设计以NRF24L01为基础的智能家庭网络

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最后更新：2021-10-30 07:45:41 手机定位技术交流文章

引言

随着计算机、通信、自动控制和微电子技术的发展,无线遥感网络已成为目前的研究热点,在工业控制、环境监测和微电子发展方面有着重要的应用。智能住房。等等。特别是,智能家庭应用旨在发展由家庭安全保护系统、网络服务系统和家庭自动化系统组成的综合家庭服务和管理系统,目的是实现全面的安全保护,便利通信网络,提供舒适的生活环境。目前,正在开发智能家庭领域的两种应用。

Z-Wave是一种低成本、低功率、高可靠性、短程无线通信技术,以无线电频率为基础,数据传输率为9.6Kb/s,有效信号覆盖在30米的房间里和超过100米的外面;一个家庭网络最多可支持232个节点,足以满足正常的家庭需求。

根据IEE802.Fifteen.该协定的Zigbee技术是一个短距离通信标准,其特点是距离近、复杂程度低、自我组织、容量低、数据速度低。根据Zigbee协议标准,Zigbee网络可以容纳65536件设备,高带宽250Kb/s和高可靠性的跨节通信,加上Zigbee联盟开始采用这一标准,吸引了更多的制造商和研究机构研究Zigbee,使Zigbee成为智能家庭的一个共同国际标准。然而,Zigbee的装置费用相对较高,在智能家庭建立无线传感器网络需要大笔费用。

针对上述情况,这项工作雇用了2. 4GHz频率允许无线数据传输,选择的NRF24L01芯片在频带中频率较高,以解决家庭间干预问题,同时将低成本的STM8S103F3与智能节点结合起来,降低节点的成本,降低发展的复杂性。

1节点硬件设计

节点被归类为网关节点或一般节点:带有各种传感器的普通节点负责实时数据收集和网络建设;网关节点负责网络控制和数据汇总、分析和上传。图1描述了网关节点和一般节点的组织。

1.1MCU

STM8S103F3的用户调控频率为16 MHz CPU时16个,在闪存应用内容量为8KB,加上640B实际数据存储EEPROM和1KB RAM,同时有一个坚固的I/O功能,有16位高级控制计时器(TIM1)、SPI、I2C、UART、窗口犬、独立门犬、ADC、PWM计时器(TIM2)、8位计时器(TIM2)

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工作电压是功能模块的电压,如5GHz世界通用工业频率科的单一无线收发器芯片,一个芯片,包括晶体、功率放大器、频率合成器和调制解调器。 Nine-3.6V,最多可达125个频道,输出电力和通信渠道可通过软件设定。

nRF24L01与外部微控制器连接,通过SPI总线连接最多10兆字节/秒,数据传输最多2兆字节/秒。

芯片自动处理信头和 CRC 。只有所需的登记册必须配置, 才能将数据和接收地址传送到 nRF24L01, 后者自动完成数据包( 添加和 CRC 校准代码) 并发送数据; 收到数据后, nRF24L01 自动识别承运人, 并与地址匹配, 在收到正确数据后自动删除头、地址和 CRC 校准代码, 而 mcu 通过 SPI 读取数据。

通信协议的设计

2.1.1 网络地址的分配

节点的网络地址设定为 5 字节, 前 4 字节表示网络地址, 最后一个字节设定为网关节点 0, 传感器节点为 1 至 190, 亚网络地址为 191 至 254, 本地广播地址为 255。从理论上讲, 网络的 232 个部分可分组为单一部分, 包括网关节点、 190 个传感器节点和 44 个子网络。

2.2数据传输模式

在这一结构中使用个人、广播和广播数据传输模式;单一传输是指数据从网关节点传输到传感器节点,或从传感器节点传输到网关节点,是点对点通信;广播是指从网关节点通信到网络该地区的所有节点通信;集群是指数据从网关节点传输到传感器节点。

由于NRF24L01有六个接收地址,管道被配置为单一广播,NRF24L01的自反应和再反应功能被启用,管道1被配置为本地广播,管道2被配置为集体广播,在广播和广播期间自动反应和再反应功能被禁用。

2.3MAC层协议

CSMA/CA协议用于网络的MAC一级,以尽量减少节点发送和接收数据时的信仰冲突[3]。协议的目的是在发送框架之前与频道预约。图2说明了A-E节点的分布情况。第一个例子是,节点B、C和E属于A节点的无线信号覆盖范围,而D则不属于;第二个例子是,节点B、A和D属于B节点的无线信号覆盖范围,而另一个是B节点B、A和D属于B节点的无线信号覆盖范围。

图2显示了两个节点的分布情况。

其结果是,达成科多米阿/科多米卡协定的进程可能分成两节,每一节分别处理下文所列的两个困难。

首先,当节点 B 和节点 C 将数据传输到节点 A 时,它们会引发发送结束数据的冲突。一个解决办法是指定节点为通信前接收模式,使用 nRF24L01 的(CD) 函数来检测监听频道的繁忙性。如果您识别频道的繁忙性,节点会被随机延迟一段时间,如果您检测到频道的闲置性,节点不会立即发送,而是使用通知,当节点 B 和节点 C 将数据发送到节点 A 时,它们会引发发送结束数据的冲突。一个解决办法是指定节点为通信前接收模式,使用 nRF24L01 的(CD) 函数来检测监听频道的忙碌性。如果您识别频道的忙碌性,节点会被随机延迟一段时间,如果您检测到频道的闲置性,节点不会立即发送,而是被使用。

第二,当节点A和节点D将数据发送到节点B时,它们会在接受最终数据方面造成冲突,解决办法可能使用RTS/CTS/DATA/ACK握手方法。

频道接入在发送节点到达接收节点之前通过竞争手段获得,请求框架(请求发送、RTS)交付接收节点。

收到传送节点的RTS框架后,载有发送节点地址的RTS框架(cleartosend, CTS)在外部广播,在两个Add1C1L1之间建立通信联系。

如果发送节点收到CTS框架,数据框架DATA将转到接收节点;否则,RTS框架将再次发送。

数据对接收站收到传送节点的DATA框架后发出的ACK信息进行验证。

接收节点的ACK框架收到后,整个通信过程即告完成,如果未收到,数据将重新传送。

2.4差错控制

如果发生错误控制,该系统由数据再分配方法和有CRC核查的NRF24L01本身的NRF24L01组成。如果在交付RTS或DATA后,未在特定时间内收到节点的CTS或ACK,则在答复或重复达到设定值之前发送传输失败的新框架。此外, nRF24L01通过设置传送错误控制案件为CRC核查提供硬件支持,该系统由数据再分配方法和NRF24L01本身与CRC核查组成。如果在交付RTS或DATA后,没有在特定时间内收到来自节点的CTS或ACK,则在回复或重复达到设定值之前发送传输失败的新框架。此外, nRF24L01通过设置RF24L01为CRC核查提供硬件支持。

2.5数据帧格式

图3以经改进的SockBurstTM模式说明了NRF24L01的数据包结构。