基于PIC单片机的无线数据传输系统设计

程　坤，朱　勇，赵剑楠，张来源

(黑龙江大学 电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080)



基于PIC单片机的无线数据传输系统设计

程坤，朱勇，赵剑楠，张来源

(黑龙江大学 电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

针对于有线通信布线繁琐以及通信故障不易检查等问题，立足于无线技术的高效性和便捷性，运用硬件与软件相结合的方式，提出了基于PIC单片机的无线数据传输系统设计方法。所设计的无线数据传输系统具有实现双PC机间的数据传输功能。设计分析与测试结果表明，基于PIC单片机的无线数据传输系统稳定性更强、可扩展性更全面，并使得短距离无线通信质量增强，为提高网络通信的传输可靠性提供了新的解决方案。

PIC单片机；无线通信；通信质量；可靠性

0　引言

随着科技的进步和社会的发展，人们期望能够随时随地、不受地域和时空的限制，进行信息的交流。如今各种各样的智能控制系统也同样需要依赖于信息的传输来实现各自的功能[1]。与有线传输相比，无线传输不需要传输线缆，并且施工简单，成本低廉，其突出的优点在各领域应用极为广泛，如：无线数据采集、智能家居、无线抄表、精准农业等。短距离无线通信具备如下特征：① 成本低；② 功耗低；③ 对等通信[2]。由于是短距离无线通信，所以在“距离”被限制这一缺点上也就转变为它所具备低功耗的优点[3]。

1　无线数据传输系统的硬件电路设计

1.1系统工作原理

该系统分为无线收发电路和单片机控制电路两部分，即主机与从机，每当主机发送命令时，从机都会执行相应的指令[4]。系统框图如图1所示，从图中可看出，这两部分系统发送与接收主要是通过天线进行无线通信的。

图1　无线数据收发系统原理框图

1.2系统硬件结构

通过自行绘制电路原理图和PCB板，搭建硬件结构。PC与单片机通过USB转串口进行传输数据的，而单片机与无线模块直接采用串口通信，当JN5168模块接收到数据准备发送时，会与周围设备进行配对，认证成功后，对方设备即可接收JN5168模块所发送的数据[5]。

2　软件程序的设计与实现

2.1底层驱动程序的开发

本系统采用IEEE 802.15.4标准，在Eclipse开发环境下进行底层驱动程序的开发[6]。

2.1.1信道设置

根据IEEE 802.15.4标准中的物理层定义，有3个载波频段可以收发数据，本设计选择的是2 400～2 483.5 MHZ频段，此频段定义了16个信道，标号为11～26号信道。中心频率如下：F=2405+5(k-11)MHz，k=11，12，...，26，式中：k为信道编号，可从11～26号进行选择，F为每个信道对应的中心频率。本文采用如下代码进行设置上述定义：

Dri_RFSetChannel(USIGN8 usChannel)

{

USIGN16 f,

USIGN8 fH_L,fTmep;

If((ucChannel > 26)||(ucChannel < 11))return;

phyCurrentChannel=ucChannel;

f=2405 + 5*(ucChannel-11);

f=f-2048;

fTmep =FSCTRLH;

Tmep=fTmep & 0xfc;

fH_L=*((USIGN8*)&f + 1);

fH_L=fH_L | fTmep;

FSCTRLH=fH_L;

fH_L=*((USIGN8*)&f);

FSCTRLL=fH_L;

}

2.1.2网络地址设置与网络号设置

(a)网络地址设置

{

SHORTADDRL=*addr;

SHORTADDRH=*(addr + 1);

}

(b)网络号设置

50例患者经治疗结合有效的护理干预后,29例患者显效,19例患者有效,治疗总有效率达96%;43例患者对护理表示满意,护理满意度达86%。

Dri_RFSetPanID(USIGN8* panid)

{

PANIDL=*panid;

PANIDH=*(panid + 1);

}

2.2点对点通信设计

在无线传感器网络被应用以前，传统的参考网络是7层结构[7]。如果从应用层面而言，网络结构基本是由工作站和服务器组成；从传输层和网络层面而言，这2个部分没有具体本质上的区别，它们只不过是一台连接到网络的机器而已[8]。如果从局域网的角度来阐述以上观点，点对点通信就是2个工作站可以不经过服务器的中转而直接通信，不论是协调器节点与终端节点之间，还是协调器与路由节点之间均是如此[9]。在WSN中的对等通信，要比传统网络上的对等通信简单。此系统的运行通过以下代码实现，通过调用其API函数，完成整个工作流程。

PUBLIC void AppColdStart(void)

{

/* Disable watchdog if enabled by default */

#ifdef WATCHDOG_ENABLED

vAHI_WatchdogStop();

#endif

/*初始化协调器 */

vCrd_Init();

/*运行主函数 */

while(1)

{

/*运行系统程序*/

vProcessEventQueues();

}

}

2.3上位机软件设计

上位机应用程序开发使用的工具为Microsoft Visual Studio 2012[10]，此方案中通过数据是否被接收来验证点对点的通信，流程图如图2所示。

图2　点对点通信流程图

3　系统测试与性能分析

3.1整体系统稳定测试

由于无线通信环境的不确定行，应用在各种各样的环境下都是有可能的，且在不同环境下的传输效果也不相同，比如说外界的干扰、人体的影响、建筑的阻碍以及路径的损耗都会对测试结果产生一定的干扰[11]。因此在系统验证时，选择以下场所分别进行测试：

① 当周围物体较多时，将无线收发模块距离地面约1.5 m高，最佳通信距离为8～10 m；接收灵敏度为2～3 s；当发送端发送“黑大欢迎您！”这段文字后，接收端能够准确无误地显示这几个字符。

② 当选择空旷的场地时，无线收发模块距离地面同样约1.5 m高时，最佳通信具体为12～13 m;接收灵敏度为1～2 s；当发送端发送“黑大欢迎您！”这段文字后，接收端能够准确无误地显示这几个字符。

3.2系统丢包率测试

实验中选择的是一个比较空旷的场地，从距离0开始，发送器与接收器以每次增加2 m的距离进行通信，直到距离满20 m为止，每个距离上每隔3 min发射一个数据帧，接收器如果接收到的数据不完整则说明存在丢包的现象，丢包率定义为丢失字节与完整数据帧字节数的比值[12]。通过测试，数据总结如表1所示，对传输距离与丢包率拟合曲线关系如图3所示。

表1　测试距离与丢包率数据关系

图3　丢包率曲线拟合

由图3验证可得到的结论为：① 丢包率与测试距离是呈正比的，它会随测试距离的增加而增加；② 当无线设备需要应用在较远的传输距离上，需要选择一款发射功率较大的无线模块，以防止数据的丢失与传输的延迟；③ 当使用无线模块传输数据时，周围的某些物体会对传输质量产生一定的干扰。

4　结束语

随着集成电路和射频技术的发展，无线通信技术被应用在许多领域，原因是其功能的实现更容易，传输数据的速度更快，甚至可以达到与有线网络相媲美的水平。因此，对于无线通信的研究是国内发展的一个方向。本文提出了基于PIC单片机无线数据传输系统的设计，MCU选取的是PIC16F系列单片机，而无线传输模块的选取恩智浦(NXP)公司推出的JN5168模块。硬件方面自行绘制电路板，完成硬件电路的搭建；软件方面编写上位机软件程序完成视图界面操作。最终通过软件与硬件的联调，完成整个系统的测试与评估。测试结果表明，在正常无遮挡、无障碍物影响的环境下，通信质量稳定可靠；随着通信距离的增加，系统的丢包率在逐渐上升；如果想增加通信距离，则可以改变无线模块的发射功率。未来的研究将进一步提高通信质量、增加通信距离，并利用无线通信技术将生活变得智能化，为后续通信技术的发展提供新的思路。

[1]李方敏.无线传感器网络中结合丢包率和RSSI的自适应区域定位算法[J].通信学报,2011(9):18-19.

[2]LI Jing.Based on ZigBee Wireless Sensor Network Design [J].Electronic Components Applications,2011,9(12):54-58.

[3]张和平.浅析短距离无线通信技术[J].天津科技,2012(2):12-13.

[4]阴俊生.智能配网终端通信系统的研究[D].济南:山东大学,2010.

[5]杨玉红.入式低功耗无线传感器网络的探求[J].计算机光盘软件与应用,2010(9):24-26.

[6]马晓栋.无线通信板的开发与设计[J].科技创新导报,2011(2):8-9.

[7]Manini D.Transient Analysis of IEEE 802.15.4 Sensor Network[J].IEEE Transactions On Wireless Communications,2011,10(4):1165-1175.

[8]Watanabe A T Y,Nied A.Zigbee MAC Wireless Network Implementation Using a Remote Virtual Interface[J].IEEE Latin America Transactions,2012,10(2):1511-1517.

[9]Zhu J.Stability of a Peer-to-Peer Communication System[J].IEEE Transactions On Information Theory,2012,58(7):4693-4713.

[10]司海飞.基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络组网设计[J].金陵科技学院学报,2011(3):3-8.

[11]徐合龙.无线传感器网络点对点通信设计与实现[J].西北民族大学学报,2009(3):9-12.

[12]Canali C.Enabling Efficient Peer-to-Peer Resource[J].IEEE Transac Tions On Mobile Computing,2010,9(3):333-347.

Design of Wireless Data Transmission System Based on PIC Microcontroller

CHENG Kun,ZHU Yong,ZHAO Jian-nan,ZHANG Lai-yuan

(School of Electronic Engineering,Heilongjiang University,Harbin Heilongjiang 150080,China)

Due to wiring trouble and communication issue difficult to check in wired communications,and high efficiency and convenience with wireless technology,a design of wireless data transmission system based on PIC microcontroller is proposed,combining hardware and software.Wireless data transmission system is designed with the function of data transfer between PCs.Design analysis and test results show that the design of wireless data transmission system based on PIC microcontroller has high stability and comprehensive extensibility,improving the quality of short-range wireless communications,and provides a novel solution to improve the transmission reliability of network communications.

PIC microcontroller;Wireless communication;Communication quality;reliability

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.09

引用格式：程坤，朱勇，赵剑楠,等.基于PIC单片机的无线数据传输系统设计[J].无线电通信技术,2016,42(5):35-37.

2016-05-06

程坤(1991—)，男，硕士研究生，主要研究方向：通信与信息处理。朱勇(1974—)，男，教授，主要研究方向：通信与信息处理。

TN911.7

A

1003-3114(2016)05-35-3