機都會執行相應的指令[4]。系統框圖如圖1所示，從圖中可看出，這兩部分系統發送與接收主要是通過天線進行無線通信的。

圖1　無線數據收發系統原理框圖

1.2系統硬件結構

通過自行繪制電路原理圖和PCB板，搭建硬件結構。PC與單片機通過USB轉串口進行傳輸數據的，而單片機與無線模塊直接采用串口通信，當JN5168模塊接收到數據準備發送時，會與周圍設備進行配對，認證成功后，對方設備即可接收JN5168模塊所發送的數據[5]。

2　軟件程序的設計與實現

2.1底層驅動程序的開發

本系統采用IEEE 802.15.4標準，在Eclipse開發環境下進行底層驅動程序的開發[6]。

2.1.1信道設置

根據IEEE 802.15.4標準中的物理層定義，有3個載波頻段可以收發數據，本設計選擇的是2 400～2 483.5 MHZ頻段，此頻段定義了16個信道，標號為11～26號信道。中心頻率如下：F=2405+5(k-11)MHz，k=11，12，...，26，式中：k為信道編號，可從11～26號進行選擇，F為每個信道對應的中心頻率。本文采用如下代碼進行設置上述定義：

Dri_RFSetChannel(USIGN8 usChannel)

{

USIGN16 f,

USIGN8 fH_L,fTmep;

If((ucChannel > 26)||(ucChannel < 11))return;

phyCurrentChannel=ucChannel;

f=2405 + 5*(ucChannel-11);

f=f-2048;

fTmep =FSCTRLH;

Tmep=fTmep & 0xfc;

fH_L=*((USIGN8*)&f + 1);

fH_L=fH_L | fTmep;

FSCTRLH=fH_L;

fH_L=*((USIGN8*)&f);

FSCTRLL=fH_L;

}

2.1.2網絡地址設置與網絡號設置

(a)網絡地址設置

{

SHORTADDRL=*addr;

SHORTADDRH=*(addr + 1);

}

(b)網絡號設置

50例患者經治療結合有效的護理干預后,29例患者顯效,19例患者有效,治療總有效率達96%;43例患者對護理表示滿意,護理滿意度達86%。

Dri_RFSetPanID(USIGN8* panid)

{

PANIDL=*panid;

PANIDH=*(panid + 1);

}

2.2點對點通信設計

在無線傳感器網絡被應用以前，傳統的參考網絡是7層結構[7]。如果從應用層面而言，網絡結構基本是由工作站和服務器組成；從傳輸層和網絡層面而言，這2個部分沒有具體本質上的區別，它們只不過是一臺連接到網絡的機器而已[8]。如果從局域網的角度來闡述以上觀點，點對點通信就是2個工作站可以不經過服務器的中轉而直接通信，不論是協調器節點與終端節點之間，還是協調器與路由節點之間均是如此[9]。在WSN中的對等通信，要比傳統網絡上的對等通信簡單。此系統的運行通過以下代碼實現，通過調用其API函數，完成整個工作流程。

PUBLIC void AppColdStart(void)

{

/* Disable watchdog if enabled by default */

#ifdef WATCHDOG_ENABLED

vAHI_WatchdogStop();

#endif

/*初始化協調器 */

vCrd_Init();

/*運行主函數 */

while(1)

{

/*運行系統程序*/

vProcessEventQueues();

}

}

2.3上位機軟件設計

上位機應用程序開發使用的工具為Microsoft Visual Studio 2012[10]，此方案中通過數據是否被接收來驗證點對點的通信，流程圖如圖2所示。

圖2　點對點通信流程圖

3　系統測試與性能分析

3.1整體系統穩定測試

由于無線通信環境的不確定行，應用在各種各樣的環境下都是有可能的，且在不同環境下的傳輸效果也不相同，比如說外界的干擾、人體的影響、建筑的阻礙以及路徑的損耗都會對測試結果產生一定的干擾[11]。因此在系統驗證時，選擇以下場所分別進行測試：

① 當周圍物體較多時，將無線收發模塊距離地面約1.5 m高，最佳通信距離為8～10 m；接收靈敏度為2～3 s；當發送端發送“黑大歡迎您！”這段文字后，接收端能夠準確無誤地顯示這幾個字符。

② 當選擇空曠的場地時，無線收發模塊距離地面同樣約1.5 m高時，最佳通信具體為12～13 m;接收靈敏度為1～2 s；當發送端發送“黑大歡迎您！”這段文字后，接收端能夠準確無誤地顯示這幾個字符。

3.2系統丟包率測試

實驗中選擇的是一個比較空曠的場地，從距離0開始，發送器與接收器以每次增加2 m的距離進行通信，直到距離滿20 m為止，每個距離上每隔3 min發射一個數據幀，接收器如果接收到的數據不完整則說明存在丟包的現象，丟包率定義為丟失字節與完整數據幀字節數的比值[12]。通過測試，數據總結如表1所示，對傳輸距離與丟包率擬合曲線關系如圖3所示。

表1　測試距離與丟包率數據關系

圖3　丟包率曲線擬合

由圖3驗證可得到的結論為：① 丟包率與測試距離是呈正比的，它會隨測試距離的增加而增加；② 當無線設備需要應用在較遠的傳輸距離上，需要選擇一款發射功率較大的無線模塊，以防止數據的丟失與傳輸的延遲；③ 當使用無線模塊傳輸數據時，周圍的某些物體會對傳輸質量產生一定的干擾。

4　結束語

隨著集成電路和射頻技術的發展，無線通信技術被應用在許多領域，原因是其功能的實現更容易，傳輸數據的速度更快，甚至可以達到與有線網絡相媲美的水平。因此，對于無線通信的研究是國內發展的一個方向。本文提出了基于PIC單片機無線數據傳輸系統的設計，MCU選取的是PIC16F系列單片機，而無線傳輸模塊的選取恩智浦(NXP)公司推出的JN5168模塊。硬件方面自行繪制電路板，完成硬件電路的搭建；軟件方面編寫上位機軟件程序完成視圖界面操作。最終通過軟件與硬件的聯調，完成整個系統的測試與評估。測試結果表明，在正常無遮擋、無障礙物影響的環境下，通信質量穩定可靠；隨著通信距離的增加，系統的丟包率在逐漸上升；如果想增加通信距離，則可以改變無線模塊的發射功率。未來的研究將進一步提高通信質量、增加通信距離，并利用無線通信技術將生活變得智能化，為后續通信技術的發展提供新的思路。

[1]李方敏.無線傳感器網絡中結合丟包率和RSSI的自適應區域定位算法[J].通信學報,2011(9):18-19.

[2]LI Jing.Based on ZigBee Wireless Sensor Network Design [J].Electronic Components Applications,2011,9(12):54-58.

[3]張和平.淺析短距離無線通信技術[J].天津科技,2012(2):12-13.

[4]陰俊生.智能配網終端通信系統的研究[D].濟南:山東大學,2010.

[5]楊玉紅.入式低功耗無線傳感器網絡的探求[J].計算機光盤軟件與應用,2010(9):24-26.

[6]馬曉棟.無線通信板的開發與設計[J].科技創新導報,2011(2):8-9.

[7]Manini D.Transient Analysis of IEEE 802.15.4 Sensor Network[J].IEEE Transactions On Wireless Communications,2011,10(4):1165-1175.

[8]Watanabe A T Y,Nied A.Zigbee MAC Wireless Network Implementation Using a Remote Virtual Interface[J].IEEE Latin America Transactions,2012,10(2):1511-1517.

[9]Zhu J.Stability of a Peer-to-Peer Communication System[J].IEEE Transactions On Information Theory,2012,58(7):4693-4713.

[10]司海飛.基于IEEE802.15.4標準的無線傳感器網絡組網設計[J].金陵科技學院學報,2011(3):3-8.

[11]徐合龍.無線傳感器網絡點對點通信設計與實現[J].西北民族大學學報,2009(3):9-12.

[12]Canali C.Enabling Efficient Peer-to-Peer Resource[J].IEEE Transac Tions On Mobile Computing,2010,9(3):333-347.

Design of Wireless Data Transmission System Based on PIC Microcontroller

CHENG Kun,ZHU Yong,ZHAO Jian-nan,ZHANG Lai-yuan

(School of Electronic Engineering,Heilongjiang University,Harbin Heilongjiang 150080,China)

Due to wiring trouble and communication issue difficult to check in wired communications,and high efficiency and convenience with wireless technology,a design of wireless data transmission system based on PIC microcontroller is proposed,combining hardware and software.Wireless data transmission system is designed with the function of data transfer between PCs.Design analysis and test results show that the design of wireless data transmission system based on PIC microcontroller has high stability and comprehensive extensibility,improving the quality of short-range wireless communications,and provides a novel solution to improve the transmission reliability of network communications.

PIC microcontroller;Wireless communication;Communication quality;reliability

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.09

引用格式：程坤，朱勇，趙劍楠,等.基于PIC單片機的無線數據傳輸系統設計[J].無線電通信技術,2016,42(5):35-37.

2016-05-06

程坤(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向：通信與信息處理。朱勇(1974—)，男，教授，主要研究方向：通信與信息處理。

TN911.7

A

1003-3114(2016)05-35-3