一種基于時分多址原理的新型無線采集網絡

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(北京智芯微電子科技有限公司, 北京 100192)

引 言

隨著物聯網技術的不斷發展，越來越多的傳感器系統被接入無線網絡，為構建智慧城市添磚加瓦。在眾多網絡傳感應用中，有大量設備具有位置固定、采集周期恒定、數據傳輸量小的特點(如水表、燃氣表、溫度計、濕度計等)。這類設備如果使用傳統的無線組網方案(如GPRS)，勢必會增加設備的硬件成本和運營成本，還會造成公共基站的資源浪費。本文通過對一種簡化的“時分多址”組網方法的研究，和廣大讀者共同探討大容量數據采集網絡的低成本方案。

1 什么是時分多址

簡單來說，時分多址技術就是將通信信道的工作時間，按照一定的規則劃分成若干個時間段。網絡中不同設備節點分別獨占一個時間段進行通信，網絡中的所有設備節點，在不同的時間段完成數據傳輸工作，共同使用整個通信信道。時分多址技術對單一頻譜的利用率較高，對頻率資源占用很小，由于網絡內的設備節點工作在同一頻點，接收機和發射機的設計相對簡單。時分多址技術對時鐘同步的要求很高，往往有一套很復雜的時鐘同步機制。本文中描述的基于RX8025T芯片的無線采集網絡只是借用了時分多址技術的思想，通過高精確度的實時時鐘芯片來實現信道的分時復用。

2 網絡拓撲結構

鑒于一對多的數據采集式應用場景，無線采集網絡采用的是典型的星型網絡結構。主節點承擔整個網絡時標基準的建立，接收從節點傳回的數據，維護整個網絡的運行；從節點負責數據的采集，并將采集的數據傳送給主節點；一個網絡中只有一個主節點；從節點只能與主節點通信，從節點之間不能通信。無線網絡拓撲結構圖如圖1所示。

圖1 無線網絡拓撲結構圖

3 無線采集網絡的主要網絡參數

無線采集網絡的主要網絡參數有時段值、時間同步周期、節點地址等。

① 時段值。時段值是指無線采集網絡分割成的時間片段的大小。該參數控制著單個從節點能夠占用無線網絡的時間長短。

② 時間同步周期。時間同步周期是指主節點進行網絡時間同步的周期。從節點需要根據時間同步周期定時地從休眠狀態切換到工作狀態，對自身的時鐘進行同步。

③ 節點地址。節點地址是無線采集網絡中所有設備的唯一標識。從節點通過節點地址確定主節點，并根據自身的節點地址計算其占用的通信時段。

4 主節點的幀種類

4.1 時間同步幀

時間同步幀是由主節點根據時間同步周期定時發起的，在整個網絡內進行廣播發送的時間同步指令。該帖包含時標數據和數據采集標識。時標數據供網絡中的從節點設備進行時鐘同步；數據采集標識用來發起一次數據采集。當從節點檢測到數據采集標識后，會按照自身的通信時段進行數據傳輸，時間同步幀結構如下所示：

幀頭廣播地址時標數據數據采集標識幀尾

4.2 數據確認幀

數據確認幀是主節點收到從節點發送的數據之后的應答幀,該幀可包含主節點下發給從節點的指令數據。其中，從節點地址為目標從節點的節點地址；主節點幀號為主節點當前發送的數據幀的幀號；從節點幀號為當前數據確認幀應答的數據幀幀號；指令數據為主節點發送給從節點的指令信息。數據確認幀格式如下：

幀頭從節點地址主節點幀號從節點幀號指令長度指令數據幀尾

5 從節點的幀種類

數據幀是從節點在其所屬的時間段內發送給主節點的數據信息。該幀包含了從節點的采集數據信息和上一次指令完成的狀態信息。數據幀結構如下：

幀頭主節點地址從節點幀號主節點幀號采集數據指令完成標識幀尾

6 無線采集網絡的工作方式

6.1 正常校時

圖2 正常校時流程

當主節點不需要從節點上傳數據時，主節點需要每隔一定時間(時間同步周期)進行一次廣播校時，從節點只需要接收校時指令進行本地校時，不需要進行應答。正常校時流程圖如圖2所示。

6.2 校時并抄讀數據

當主節點需要抄讀數據時，需要在時間同步幀中的數據采集標識里進行標記。從節點在收到一個指令時段值的時間后，開始進行數據上傳。按節點地址由小到大的順序，每隔一個時段值，一個從節點進行數據上報。主節點收到上報數據后給予應答。上報與應答的時間不超過一個時段值。校時并抄讀數據流程圖如圖3所示。

圖3 校時并抄讀數據流程圖

6.3 校時、抄讀數據并下發指令

當主節點發送“數據確認幀”增加了指令數據時，從節點收到該幀后，需要額外執行相應的指令，并在下次抄讀數據時傳送指令執行狀態信息。校時、抄讀數據、發送指令流程圖如圖4所示。

圖4 校時、抄讀數據、發送指令流程圖

7 RX8025T實時時鐘芯片

RX8025T芯片是在電力設備中廣泛應用的一款實時時鐘芯片,它具有寬工作電壓、超低功耗、無外圍器件、晶振時鐘可輸出，全溫度范圍(-40～85 ℃)時鐘誤差為±5×10-6等優點。RX8025T芯片的生產商以日本愛普生為代表，國內也有如上海貝嶺等廠家生產。由于RX8025T芯片應用廣泛，目前在低功耗領域中具有相當大的價格優勢。RX8025T芯片的通信接口為I2C總線，應用時除總線上拉電阻和電源退耦電容外，不需要其他外圍器件。RX8025T芯片應用電路圖如圖5所示。

圖5 RX8025T芯片應用電路圖

圖中，R6、R7為I2C總線的上拉電阻；C12為芯片電源的退耦電容；FOUT引腳為32.768 kHz的時鐘輸出腳；FOE為時鐘輸出控制引腳。當FOE為邏輯高電平時，FOUT輸出32.768 kHz的時鐘。當FOE為邏輯低電平時，FOUT為高阻態。

8 節點設備的時鐘校正

在整個無線采集網絡中，主節點是唯一的網絡數據處理和網絡維護設備。主節點設備對硬件成本的要求不高,假定主節點設備的時鐘是精準的,那么相對于從節點，主節點的時鐘誤差忽略不計。

圖6 從節點設備結構框圖

從節點大多對功耗和成本有極高的要求，因此只能采用低成本的無源晶振。無源晶振的精度受溫度的影響較大，必須進行校正。RX8025T芯片在全溫區(-40～85 ℃)具有±5×10-6的誤差精度，如果通過8025T芯片輸出的32.768 kHz信號對單片機的時鐘進行校正，就可以保證單片機自身的時鐘在全溫區也達到±5×10-6的誤差精度。從節點設備結構框圖如圖6所示。

從節點內部的單片機負責整個設備的運算和控制。單片機通過功能模塊實現設備的數據采集和控制功能。溫度傳感器負責采集當前的環境溫度；8025T負責提供實時時鐘和32.768 kHz的校準時鐘；無線模塊負責設備的無線通訊。從節點的時鐘校時主要是通過單片機、8025T和溫度傳感器來實現的，時鐘校正流程圖如圖7所示。

圖7 時鐘校正流程圖

9 無線采集網絡的節點容量

無線采集網絡的節點容量受三個要素約束:一是數據采集的周期，即主節點發起一次數據采集的時間間隔；二是從節點上傳數據時，由從節點發送數據第一個字節開始，到從節點接收主節點應答的最后一個字節結束；三是時段值的大小。無線采集網絡的節點容量與節點上傳數據用時負相關，與數據采集的周期、時段值正相關。其約束關系如下：

(1)

數據采集周期≥時段值×節點容量

(2)

以數據采集周期為12小時，時段值為1 s，從節點上傳數據用時600 ms為例，任意兩個從節點的最大時鐘誤差是基準誤差的兩倍，即5×10-6×2=10-5，由式(1)可得節點容量為40 000個；由式(2)可得節點容量≤43 200個。綜合來看，這個無線采集網絡的節點容量為40 000個。

結 語

崔永旭(中級工程師)，主要研究方向為電力電子、嵌入式設備開發。