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基于短距离无线传输的CSMA/CA协议实现方法
摘要:   本文中CSMA/CA协议的实现基于MCl3213芯片。构建了1个小型ZigBee通信系统,仅使用了MCl3213的物理层无线收发功能和内嵌单片机,所以本算法实现也可以移植到433 MHz通信等其他短距离无线通信系统中。
Abstract:
Key words :

  本文中CSMA/CA協議的實現基于MCl3213芯片。構建了1個小型ZigBee通信系統,僅使用了MCl3213的物理層無線收發功能和內嵌單片機,所以本算法實現也可以移植到433 MHz通信等其他短距離無線通信系統中。
  1 MCl3213芯片及通信小系統
  MCl3213集成了1個符合IEEE 807.15.4協議的2.4 GHz收發器和飛思卡爾公司的低電壓低功耗HCS08單片機核心,并帶有嵌入式閃存、UART接口、低壓中斷和鍵盤中斷等功能。MCl3213支持專用點到點、簡單星形和MUSH網絡,以及采用Figure 8 Wireless Z-stack的符合ZigBee標準的網絡。
  本設計只使用了MCl3213的1個串口,連接電腦或者傳感器,用于從電腦接收需要通過無線發送的數據,并把無線接收到的數轉發到電腦。
  (1)數據發送
  數據發送主程序的流程如圖1所示。


  (2)CSMA_MAC協議及3次重發的實現
  流程如圖2所示。

  (3)無線接收數據至串口的實現
  流程如圖3所示。

  2 無線狀態轉換圖
  程序上電初始化后,第一次的無線狀態為INITIAL_STATE初始化狀態。初始化狀態后,無線模塊進入RX_STATE接收狀態,將模塊的接收天線打開。而后進入WAITING_FOR_ACK等待狀態,等待接收無線數據。當接收到無線數據時,根據WT_Txbuffer0_Flag來判斷此時接收到的數據幀為ACK還是數據幀:如果WT_Txbuffer0_Flag=0xff,則說明此時接收到的數據幀為ACK,進入WAITING_ACK處理,處理完畢,無線模塊重新進入RX_STATE接收狀態;如果WT_Txbuffer0_Flag=0x00,則說明此時接收到的數據為無線發送來的數據幀,進入GOOD_PACKET好包狀態,處理完畢,無線模塊重新進入RX_STATE接收狀態。
  無線狀態轉換圖如圖4所示。

  3 實現協議的關鍵
 ?、俅跀祿目截?。為保存串口接收到的數據幀,并為以后能區分緩存不同的數據幀,設計了能緩存4個數據幀的緩存空間。在接收到串口的數據幀時,跟原來直接處理數據的做法不同,新的程序中,首先將數據存在緩存區中,如果緩存區滿,則不再保存新的數據幀。
  ②串口緩存區數據幀的處理順序。按照接收到數據的先后順序進行處理。
 ?、垭S機退避的處理。由于MCl3213不僅需要發送數據和接收數據,還需要與串口進行通信,此處隨機退避采用中斷方式,當退避時間到時,置退避時間完成標志位,而后進入隨機退避完成的處理過程。
 ?、軣o線數據幀3次重發的實現。DATA類型的數據如果發送不成功,需要有3次重傳機制,實現過程與之前有很大不同。當數據發送成功后,在一定的時間內等待ACK,如果沒有接收到ACK,則判斷是否重傳3次。
  若未到3次,置重傳標志位,重傳數據幀,否則丟棄此幀。隨機退避次數大于最大退避次數時,同樣判斷是否重傳3次:若未到3次,置重傳標志位,重傳數據幀,否則丟棄此幀。在此幀數據沒有發送成功,并且重傳次數未到時,不處理之后的數據幀,保證重傳的數據幀是需要重傳的數據幀。
 ?、轃o線模塊的狀態切換。為了保證無線模塊狀態切換的時序沒有錯誤,防止由于無線模塊狀態切換而導致的嚴重問題,在CSMA_MAC協議實現過程中,無論對無線模塊進行了什么操作,最終都需要把無線模塊的狀態置為RX_STATE,打開無線模塊的接收天線。
 ?、薮跀祿?次重發的實現。DATA類型的數據幀發送完成后,如果在一定的時間內未收到ACK,將對數據進行重發,直至收到ACK;或者重發超過3次,丟棄此幀。
  4  測試結果
  在我們搭建的一個無線定位小系統測試中,定位節點與定位卡通信,工作正常;兩個定位節點之間的通信,定位節點收發狀態正常,工作正常;定位節點將接收到的定位卡的數據幀轉發至PC上,經過定位算法處理后,定位誤差在2 m范圍之內。
  結  語
  本文基于ZigBee基帶芯片實現了簡單的CSMA/CA協議,同時也適用于其他短距離無線通信系統。筆者已經在1套433 MHz定位系統中使用了同一協議,收到了良好的效果。本文介紹實現的只是基本的CSMA/CA協議,在應用于不同的無線通信系統中時,可以根據系統的特點再加以改進,就可以達到更好的無線通信效果。
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