無線遙控方案

1、無線遙控方案1. 要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)遙控距離：200M遙控響應(yīng)時間：低于100ms頻率范圍：400M 470M信道個數(shù)：16個通信速率：3000040000較強(qiáng)的繞射能力高可靠性2. 通訊過程2.1 說明2.1.1 被遙控端被遙控端的功能被打開后，進(jìn)入“等待連接”狀態(tài)。在該狀態(tài)下，系統(tǒng)輪循的在各個信道上監(jiān)聽遙控端發(fā)出的“搜索命令”和“連接命令”。系統(tǒng)在沒有收到這兩種命令時，不發(fā)射出任何信號，以免對周圍其他同類系統(tǒng)帶來信道的競爭和干擾。當(dāng)在某個信道上成功監(jiān)聽到遙控端發(fā)出的搜索命令時，系統(tǒng)首先判斷搜索命令中指定的目標(biāo)ID號，如果系統(tǒng)的ID號與指定ID號不匹配，系統(tǒng)可以不給予任何應(yīng)答。對“搜索命令”的接收

2、不一定只限制在“等待連接”狀態(tài)時。在任何狀態(tài)中（除非本地用戶啟動了系統(tǒng)的關(guān)閉過程），只要成功接收到針對本系統(tǒng)ID的“搜索命令”，都可以給予應(yīng)答。如果系統(tǒng)已被連接到另一個遙控端，則在“搜索命令”的應(yīng)答中給予指示。這樣可以防止遙控端發(fā)出連接命令。當(dāng)在“等待連接”狀態(tài)中收到“連接命令”時，將進(jìn)入“建立連接”過程。系統(tǒng)將通過接收到的“連接命令”中一些參數(shù)（可以包含一些認(rèn)證信息）來判斷是否與遙控端建立連接。不管接受或不接受“連接命令”都要求向遙控端發(fā)出一個應(yīng)答。如果建立連接成功了，系統(tǒng)將進(jìn)入“等待命令”狀態(tài)。在該狀態(tài)下，如果較長時間內(nèi)收不到來自已經(jīng)建立連接的遙控端的任何命令（接收不到命令的情況包括：收不

3、到或收到很弱的無線電信號；被嚴(yán)重干擾的，效驗(yàn)錯誤的數(shù)據(jù)），系統(tǒng)將退回到“等待連接”狀態(tài)，以備再次建立連接。為了保證連接的雙方能夠感知到對方的存在和信道的可用性，在遙控端沒有任何遙控命令的情況下，遙控端必須每隔一段時間，發(fā)送一次“保持連接”命令。也可以設(shè)計(jì)一些其它在空閑時間使用的命令，例如獲取被遙控端所處位置的信道狀態(tài)信息。當(dāng)接收到連接遙控端發(fā)出的“斷開連接”的命令時，進(jìn)入斷開連接過程。遙控端必須立即回應(yīng)該命令。然后再次進(jìn)入“等待連接”狀態(tài)。如果是由本地用戶啟動了系統(tǒng)的關(guān)閉過程（例如：關(guān)機(jī)），這時系統(tǒng)可以主動通知遙控端斷開連接。2.1.2 遙控端系統(tǒng)被啟動一次遙控任務(wù)后，進(jìn)入“搜索目標(biāo)”狀態(tài)。在

4、該狀態(tài)下，系統(tǒng)輪循的向各個信道發(fā)出“搜索命令”。在每次發(fā)出命令后，系統(tǒng)立即切換到接收狀態(tài)以接收可能的應(yīng)答。如果在某個信道上接收到目標(biāo)端的應(yīng)答，且該端點(diǎn)可以被連接，將進(jìn)入“建立連接”過程。如果接收到目標(biāo)端的應(yīng)答，但應(yīng)答數(shù)據(jù)中指示該端點(diǎn)不能被連接（可能是目標(biāo)端已經(jīng)和其他遙控端已經(jīng)建立連接），則可以結(jié)束此次遙控任務(wù)。如果目標(biāo)端不在遙控端的信號范圍內(nèi)，或者每個信道的可用性都非常糟糕，那么有可能導(dǎo)致遙控端在一段時間內(nèi)的發(fā)出的“搜索命令”都收不到正確的應(yīng)答。當(dāng)出現(xiàn)這樣的超時情況時，將中止此次遙控任務(wù)。在“建立連接”的過程中，系統(tǒng)向目標(biāo)端發(fā)送“連接”命令。如果成功接收到“連接”命令的應(yīng)答，而且應(yīng)答數(shù)據(jù)中指示

5、連接成功，則連接已被建立。此后，系統(tǒng)進(jìn)入“遙控通訊”狀態(tài)。在此過程中，可能出現(xiàn)目標(biāo)端點(diǎn)沒有任何回應(yīng)(可能是信道可用信很差，或發(fā)送命令時目標(biāo)端已經(jīng)跳到另外一個信道)，這時系統(tǒng)將退回到“搜索目標(biāo)”狀態(tài)。如果系統(tǒng)被回應(yīng)的應(yīng)答數(shù)據(jù)中指示不允許被連接（可能是目標(biāo)端已經(jīng)和其他遙控端建立了連接，或認(rèn)證信息沒有被通過），那么這次遙控任務(wù)將被中止。進(jìn)入“遙控通訊”狀態(tài)后，系統(tǒng)將用戶發(fā)出的遙控指令發(fā)射給目標(biāo)端。如果一段時間內(nèi)，用戶沒有發(fā)出任何遙控指令，系統(tǒng)將自動的定時的向目標(biāo)端發(fā)射“保持連接”命令。所有發(fā)出的命令，都要求目標(biāo)端立即回應(yīng)應(yīng)答。如果發(fā)送完命令后，在一段時間內(nèi)沒有成功接收到目標(biāo)端的應(yīng)答，系統(tǒng)將重復(fù)發(fā)送命

6、令。如果，重發(fā)了多次后，一直沒成功接收到目標(biāo)端的應(yīng)答，系統(tǒng)將可以判斷為與目標(biāo)端失去了連接。此后系統(tǒng)將退回到“搜索目標(biāo)”狀態(tài)，準(zhǔn)備再次進(jìn)行連接。如果連接建立后（“遙控通訊”狀態(tài)），這時用戶要求結(jié)束遙控任務(wù)，將進(jìn)入斷開連接過程。這個過程中，系統(tǒng)向目標(biāo)端發(fā)出一個“斷開連接”的命令,而且也等待目標(biāo)端的應(yīng)答，但等待超時后不必采取重發(fā)措施。3可靠性問題3.1 通信信道的選擇常見的無線收發(fā)器件中一般都存在CS（Carrier Sense）和RSSI（Received Signal Strength Indicator）的功能。我們可以利用這些功能來確定一個信道的可用性（被占用情況或干擾程度）。建立連接前，不

7、論是遙控端發(fā)出“搜索目標(biāo)”命令，還是被遙控端監(jiān)聽命令，都應(yīng)盡可能的在較好的信道中進(jìn)行。我們可以采取這樣的辦法：當(dāng)系統(tǒng)（遙控端或被遙控端）輪循到一個可用性較好的信道時，停留的時間可以延長一點(diǎn)。在輪循到一個較差的信道時，停留的時間可以縮短一點(diǎn)。當(dāng)建立連接后，在通信過程中可能出現(xiàn)信道被干擾或者與同類系統(tǒng)通信相沖突等信道可用性降低的情況。這時可以切換到另外一個較好的信道。這要求通信雙方在建立連接后，還能對各個信道進(jìn)行檢測和統(tǒng)計(jì)。然后，遙控端可以采取一種通信協(xié)議或安排一種命令獲取到目標(biāo)端的信道檢測和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。遙控端根據(jù)這些數(shù)據(jù)來決定是否進(jìn)行切換和切換到哪個信道。還有一種情況，可能發(fā)生在建立連接后的某個時

8、刻。信道被干擾或其他無線通訊系統(tǒng)長時間的連續(xù)的占據(jù)，以至遙控端無法通知目標(biāo)端進(jìn)行信道切換。這時，要求通訊雙方能同時的切換到另一個相同的信道。這個信道要求通訊雙方事先協(xié)商好。這點(diǎn)也必須基于前面所述的對各個信道進(jìn)行檢測和統(tǒng)計(jì)。以上描述可以看成是一種跳頻策略。與一般的FH系統(tǒng)(Frequency Hopping System)相比，統(tǒng)計(jì)性代替了隨機(jī)性。如果使用一般的FH策略，一旦發(fā)生跳頻時失去同步的情況，將可能導(dǎo)致遙控器在較長的時間內(nèi)失靈。3.2 采用CSMA/CA機(jī)制考慮到在系統(tǒng)附近范圍內(nèi)可能存在多個同類系統(tǒng)，并且與這些系統(tǒng)存在使用相同信道的可能，有必要采用CSMA/CA（Carrier Sens

9、e Multiple Access with Collision Avoidance）機(jī)制來防止沖突發(fā)生和解決沖突問題。在802.11(主要應(yīng)用于無線局域網(wǎng))和802.15.4（主要應(yīng)用于Zigbee）中，都采取了CSMA/CA機(jī)制。這種機(jī)制在一些點(diǎn)到點(diǎn)的無線通信中也比較常見。其過程是：(1)數(shù)據(jù)發(fā)送就緒時，先檢查信道是否被占用。(2)如果信道被占用，則等到介質(zhì)空閑后，再隨機(jī)退避一段時間，重復(fù)(1)過程。(3)發(fā)送數(shù)據(jù)。(4)等待接收者應(yīng)答。如果，等待應(yīng)答超時，則重復(fù)(1)過程。如果成功接收到應(yīng)答，則此次發(fā)送過程成功結(jié)束。出現(xiàn)沖突的可能性分析由上圖可知，發(fā)生沖突的主要原因是從接收或監(jiān)聽狀態(tài)切換

10、到數(shù)據(jù)發(fā)送時刻，需要經(jīng)歷一定的時間。在這段時間內(nèi)，可能被其他同類系統(tǒng)認(rèn)為是信道空閑且啟動了發(fā)送過程。如果使用CSMA/CA機(jī)制并采用隨機(jī)退避時間辦法，降低沖突發(fā)生的概率的辦法有兩種：1)加大退避時間的最大值。2)降低收發(fā)模式切換時間。在一定范圍內(nèi)和同一個信道中，越多的同類系統(tǒng)，沖突發(fā)生的概率也會越高。即使通過了載波檢測，避免了一次或多次沖突，也會增加數(shù)據(jù)發(fā)送的延時。要降低沖突的發(fā)生，還可以把CSMA/CA機(jī)制設(shè)計(jì)的更智能一點(diǎn)。類似于802.11中的VCS(Virtual Carrier Sense，基于CSMA/CA)技術(shù)。這要求系統(tǒng)不僅要檢測信道的空閑狀態(tài)，還要接收同類系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)包，并且

11、分析出同類系統(tǒng)通訊將持續(xù)的時間，然后退避這段時間。還有一種CSMA/CA機(jī)制失效的可能性。如下圖所示：A和B都在相互信號能夠到達(dá)的范圍內(nèi)。但A的信號不能到達(dá)D，D的信號也不能到達(dá)A，而且D的信號可以覆蓋到B。這時A不能檢測到D對信道占用的情況。如果A向B發(fā)送數(shù)據(jù)時，D正好也在發(fā)送數(shù)據(jù)，那么就會產(chǎn)生沖突。要解決這個問題，可以把上述幾個站點(diǎn)的發(fā)射功率加大，讓它們都能檢測和接收到每個站點(diǎn)發(fā)出的信號。這樣有點(diǎn)類似于一個無線網(wǎng)絡(luò)。3.3 校驗(yàn)和應(yīng)答機(jī)制上述CSMA/CA機(jī)制必須基于校驗(yàn)和應(yīng)答的機(jī)制。能夠采用CSMA/CA機(jī)制的前提是同一個信道中存在同類系統(tǒng)或同樣采取CSMA/CA機(jī)制的系統(tǒng)。如果信道中存

12、在一些其他干擾，校驗(yàn)和應(yīng)答機(jī)制將是保證傳輸可靠的關(guān)鍵。遙控端和被遙控端所發(fā)的數(shù)據(jù)包，都要求使用一種校驗(yàn)碼。最常見的是CRC校驗(yàn)碼。通訊雙方收到數(shù)據(jù)包只有通過了校驗(yàn)碼校驗(yàn)無誤后，才能算成功接收。否則，將收到的數(shù)據(jù)包丟棄，和沒收到數(shù)據(jù)包的情況一樣。遙控端和被遙控端采用一種命令和應(yīng)答的機(jī)制，或者說是一種Master和Slave的關(guān)系。建立連接后，遙控端向被遙控端發(fā)出的所有命令（斷開連接命令除外）,都要求被遙控端盡快返回應(yīng)答。如果遙控端在一段時間內(nèi)，沒有收到被遙控端的應(yīng)答，則重新發(fā)送命令?？赡艹霈F(xiàn)的情況如下圖所示:注意上圖情況3和情況4，為了使被遙控端收到重復(fù)的命令時，不再去重復(fù)的執(zhí)行命令操作，可以對

13、命令采取一種編號的策略：命令中包含一個命令編號（Command Number）。遙控端在發(fā)送了一個命令且成功的收到應(yīng)答之后，對本地的命令編號加1，下次發(fā)送命令時，將使用這個新的命令編號值。被遙控端成功收到命令后，先檢查其中的命令編號，如果命令編號與本地的命令編號相同，則直接回應(yīng)上次發(fā)送的應(yīng)答。如果命令編號與本地的不同，則將本地的命令編號賦值為接收的命令編號，并執(zhí)行命令操作和回應(yīng)應(yīng)答。3.4 通訊加密為了防止他人能輕易自造出兼容通訊協(xié)議的遙控裝置并進(jìn)行非法的惡意遙控，有必要對建立連接后的通訊過程采取一定的加密措施。4. 性能評估這里先假設(shè)使用了TI公司的無線收發(fā)器件CC1100，根據(jù)CC1100

14、的數(shù)據(jù)手冊和上述提出的理論，做一個基本的性能評估。以下是CC1100的一些重要特性:調(diào)制方式2FSK,MSK,ASK,OOK頻率范圍300M384M400M464M800M928M信道劃分256個信道，每個信道帶寬可調(diào)，默認(rèn)為200K通訊速率1.2kbps 500kbps發(fā)射功率-60dBm 10dBm接收靈敏度-111dBm1.2kbps數(shù)字濾波58 812KHzPLL turn-on / hop time85.1 88.4 usTX to RX time21.5usRX to TX time9.6us其他功能其他使用CC1100的優(yōu)勢:支持RSSI和Carrier Sense；較快的收發(fā)模

15、式切換；FIFO緩沖；硬件封包；這些都有利于CSMA/CA的實(shí)現(xiàn)。較短的PLL穩(wěn)定時間，有利于跳頻功能的實(shí)現(xiàn)。假設(shè)基本系統(tǒng)設(shè)定為: 調(diào)制：2FSK頻率: 433MHz碼率：38.4kbps假設(shè)命令數(shù)據(jù)包和應(yīng)答數(shù)據(jù)包的長度都為20個字節(jié)(CC1100硬件封包時可能要占用12個字節(jié))。如果將38.4kbps的碼率當(dāng)成4Kbyte的字節(jié)速率來進(jìn)行計(jì)算。發(fā)送一個數(shù)據(jù)包時，大概占用信道的時間為:20/4000 = 5ms如果所有信道內(nèi)不存在與其他系統(tǒng)競爭和其他干擾情況，順利的完成一個命令和應(yīng)答的全過程略大于10ms。那么一秒鐘內(nèi)，遙控端發(fā)送命令最多可以達(dá)到上百次。如果使用16個信道，在搜索目標(biāo)時，遙控端在160ms內(nèi)就可以搜索到目標(biāo)。如果信道內(nèi)存在其他同類系統(tǒng)，其中有兩個系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)送就緒狀態(tài)（正在等待信道