短距离无线数据低功耗传输协议研究

 短距离无线数据传输是一种线缆替代技术，在当前很多领域（如工业生产、医疗监护、科学研究等）都得到了广泛的应用。它的出现，解决了因环境和条件限制而不利于有线布线的问题，同时具有低成本、方便携带等优点。然而由于存在高功耗的缺点，使得这技术在很多供电受限的工业现场应用中受到了很大的限制。本文基于 Freescale公司的MC13213硬件平台对短距离无线数据的低功耗传输协议进行了研究，在保证数据可靠传输的同时，极大地降低了设备的功耗。

1  主要芯片介绍

    MC13213是Freescale公司推出的一款SoC芯片，它主要由微处理器和射频模块两部分组成。微处理器采用8位的HCS08内核，集成了1个 SPI(Serial Peripheral Interface)接口、1个8路的8/10位A/D转换器、2个TPM(Timer/PWM)模块、2个SCI(Serial Communication Interface)接口、2个I2C和1个8路的KBI(Keyboard Interrupt)接口。射频模块的工作频段是2.4 GHz，通过SPI总线与处理器通信。其主要特点有：

    ◆ 采用2.4 GHz频段，其设计构架符合IEEE 802.15.4协议；
    ◆ 接收灵敏度<-92 dBm,发送功率为-28.7~+3.4 dBm可调；
    ◆ 拥有0～15(共16)个可选工作信道；
    ◆ 采用直接序列扩频（direct sequence spread spectrum）的二进制编码方式，增强了抗干扰能力；
    ◆ 采用OQPSK数字相移键控调制技术，大大降低了数据传输的误码率；
    ◆ 采用免冲突的载波检测多址接入(CSMACA)机制，避免了数据传输过程中的冲突。

2  硬件系统设计

    如图1所示，整个系统硬件结构由4部分组成：RS232/485总线接口单元、数据处理单元、射频收发单元和电源管理单元。

图1  短距离无线数据传输模块硬件结构图

    一方面，PC/仪器仪表通过RS232/485总线将数据传送给MCU处理器，处理器将数据包进行适当处理后送给射频模块发送出去；另一方面，射频模块将接收到的数据送给MCU处理器，处理器经过解包处理后再通过RS232/485总线将数据送给PC/仪器仪表。

    工业中的仪器仪表大多都采用RS485总线通信方式，因此无线数据传输设备提供RS232/485可选通信接口，既方便连接PC机，又满足了一般仪器仪表的要求，串口波特率为1 200～115 200 bps可调。

3  软件设计和低功耗通信协议研究

    无线数据传输设备的一般工作流程如图2所示。在进行相关初始化之后就进入主循环，对射频模块和串口进行轮询：当射频模块接收到数据包时就进行解包，然后送到RS232/485总线；当串口接收到从RS232/485总线上发来的数据时，就进行相关处理并送入射频模块发送出去。这种轮询的方式结构简单，实现方便。

图2  短距离无线传输设备软件流程

    然而，在这种工作方式下，射频模块就必须时刻监听信道。在2.7  V工作电压、处理器时钟频率为2 MHz时，MC13213的射频模块接收工作电流IRF(Rx)≈37 mA，处理器以及外围器件的工作电流Imcu≈2 mA，因此设备的正常工作电流I≈39 mA，这个电流对于一些供电受限的工业应用显然是不能够接受的。为了降低无线传输设备的功耗，需要对设备之间的传输协议作适当的改进。

    由于在大部分的时间里设备之间没有进行数据传输，因此射频模块一直处于接收状态是一种资源浪费。而设备本身不知道对方何时有数据传输过来，因此设备之间约定在特定的时间段内进行数据传输，而其余时间休眠。

    这样一种约定需要一种同步机制。我们采用信标同步机制：一个设备定时发送一个称为“信标(Beacon)”的数据包，即信标帧。另一个设备通过接收该信标帧来实现同步。我们将发送信标帧的设备称为“主设备”，接收信标帧的设备称为“从设备”。通过信标帧，即可实现从设备和主设备之间的同步。

    在该协议中，有3种类型的数据包：信标帧、数据请求帧和数据帧。信标帧和数据帧的帧头包含有是否有数据待传的信息。

    实现同步之后，主设备和从设备之间就约定进入休眠时间（Tsleep）。在休眠期间射频模块深度睡眠(虽然关闭射频模块后功耗会更低，但唤醒时间太长)，处理器处于超低功耗状态，只有串口处于接收状态。休眠时间结束后，主设备就会醒来，并且射频模块向外发送信标帧。信标发送完后，射频模块立即进入接收状态。从设备从休眠中醒来后立即唤醒射频模块进行信标侦听，当接收到主设备发送过来的信标后，就会判断主设备是否有数据待传。如果有，就向主设备发送数据请求帧；否则，从设备就会将自己串口接收到的数据通过射频模块发送给主设备，直到数据发送结束进入下一个周期的休眠时间（Tsleep）。主设备接收并处理从设备发送的数据帧，并通过数据帧的帧头判断是继续等待还是进入下一周期的休眠时间。当主、从设备都没有数据需要进行传输时，从设备接收到信标后直接进入下一周期的休眠时间，而主设备等待Twait后没有收到从设备的任何数据，也会进入下一个周期的休眠时间。在这种情况下，由于从设备会比主设备早休眠 Twait的时间，因此从设备的休眠时间为Twait+Tsleep。另外为了防止失去同步，从设备醒来后就将射频模块设置为接收状态，直到接收到信标帧，或者超时继续进入休眠。这个超时阈值至少为Tsleep，从而保证了重新同步。如果从设备N次都没有收到信标帧，可以认为周围没有主设备，因此可以进行一次长时间的休眠Thibernate。具体流程如图3所示。

图3  低功耗改进后的主、从设备软件流程

    经过该协议优化后，主、从设备在一个周期内的工作状态如图4所示。

    改进前的平均工作电流：

图4  改进前后主从设备无数据传输时一个周期内的工作状态

    改进后的平均工作电流：

表1  2.7 V工作电压下测得的主、从设备工作电流

    其中：

    射频模块接收状态时的工作电流IRF(Rx)≈37 mA；
    射频模块发送状态时的工作电流IRF(Tx)≈30 mA；
    射频模块深度睡眠的工作电流IRF(sleep)≈35 μA；
    处理器正常工作电流Imcu≈2 mA；
    处理器休眠工作电流Imcu(sleep)≈5 μA；
    射频模块发送1个数据包需要的最大时间Td≈4 ms。

    因此，当Twait=5 ms，Tsleep=200 ms时，I后（主）≈1.58 mA，I后（从）≈0.79 mA。远小于改进前的I前≈39 mA。

4  实验结果和总结

    采用了低功耗的传输协议后，在Tsleep分别为200 ms、500 ms和1 s情况下，无数据传输和每10 s互传一个数据包时测量得到的电流如表1所列。可见，采用了低功耗的传输协议后在保证了数据可靠、稳定传输的同时，大大降低了设备的功耗。休眠时间 Tsleep 增大，功耗就会下降，同时数据传输的延时性就会增加。而且当只有从设备在工作时，Tsleep太长反而会增大从设备的功耗。一般地，只有满足：

才能保证主设备不工作时，从设备功耗不会增加。上式中N表示多次未收到信标就进行一次Thibernate的长时间休眠。在实际应用中可以根据需要找到最优点。