短距離無線數據低功耗傳輸協議分析

針對短距離無線數據傳輸設備因高功耗而限制了工業應用這一問題，本文基于Freescale公司的MC13213硬件平臺，對其低功耗的數據傳輸協議進行了研究，采用信標同步機制極大地降低了無線數據傳輸設備的功耗。

關鍵詞? 低功耗? 無線數據傳輸? 信標? 時間同步? MC13213

??? 短距離無線數據傳輸是一種線纜替代技術，在當前很多領域（如工業生產、醫療監護、科學研究等）都得到了廣泛的應用。它的出現，解決了因環境和條件限制而不利于有線布線的問題，同時具有低成本、方便攜帶等優點。然而由于存在高功耗的缺點，使得這技術在很多供電受限的工業現場應用中受到了很大的限制。本文基于Freescale公司的MC13213硬件平臺對短距離無線數據的低功耗傳輸協議進行了研究，在保證數據可靠傳輸的同時，極大地降低了設備的功耗。

1? 主要芯片介紹

??? MC13213是Freescale公司推出的一款SoC芯片，它主要由微處理器和射頻模塊兩部分組成。微處理器采用8位的HCS08內核，集成了1個SPI(Serial Peripheral Interface)接口、1個8路的8/10位A/D轉換器、2個TPM(Timer/PWM)模塊、2個SCI(Serial Communication Interface)接口、2個I2C和1個8路的KBI(Keyboard Interrupt)接口。射頻模塊的工作頻段是2.4 GHz，通過SPI總線與處理器通信。其主要特點有：

??? ◆ 采用2.4 GHz頻段，其設計構架符合IEEE 802.15.4協議；
??? ◆ 接收靈敏度<-92 dBm,發送功率為-28.7~+3.4 dBm可調；
??? ◆ 擁有0～15(共16)個可選工作信道；
??? ◆ 采用直接序列擴頻（direct sequence spread spectrum）的二進制編碼方式，增強了抗干擾能力；
??? ◆ 采用OQPSK數字相移鍵控調制技術，大大降低了數據傳輸的誤碼率；
??? ◆ 采用免沖突的載波檢測多址接入(CSMACA)機制，避免了數據傳輸過程中的沖突。

2? 硬件系統設計

??? 如圖1所示，整個系統硬件結構由4部分組成：RS232/485總線接口單元、數據處理單元、射頻收發單元和電源管理單元。

圖1? 短距離無線數據傳輸模塊硬件結構圖

??? 一方面，PC/儀器儀表通過RS232/485總線將數據傳送給MCU處理器，處理器將數據包進行適當處理后送給射頻模塊發送出去；另一方面，射頻模塊將接收到的數據送給MCU處理器，處理器經過解包處理后再通過RS232/485總線將數據送給PC/儀器儀表。

??? 工業中的儀器儀表大多都采用RS485總線通信方式，因此無線數據傳輸設備提供RS232/485可選通信接口，既方便連接PC機，又滿足了一般儀器儀表的要求，串口波特率為1 200～115 200 bps可調。

3? 軟件設計和低功耗通信協議研究

??? 無線數據傳輸設備的一般工作流程如圖2所示。在進行相關初始化之后就進入主循環，對射頻模塊和串口進行輪詢： 當射頻模塊接收到數據包時就進行解包，然后送到RS232/485總線；當串口接收到從RS232/485總線上發來的數據時，就進行相關處理并送入射頻模塊發送出去。這種輪詢的方式結構簡單，實現方便。

圖2? 短距離無線傳輸設備軟件流程

??? 然而，在這種工作方式下，射頻模塊就必須時刻監聽信道。在2.7? V工作電壓、處理器時鐘頻率為2 MHz時，MC13213的射頻模塊接收工作電流IRF(Rx)≈37 mA，處理器以及外圍器件的工作電流Imcu≈2 mA，因此設備的正常工作電流I≈39 mA，這個電流對于一些供電受限的工業應用顯然是不能夠接受的。為了降低無線傳輸設備的功耗，需要對設備之間的傳輸協議作適當的改進。

??? 由于在大部分的時間里設備之間沒有進行數據傳輸，因此射頻模塊一直處于接收狀態是一種資源浪費。而設備本身不知道對方何時有數據傳輸過來，因此設備之間約定在特定的時間段內進行數據傳輸，而其余時間休眠。

??? 這樣一種約定需要一種同步機制。我們采用信標同步機制：一個設備定時發送一個稱為“信標(Beacon)”的數據包，即信標幀。另一個設備通過接收該信標幀來實現同步。我們將發送信標幀的設備稱為“主設備”，接收信標幀的設備稱為“從設備”。通過信標幀，即可實現從設備和主設備之間的同步。

??? 在該協議中，有3種類型的數據包：信標幀、數據請求幀和數據幀。信標幀和數據幀的幀頭包含有是否有數據待傳的信息。

??? 實現同步之后，主設備和從設備之間就約定進入休眠時間（Tsleep）。在休眠期間射頻模塊深度睡眠(雖然關閉射頻模塊后功耗會更低，但喚醒時間太長)，處理器處于超低功耗狀態，只有串口處于接收狀態。休眠時間結束后，主設備就會醒來，并且射頻模塊向外發送信標幀。信標發送完后，射頻模塊立即進入接收狀態。從設備從休眠中醒來后立即喚醒射頻模塊進行信標偵聽，當接收到主設備發送過來的信標后，就會判斷主設備是否有數據待傳。如果有，就向主設備發送數據請求幀；否則，從設備就會將自己串口接收到的數據通過射頻模塊發送給主設備，直到數據發送結束進入下一個周期的休眠時間（Tsleep）。主設備接收并處理從設備發送的數據幀，并通過數據幀的幀頭判斷是繼續等待還是進入下一周期的休眠時間。當主、從設備都沒有數據需要進行傳輸時，從設備接收到信標后直接進入下一周期的休眠時間，而主設備等待Twait后沒有收到從設備的任何數據，也會進入下一個周期的休眠時間。在這種情況下，由于從設備會比主設備早休眠Twait的時間，因此從設備的休眠時間為Twait+Tsleep。另外為了防止失去同步，從設備醒來后就將射頻模塊設置為接收狀態，直到接收到信標幀，或者超時繼續進入休眠。這個超時閾值至少為Tsleep，從而保證了重新同步。如果從設備N次都沒有收到信標幀，可以認為周圍沒有主設備，因此可以進行一次長時間的休眠Thibernate。具體流程如圖3所示。

圖3? 低功耗改進后的主、從設備軟件流程

??? 經過該協議優化后，主、從設備在一個周期內的工作狀態如圖4所示。

??? 改進前的平均工作電流：

圖4? 改進前后主從設備無數據傳輸時一個周期內的工作狀態

??? 改進后的平均工作電流：

表1? 2.7 V工作電壓下測得的主、從設備工作電流

??? 其中：

??? 射頻模塊接收狀態時的工作電流IRF(Rx)≈37 mA；
??? 射頻模塊發送狀態時的工作電流IRF(Tx)≈30 mA；
??? 射頻模塊深度睡眠的工作電流IRF(sleep)≈35 μA；
??? 處理器正常工作電流Imcu≈2 mA；
??? 處理器休眠工作電流Imcu(sleep)≈5 μA；
??? 射頻模塊發送1個數據包需要的最大時間Td≈4 ms。

??? 因此，當Twait=5 ms，Tsleep=200 ms時，I后（主）≈1.58 mA，I后（從）≈0.79 mA。遠小于改進前的I前≈39 mA。

4? 實驗結果和總結

??? 采用了低功耗的傳輸協議后，在Tsleep分別為200 ms、500 ms和1 s情況下，無數據傳輸和每10 s互傳一個數據包時測量得到的電流如表1所列。可見，采用了低功耗的傳輸協議后在保證了數據可靠、穩定傳輸的同時，大大降低了設備的功耗。休眠時間Tsleep 增大，功耗就會下降，同時數據傳輸的延時性就會增加。而且當只有從設備在工作時，Tsleep太長反而會增大從設備的功耗。一般地，只有滿足：

才能保證主設備不工作時，從設備功耗不會增加。上式中N表示多次未收到信標就進行一次Thibernate的長時間休眠。在實際應用中可以根據需要找到最優點。