基于nRF24L01的移动数据通讯网络设计

摘  要： 采用无线射频技术组建了移动数据通讯网络，详细介绍了移动数据终端的硬件、软件设计以及系统通讯协议，并利用时分技术和跳频技术保证了系统的稳定性和适应性。为短距离传输的小规模通讯网的组建提供了可靠的解决方案。
关键词： 无线通讯；移动数据终端；时分；跳频
       利用无线射频技术实现无线数据传输具有便捷、成本低、适合可移动设备等优点，特别适用于各种手持式仪器、仪表以及其他不便于布线的嵌入式系统。本文采用无线射频收发芯片nRF24L01组建了可以点对多点之间数据短距离传输的小规模通讯网，并利用时分技术和跳频技术使网内数据之间以及不同网络之间的数据传递互不干扰，保证了数据传递的可靠性。
1 系统基本结构
     移动数据通讯网络由移动数据终端、无线数据接收主机、数据处理主机三部分组成，如图1所示。移动数据终端与无线数据接收主机采用星形组网方式，构成点对多点的无线数据双向传输。无线数据接收主机与数据处理主机采用局域网连接，无线数据接收主机接收到的数据存入数据处理主机的数据库，并由数据处理主机进行处理。数据处理主机还可以通过无线数据接收机向移动数据终端发送数据，从而实现对移动数据终端的管理和控制。
     移动数据通讯网络也可以通过建立不同工作频率的子网络来进行扩展。图1中网络1内的移动数据终端和无线数据接收主机使用同一初始工作频率和跳频表，网络2使用与网络1不同的频率和跳频表，从而使两个网络内的通讯互不干扰。采用这种允许多个不同频率的网络同时进行通讯的扩展方式可以增加网络内移动数据终端的数量，缩短子网内数据接收主机的轮询时间，从而提高整个网络的工作效率。
   
   2 nRF24L01芯片特点和工作原理
     nRF24L01无线通讯芯片工作在2.4 GHz～2.52 GHz免许可证ISM频段，高效GFSK调制，抗干扰能力强；工作频率可分为125个信道，支持高速跳频，能够在全球无线市场畅通无阻。nRF2401支持多点间通讯，最高传输速率达1 Mb/s。同时nRF2401芯片能耗非常低，其工作电压为1.9 V～3.6 V，以0 dBm的功率、1 Mb/s的传输速率发射时，工作电流只有11.3 mA，接收时工作电流只有11.7 mA，待机模式下状态为22 ?滋A；掉电模式下为900 nA[1，2]。nRF24L01是目前体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片之一。
     nRF24L01一般常采用突发工作模式进行数据的收发。发射数据时, 首先将芯片配置为发射模式，并把发射地址和数据从微控制器送入nRF24L01片内的FIFO堆栈区。nRF24L01在发送数据时，自动给所发射数据加上字头、地址和CRC 校验码，然后高速发射。如果开启了芯片自动应答功能，则nRF24L01芯片在发射完数据后立即进入接收模式，以接收应答信号。如果收到应答，则此次通讯成功；如果未收到应答，则自动重新发射，若重发次数达到设定的上限，配置寄存器的MAX_RT位置高，表明通讯失败。
     nRF24L01接收数据时，需先配置为接收模式，延迟130 μs之后即进入接收状态。当nRF24L01接收到数据时，若检测到有效的地址和CRC校验码时，便自动把数据中字头和CRC校验码移去，并把有效数据包存储在接收堆栈中。如果自动应答开启，接收方同时进入发射状态回传应答信号。接收过程完成后，nRF24L01通知微控制器读取数据。
     nRF24L01射频协议可以通过SPI口对芯片的配置寄存器写入相应的配置字来体现。突发模式的配置字共有30 B，主要用于设置工作模式、传输数据宽度、地址宽度、地址、通道、发射频率、发射功率、CRC、工作状态、自动应答使能、自动重发的次数等。配置完成后，在nRF24L01工作的过程中，只需改变其REXN配置寄存器相应位的内容，就可以实现接收模式和发送模式之间的切换。
3 移动数据终端设计
3.1 移动数据终端硬件设计
     移动数据终端的系统硬件由单片机、nRF24L01无线射频模块、液晶显示模块、信息数据采集（包括采集传感器信号和按键信号）模块和电源模块组成。nRF24L01无线射频模块的外围电路如图2所示。nRF24L01无线射频模块与微控制器相连接的引脚有CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRO。CE决定是否允许收发信号。CSN为芯片内部SPI硬件接口的使能端，低电平有效，SCK为SPI的时钟输入端，MOSI为SPI接口的数据输入端，MISO为SPI接口的数据输出端，IRQ 为中断请求端，nRF24L01输出3 种中断请求：发送数据完成中断、接收数据完成中断和重发次数超限中断。这些引脚可以与3.3 V供电的微控制器的普通I/O口直接相连，对于5 V供电的微控制器，则需要串联2 kΩ的限流电阻。
   
   3.2 通讯协议的设计
     移动数据终端数据传输的可靠性是无线通讯系统必须要解决的问题。虽然nRF24L01内部通讯协议中的差错重传机制对接收的每个数据帧进行片内CRC校验，可以保证接收数据的正确性。但在多机无线数据通讯组网中，会因为网内多机通讯中多点接入冲突、不同网络间同频率干扰、以及其他应用电路和外界的噪声干扰，或者元器件老化导致的信号衰减等造成传输过程中数据丢失[3]。针对上述问题，可以分别通过制定合理的通讯协议进行解决。