一種基于對等網絡的433 MHz頻段無線傳輸方案的設計*

鄧 芳，李 冰，董 乾

(1.無錫科技職業學院 電子技術學院，江蘇 無錫 214000；2.東南大學 微電子學院，江蘇 南京 210018)

一種基于對等網絡的433MHz頻段無線傳輸方案的設計*

鄧 芳1，李 冰2，董 乾2

(1.無錫科技職業學院 電子技術學院，江蘇 無錫 214000；2.東南大學 微電子學院，江蘇 南京 210018)

基于433 MHz頻段設計了一套無線傳輸解決方案，實現了一種基于對等網絡的無主機信息共享系統。本方案中通過移交主機權的方式實現了廣播發射機乃至信號覆蓋區域的自適應切換，最終使所有節點都完整地接收到數據包。方案中每個節點均使用FPGA為主芯片，經系統測試，在100 mW以內的發射功率下，每個節點覆蓋半徑可達100 m，傳輸速率最高可達8 kb/s。本設計提供了一種網絡式的數據傳輸方式，有良好的應用價值。

433 MHz頻段；無主機；無線傳輸；FPGA

0 引言

隨著無線網絡的普及，2.4 GHz和433 MHz頻段作為載體被越來越多的無線傳輸的解決方案或協議使用，然而WiFi、藍牙、ZigBee[1]等均在2.4 GHz頻段，不可避免地，2.4 GHz頻段變得逐漸擁擠，設備之間的通信越來越容易受到同頻干擾[2-3]。而在我國可以直接使用433 MHz頻段設計窄帶傳輸系統，該頻段屬于可免申請使用的頻段，還有一定的發展空間。

2.4 GHz和433 MHz兩個頻段相比較：2.4 GHz頻段傳輸速率大，防碰撞好，抗干擾能力強，穿透性差，通信距離近，更適合移動環境的應用；433 MHz頻段傳輸距離遠，穿透性強，通信距離遠，抗干擾能力弱。因此，433 MHz頻段的設備能夠用于建立密集建筑物或較高樓群內的窄帶網絡通信[4]。一般433 MHz無線傳輸設備遵循發射功率小于1 W的規定[5]，免于對同頻段的其他設備和系統造成干擾。另外，433 MHz射頻解決方案價格低廉，功耗很低，被廣泛用于無線抄表[6-7]、物聯網節點[8-10]、環境監控[11-12]等應用場景的通信。尤其是，433 MHz頻段可以用于進行點對點或小范圍廣播傳輸，可以在各終端設備之間進行通信，不需要額外架設基站，大大提升了傳輸系統的靈活性。

本文旨在提供一種網絡式的數據傳輸方式，實現一種基于對等網絡(Peer-to-Peer Netwok)的無主機信息共享系統，選擇基于433 MHz頻段設計了一套無線傳輸解決方案。為了提高系統的靈活性、可擴展性和安全性，系統中的每個節點都使用FPGA作為主芯片，所有的邏輯全部使用基于硬件描述語言(Hardware Description Language， HDL)的硬件電路實現。

1 無線傳輸系統方案

1.1 通信協議

本文所述的433 MHz頻段無線傳輸系統采用如圖1所示的分層傳輸協議。其中，物理層由數字基帶和射頻電路構成，主要負責攜帶信息的數字量與使用433 MHz載波進行調制的無線信號之間的相互轉換。數據鏈路層、傳輸層和應用層均由數字電路構成，應用層負責提供與外部交互的接口；傳輸層用于把待發送數據分塊，并封裝成數據包的形式，或把接收到的數據包進行拆包組合，生成完整的數據流；數據鏈路層用于監控系統狀態、檢查接收數據完整性、切換系統中節點的工作狀態以及控制發送速率。

圖2 設計的系統無線傳輸示意圖

圖1 433 MHz無線傳輸系統協議棧

由于433 MHz頻段的開放性，數據傳輸并不限定于一種固有的傳輸協議。本文所述的無線傳輸系統使用一種輪換主機的廣播式方案。傳輸系統中的每個收發節點具有完全相同的結構，在不同的時刻可以分別充當廣播主機或接收從機的角色，在當前主機廣播發送完信息后，會廣播問詢數據包；接收到問詢的從機將返回一個響應數據包，其中包含當前從機的序列號、信號質量、數據更新標志以及數據完整性標志；當前主機根據接收到的返回包內容，選中移交對象并發送移交數據包，通知對象從機切換為主機模式，并將自己切換為從機模式；每個發送循環結束后，只要返回包表明有從機節點完整接收了全部數據，則進行一次主機權限移交，否則，不變更主機再進行一次發送循環。

如圖2(a)所示，某時刻，節點1被激活，作為主機廣播發送數據包，在信號覆蓋范圍內，有節點2、3、5、6共四個從機接收數據，在完成一輪完整的數據發送過程后，節點2、3、6均接收到了所有的數據包，并緩存在內部。但是，由于節點5與主機之間的距離較遠，信號不穩定，導致接收到的數據不完整，有一部分數據包丟失。完成發送后，節點1主機發送問詢包，然后根據各節點返回包的數據完整性信息和接收信號強度，將主機權限移交給與節點5返回信號強度最接近的節點6。如圖2(b)所示，節點6作為主機時，節點1已有全部數據，只有節點4、5作為從機接收數據包。當節點6發送問詢包時，節點1、4、5都會發送返回包。假設節點4、5都正確接收了所有數據。如圖2(c)所示，在節點6將主機權限交給信號強度最弱的節點1時，節點1再次作為主機發送數據，由于范圍內的節點都已擁有全部數據，而返回包攜帶的信息指出信號最弱的節點剛好是上一次移交權限的主機，于是將主機權限移交給當前信號次弱的節點3。如圖2(d)所示，當節點3作為主機時，將數據廣播傳遞給節點8，如果節點8接收到全部的數據，則返回包指示數據已全部接收，由于此時廣播范圍內只有一個主機，于是節點3將主機權限交給節點8。傳輸系統在沒有新的待發送數據輸入的情況下，始終保持一個主機廣播數據，多個從機接收的狀態，從而保證傳輸中途進入廣播區域的節點也能完整地接收到數據包廣播信息。

因為系統由多個節點構成，且主機權在各節點之間交換，所以系統的設計要考慮如下三種特殊情形的處理。

(1)信道競爭。在各個節點發送返回包的過程中，不可避免地會出現信道競爭，即多個從機節點同時試圖向信道發送數據包，導致信道無法正常發送數據。所以，本文所述的無線傳輸系統中的每個節點都具備信道退避功能，在主機節點廣播問詢包時，包內攜帶時間同步信息，所有接收到問詢包的從機節點都會進行一次與主機節點之間的時間同步。從機發送返回包同樣使用廣播方式，發送返回包的時間相對于同步時間之間的延遲隨機為0～1 024 ms，主機節點將等待1 024 ms來接收返回包，如果兩個或兩個以上的從機節點的延遲時間恰好相同，則這些節點的返回包將被忽略。

(2)數據更新。如果要發送一組新的數據包，只需要使用串行接口(UART)接駁到系統中的某一個節點上，然后向該節點發送更新數據。該節點在接收到更新數據后，首先會判斷自身是否已是主機，如果是主機，則在完成當前一輪的數據傳輸后，不移交主機權限，發送更新指令給各從機節點，然后開始傳輸新數據。否則，當前節點不是主機，則等待下一次接收到詢問包時，向主機返回數據更新標志，主機接收到該標志后，將主機權限移交給該節點，使更新后的數據開始在網絡中傳輸。

(3)新節點加入。系統中的節點數量可以隨時變化，新節點加入的時機是不確定的。如果新節點在主機廣播數據包過程中加入到廣播區域，則新節點直接當作從機接收數據，第一輪接收的數據不完整，不會在下一輪被移交主機權；如果新節點在主機移交過程中加入，響應主機詢問包的返回包內攜帶的數據完整性標志是無效的，此時也不會被移交主機權。總的來說，即使有新的節點加入到系統中，也不會影響系統的工作狀態。

1.2 節點電路結構

無線傳輸系統中的每個節點使用Xilinx公司的Spartan 3E系列FPGA作為主芯片，其內部包含1.9萬個邏輯單元(Slice)、28個硬件乘法器(MUL)、28個18 KB高速內嵌靜態存儲器(BRAM)模塊、8個數字時鐘管理器(DCM)，足以實現大部分復雜邏輯。無線射頻端采用Silicon Labs公司的SI4463芯片作為收發器。SI4463是一款支持4GFSK調制模式的高性能低功耗射頻收發器，其無線信號的空中速率可調范圍為0.123 kb/s～1 Mb/s，發射功率最大可達20 dBm，足夠實現433 MHz無線收發功能。

節點的收發邏輯和數據處理均使用數字電路實現，其基本框圖如圖3所示。其中，FPGA內部邏輯電路包括主控模塊、收發模塊、分包模塊、組包模塊以及數據先進先出隊列(FIFO)。收發模塊使用串行時序信號配置射頻芯片的寄存器，使射頻芯片可以在發送和接收兩種工作模式之間進行切換，并實現調整射頻信號的調制參數、傳輸速率、發射功率等狀態。分包模塊用于在當前節點作為主機時，把待發送數據流分成固定尺寸的數據塊，并加入數據長度、包類型、包編號、主機序列號、校驗和等信息封裝成數據包，傳輸給射頻芯片調制發射。組包模塊用于在當前節點作為從機時，從射頻芯片讀取數據，并按照從中分離出有效數據，組合成連續的數據流。數據FIFO在當前節點是主機時，用于緩存待發送數據流；當前節點是從機時，用于緩存來自射頻芯片的數據包。

圖3 無線傳輸系統節點基本框圖

射頻芯片中包含多個控制和狀態寄存器，其內部結構如圖4所示。FPGA通過串行外設總線(Serial Peripheral Interface，SPI)的nSEL、SDI、SCLK信號線向芯片內部寄存器中寫入數據，實現對芯片收發參數的控制以及待發送數據包的轉移。或通過nSEL、SDO、SCLK信號線從芯片內部讀出數據，實現收發狀態以及已接收數據包的讀取。SI4463芯片中包含兩組最大容量為64 B的數據FIFO，其發送和接收數據的端口被分別映射為地址0x66和0x77的兩組可讀可寫寄存器，發送和接收數據包的流程如圖5所示。

圖4 SI4463射頻芯片內部結構

圖5 接收和發送數據流程圖

圖5(a)中，首先通過SPI總線SDI信號線向射頻芯片串行發送接收FIFO映射寄存器地址0x77，并立即讀取SDO總線上的數據，如果返回串行數據為0xFF，則代表成功尋址到0x77寄存器，可以進行后續的數據讀取操作；然后，發送0xFF值到SDI，并同時讀取SDO的返回值，該值為接收FIFO中的有效數據長度；讀取到FIFO中數據長度后，進行多次發送0xFF和讀取返回值的循環，每個循環將數據長度自減一，直到數據長度為0，代表所有數據均已讀出，結束讀FIFO過程。

圖5(b)中，首先發出發送FIFO的映射寄存器地址0x66；待接收到0xFF返回值后，發送需要寫入到FIFO中的數據總長度；然后進行多個發送數據和驗證返回值的循環，直到所有待發送數據全部被寫入到發送FIFO中。接收和發送FIFO的空滿標志位、數據計數等信息可以通過0x15寄存器讀出，在每次對射頻芯片進行數據相關的操作時，應先讀取0x15寄存器，判斷FIFO中是否有空位寫入數據，或是否已緩存了有效數據供讀取，防止FIFO溢出。

2 系統測試與性能

由于本文所述的無線傳輸系統中的每個通信節點都具有完全相同的結構，因此只要驗證了兩個以上節點構成的網絡可以正常通信，即可證明該無線傳輸系統的可行性。所以，測試過程主要從信號的覆蓋和數據的傳輸角度進行。由于本文所述的無線傳輸系統可以收發任意形式的數據流，為了方便測試，使用通用計算機作為數據源，通過串口將數據流傳送給傳輸平臺的某個節點，經由無線傳輸系統廣播傳送后，在其他的節點上通過串口接收并存入另一個上位機的磁盤。在傳輸完成后，對發送和接收的數據進行對比，計算丟失的數據包總數，驗證無線傳輸過程的可靠性。另外，由于系統中每個節點擁有完全等價的功能，為了測試節點的實際信號覆蓋范圍和傳輸速率，測試的過程中使用了兩個節點進行文件傳輸測試。

無線傳輸的可配置參數包含信號空中速率、頻率偏移、發射功率。衡量傳輸性能的參數包括傳輸距離、穿透能力、傳輸速率、信號強度(RSSI)、丟包率。測試結果如表1所示。

表1 無線節點傳輸距離測試

3 結論

通過移交主機權的方式實現了廣播發射機乃至信號覆蓋區域的自適應切換，最終使所有節點都完整地接收所有數據包。該系統不需要建立專門的發射基站，在需要傳輸新數據時通過有線連接的方式將數據交給系統中的任意一個節點，通過主機轉移的機制，即可實現數據的傳播。在100 mW以內的發射功率下，每個節點在阻擋較少時的覆蓋半徑可達100 m以上，即使阻擋較多，也能達到近50 m的覆蓋半徑，傳輸速率最高可達8 kb/s，足以傳輸對帶寬需求不高的數據流。測試結果表明，本文所述的433 MHz頻段的無線傳輸系統具備可行性。

測試結果也顯示出該無線傳輸系統有一些待改進的方面，比如，在空中速率設置得過高時，會導致有效傳輸距離明顯降低，丟包率上升，穿透能力顯著下降等。上述缺陷的主要原因在于目前采用的433 MHz射頻芯片使用普通的GFSK調制方式，且芯片發射功率有限，難以提升傳輸性能。然而，隨著射頻芯片制造工藝的提升，433 MHz收發芯片的性能正按照摩爾定律逐漸發展和提高，該問題將來也一定會得到比較好的解決。

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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

鄧芳，李冰，董乾.一種基于對等網絡的433 MHz頻段無線傳輸方案的設計[J].微型機與應用，2017,36(20)：71-74，79.

江蘇省產業研究院產業重大原創性技術創新項目(B02015009)

2017-03-27)

鄧芳(1981-)，女，碩士研究生，講師，主要研究方向：電子與通信工程。

李冰(1968-)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向：大數據云計算。

董乾(1982-)，男，博士研究生，工程師，主要研究方向：高效數據處理硬件算法設計與驗證。