短距離無線數(shù)據(jù)低功耗傳輸協(xié)議分析

針對短距離無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備因高功耗而限制了工業(yè)應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行了研究，采用信標(biāo)同步機制極大地降低了無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的功耗。

關(guān)鍵詞? 低功耗? 無線數(shù)據(jù)傳輸? 信標(biāo)? 時間同步? MC13213

??? 短距離無線數(shù)據(jù)傳輸是一種線纜替代技術(shù)，在當(dāng)前很多領(lǐng)域（如工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療監(jiān)護、科學(xué)研究等）都得到了廣泛的應(yīng)用。它的出現(xiàn)，解決了因環(huán)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(yōu)點。然而由于存在高功耗的缺點，使得這技術(shù)在很多供電受限的工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)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(shù)據(jù)的低功耗傳輸協(xié)議進行了研究，在保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)耐瑫r，極大地降低了設(shè)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(nèi)核，集成了1個SPI(Serial Peripheral Interface)接口、1個8路的8/10位A/D轉(zhuǎn)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(shè)計構(gòu)架符合IEEE 802.15.4協(xié)議；
??? ◆ 接收靈敏度<-92 dBm,發(fā)送功率為-28.7~+3.4 dBm可調(diào)；
??? ◆ 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(shù)字相移鍵控調(diào)制技術(shù)，大大降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率；
??? ◆ 采用免沖突的載波檢測多址接入(CSMACA)機制，避免了數(shù)據(jù)傳輸過程中的沖突。

2? 硬件系統(tǒng)設(shè)計

??? 如圖1所示，整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由4部分組成：RS232/485總線接口單元、數(shù)據(jù)處理單元、射頻收發(fā)單元和電源管理單元。

圖1? 短距離無線數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

??? 一方面，PC/儀器儀表通過RS232/485總線將數(shù)據(jù)傳送給MCU處理器，處理器將數(shù)據(jù)包進行適當(dāng)處理后送給射頻模塊發(fā)送出去；另一方面，射頻模塊將接收到的數(shù)據(jù)送給MCU處理器，處理器經(jīng)過解包處理后再通過RS232/485總線將數(shù)據(jù)送給PC/儀器儀表。

??? 工業(yè)中的儀器儀表大多都采用RS485總線通信方式，因此無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)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(diào)。

3? 軟件設(shè)計和低功耗通信協(xié)議研究

??? 無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的一般工作流程如圖2所示。在進行相關(guān)初始化之后就進入主循環(huán)，對射頻模塊和串口進行輪詢： 當(dāng)射頻模塊接收到數(shù)據(jù)包時就進行解包，然后送到RS232/485總線；當(dāng)串口接收到從RS232/485總線上發(fā)來的數(shù)據(jù)時，就進行相關(guān)處理并送入射頻模塊發(fā)送出去。這種輪詢的方式結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便。

圖2? 短距離無線傳輸設(shè)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(jiān)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(shè)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(yè)應(yīng)用顯然是不能夠接受的。為了降低無線傳輸設(shè)備的功耗，需要對設(shè)備之間的傳輸協(xié)議作適當(dāng)?shù)母倪M。

??? 由于在大部分的時間里設(shè)備之間沒有進行數(shù)據(jù)傳輸，因此射頻模塊一直處于接收狀態(tài)是一種資源浪費。而設(shè)備本身不知道對方何時有數(shù)據(jù)傳輸過來，因此設(shè)備之間約定在特定的時間段內(nèi)進行數(shù)據(jù)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(biāo)同步機制：一個設(shè)備定時發(fā)送一個稱為“信標(biāo)(Beacon)”的數(shù)據(jù)包，即信標(biāo)幀。另一個設(shè)備通過接收該信標(biāo)幀來實現(xiàn)同步。我們將發(fā)送信標(biāo)幀的設(shè)備稱為“主設(shè)備”，接收信標(biāo)幀的設(shè)備稱為“從設(shè)備”。通過信標(biāo)幀，即可實現(xiàn)從設(shè)備和主設(shè)備之間的同步。

??? 在該協(xié)議中，有3種類型的數(shù)據(jù)包：信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)請求幀和數(shù)據(jù)幀。信標(biāo)幀和數(shù)據(jù)幀的幀頭包含有是否有數(shù)據(jù)待傳的信息。

??? 實現(xiàn)同步之后，主設(shè)備和從設(shè)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(guān)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(tài)，只有串口處于接收狀態(tài)。休眠時間結(jié)束后，主設(shè)備就會醒來，并且射頻模塊向外發(fā)送信標(biāo)幀。信標(biāo)發(fā)送完后，射頻模塊立即進入接收狀態(tài)。從設(shè)備從休眠中醒來后立即喚醒射頻模塊進行信標(biāo)偵聽，當(dāng)接收到主設(shè)備發(fā)送過來的信標(biāo)后，就會判斷主設(shè)備是否有數(shù)據(jù)待傳。如果有，就向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)請求幀；否則，從設(shè)備就會將自己串口接收到的數(shù)據(jù)通過射頻模塊發(fā)送給主設(shè)備，直到數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束進入下一個周期的休眠時間（Tsleep）。主設(shè)備接收并處理從設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，并通過數(shù)據(jù)幀的幀頭判斷是繼續(xù)等待還是進入下一周期的休眠時間。當(dāng)主、從設(shè)備都沒有數(shù)據(jù)需要進行傳輸時，從設(shè)備接收到信標(biāo)后直接進入下一周期的休眠時間，而主設(shè)備等待Twait后沒有收到從設(shè)備的任何數(shù)據(jù)，也會進入下一個周期的休眠時間。在這種情況下，由于從設(shè)備會比主設(shè)備早休眠Twait的時間，因此從設(shè)備的休眠時間為Twait+Tsleep。另外為了防止失去同步，從設(shè)備醒來后就將射頻模塊設(shè)置為接收狀態(tài)，直到接收到信標(biāo)幀，或者超時繼續(xù)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(shè)備N次都沒有收到信標(biāo)幀，可以認(rèn)為周圍沒有主設(shè)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(shè)備軟件流程

??? 經(jīng)過該協(xié)議優(yōu)化后，主、從設(shè)備在一個周期內(nèi)的工作狀態(tài)如圖4所示。

??? 改進前的平均工作電流：

圖4? 改進前后主從設(shè)備無數(shù)據(jù)傳輸時一個周期內(nèi)的工作狀態(tài)

??? 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(shè)備工作電流

??? 其中：

??? 射頻模塊接收狀態(tài)時的工作電流IRF(Rx)≈37 mA；
??? 射頻模塊發(fā)送狀態(tài)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(fā)送1個數(shù)據(jù)包需要的最大時間Td≈4 ms。

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

4? 實驗結(jié)果和總結(jié)

??? 采用了低功耗的傳輸協(xié)議后，在Tsleep分別為200 ms、500 ms和1 s情況下，無數(shù)據(jù)傳輸和每10 s互傳一個數(shù)據(jù)包時測量得到的電流如表1所列?？梢?，采用了低功耗的傳輸協(xié)議后在保證了數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定傳輸?shù)耐瑫r，大大降低了設(shè)備的功耗。休眠時間Tsleep 增大，功耗就會下降，同時數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r性就會增加。而且當(dāng)只有從設(shè)備在工作時，Tsleep太長反而會增大從設(shè)備的功耗。一般地，只有滿足：

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