基于MCU和nRF905的低功耗遠(yuǎn)距離無線傳輸系統(tǒng)

　　4.2 跳頻機(jī)制

　　為避免信道阻塞，系統(tǒng)采用了二進(jìn)制指數(shù)退避算法[5]隨機(jī)延時(shí)一段時(shí)間再發(fā)送數(shù)據(jù)，有效地避免了同頻道下的數(shù)據(jù)沖突。除此之外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了跳頻機(jī)制以有效地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

　 　跳頻機(jī)制的基本原理是將頻段分為一系列的通道，發(fā)送端查找預(yù)先設(shè)定的頻率列表，以偽隨機(jī)方式產(chǎn)生通信頻道及發(fā)射前導(dǎo)碼，發(fā)射前導(dǎo)碼的時(shí)間應(yīng)確保接收機(jī)可 以掃描所有的通道[6]。接收端以一定的跳頻序列掃描，在某一通道上，接收端收到完整的前導(dǎo)碼則收發(fā)雙方頻率同步。一旦完成頻率捕獲，發(fā)送端與接收端即可 識別對方，并且相互通信。發(fā)送端和接收端的跳頻過程示意圖分別如圖4(a)和圖4(b)所示。

本系統(tǒng)設(shè)定了5個(gè)隨機(jī)頻道，當(dāng)跳頻次數(shù)hop大于5后認(rèn)為通信失敗。由于同時(shí)采用了重發(fā)和退讓機(jī)制，收發(fā)雙方并不需要同時(shí)跳入隨機(jī)頻道，系統(tǒng)具有一定的容錯(cuò)性。通常一定時(shí)間內(nèi)干擾只在某個(gè)頻段存在，只要將5個(gè)通信頻道拉開一段頻距，即可有效抵制干擾。

5 系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中MSP430完成初始化后，處于低功耗工作模式，在有外部事件發(fā)生時(shí)喚醒進(jìn)入中斷服務(wù)程序，完成后重新進(jìn)入低功耗模式。如此循環(huán)往復(fù)，可以最大限度地降低功耗。所以系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是射頻芯片nRF905的控制。nRF905在接收狀態(tài)時(shí)功耗比較大，工作電流為10mA左右，所以應(yīng)盡量使 nRF905 處于休眠狀態(tài)。對于下層節(jié)點(diǎn)模塊，當(dāng)上層基站模塊需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先發(fā)送喚醒碼。本系統(tǒng)使用0xCC作為喚醒碼，即主機(jī)連續(xù)發(fā)送0xCC，從機(jī)收到連續(xù)兩個(gè)0xCC后即保持接收狀態(tài)而不進(jìn)入休眠。如果兩個(gè)周期內(nèi)沒有收到有效數(shù)據(jù)幀的幀頭，則視為雜波干擾，重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。如此設(shè)定之后，nRF905的平均工作電流可降至200?滋A以下，整個(gè)模塊的平均工作電流在250?滋A以下，采用兩節(jié)電池供電可以使用一年以上。上層基站模塊作為主機(jī)，可主動(dòng)發(fā)起通信，所以等待時(shí)nRF905可一直工作在休眠狀態(tài)，整個(gè)模塊的平均工作電流在100μA以下，采用兩節(jié)電池供電可以使用一年半以上。

本文利用低功耗單片機(jī)MSP430和nRF905芯片設(shè)計(jì)了一種成本低、低功耗、抗干擾性強(qiáng)的遠(yuǎn)距離無線傳輸系統(tǒng)，給出了具體的硬件實(shí)現(xiàn)和獨(dú)特的通信協(xié)議。nRF905的高靈敏度為其提供了穩(wěn)定的傳輸距離，即使利用無增益的PCB天線其傳輸距離也可達(dá)300米，采用高增益的天線則可達(dá)到800米以上，可滿足不同客戶的需求。如果系統(tǒng)配以其他傳感器組則可以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用環(huán)境的無線數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理或遠(yuǎn)程監(jiān)控等，在很多領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。