无线遥控方案

1、无线遥控方案1. 要实现的目标遥控距离：200M遥控响应时间：低于100ms频率范围：400M 470M信道个数：16个通信速率：3000040000较强的绕射能力高可靠性2. 通讯过程2.1 说明2.1.1 被遥控端被遥控端的功能被打开后，进入“等待连接”状态。在该状态下，系统轮循的在各个信道上监听遥控端发出的“搜索命令”和“连接命令”。系统在没有收到这两种命令时，不发射出任何信号，以免对周围其他同类系统带来信道的竞争和干扰。当在某个信道上成功监听到遥控端发出的搜索命令时，系统首先判断搜索命令中指定的目标ID号，如果系统的ID号与指定ID号不匹配，系统可以不给予任何应答。对“搜索命令”的接收

2、不一定只限制在“等待连接”状态时。在任何状态中（除非本地用户启动了系统的关闭过程），只要成功接收到针对本系统ID的“搜索命令”，都可以给予应答。如果系统已被连接到另一个遥控端，则在“搜索命令”的应答中给予指示。这样可以防止遥控端发出连接命令。当在“等待连接”状态中收到“连接命令”时，将进入“建立连接”过程。系统将通过接收到的“连接命令”中一些参数（可以包含一些认证信息）来判断是否与遥控端建立连接。不管接受或不接受“连接命令”都要求向遥控端发出一个应答。如果建立连接成功了，系统将进入“等待命令”状态。在该状态下，如果较长时间内收不到来自已经建立连接的遥控端的任何命令（接收不到命令的情况包括：收不

3、到或收到很弱的无线电信号；被严重干扰的，效验错误的数据），系统将退回到“等待连接”状态，以备再次建立连接。为了保证连接的双方能够感知到对方的存在和信道的可用性，在遥控端没有任何遥控命令的情况下，遥控端必须每隔一段时间，发送一次“保持连接”命令。也可以设计一些其它在空闲时间使用的命令，例如获取被遥控端所处位置的信道状态信息。当接收到连接遥控端发出的“断开连接”的命令时，进入断开连接过程。遥控端必须立即回应该命令。然后再次进入“等待连接”状态。如果是由本地用户启动了系统的关闭过程（例如：关机），这时系统可以主动通知遥控端断开连接。2.1.2 遥控端系统被启动一次遥控任务后，进入“搜索目标”状态。在

4、该状态下，系统轮循的向各个信道发出“搜索命令”。在每次发出命令后，系统立即切换到接收状态以接收可能的应答。如果在某个信道上接收到目标端的应答，且该端点可以被连接，将进入“建立连接”过程。如果接收到目标端的应答，但应答数据中指示该端点不能被连接（可能是目标端已经和其他遥控端已经建立连接），则可以结束此次遥控任务。如果目标端不在遥控端的信号范围内，或者每个信道的可用性都非常糟糕，那么有可能导致遥控端在一段时间内的发出的“搜索命令”都收不到正确的应答。当出现这样的超时情况时，将中止此次遥控任务。在“建立连接”的过程中，系统向目标端发送“连接”命令。如果成功接收到“连接”命令的应答，而且应答数据中指示

5、连接成功，则连接已被建立。此后，系统进入“遥控通讯”状态。在此过程中，可能出现目标端点没有任何回应(可能是信道可用信很差，或发送命令时目标端已经跳到另外一个信道)，这时系统将退回到“搜索目标”状态。如果系统被回应的应答数据中指示不允许被连接（可能是目标端已经和其他遥控端建立了连接，或认证信息没有被通过），那么这次遥控任务将被中止。进入“遥控通讯”状态后，系统将用户发出的遥控指令发射给目标端。如果一段时间内，用户没有发出任何遥控指令，系统将自动的定时的向目标端发射“保持连接”命令。所有发出的命令，都要求目标端立即回应应答。如果发送完命令后，在一段时间内没有成功接收到目标端的应答，系统将重复发送命

6、令。如果，重发了多次后，一直没成功接收到目标端的应答，系统将可以判断为与目标端失去了连接。此后系统将退回到“搜索目标”状态，准备再次进行连接。如果连接建立后（“遥控通讯”状态），这时用户要求结束遥控任务，将进入断开连接过程。这个过程中，系统向目标端发出一个“断开连接”的命令,而且也等待目标端的应答，但等待超时后不必采取重发措施。3可靠性问题3.1 通信信道的选择常见的无线收发器件中一般都存在CS（Carrier Sense）和RSSI（Received Signal Strength Indicator）的功能。我们可以利用这些功能来确定一个信道的可用性（被占用情况或干扰程度）。建立连接前，不

7、论是遥控端发出“搜索目标”命令，还是被遥控端监听命令，都应尽可能的在较好的信道中进行。我们可以采取这样的办法：当系统（遥控端或被遥控端）轮循到一个可用性较好的信道时，停留的时间可以延长一点。在轮循到一个较差的信道时，停留的时间可以缩短一点。当建立连接后，在通信过程中可能出现信道被干扰或者与同类系统通信相冲突等信道可用性降低的情况。这时可以切换到另外一个较好的信道。这要求通信双方在建立连接后，还能对各个信道进行检测和统计。然后，遥控端可以采取一种通信协议或安排一种命令获取到目标端的信道检测和统计数据。遥控端根据这些数据来决定是否进行切换和切换到哪个信道。还有一种情况，可能发生在建立连接后的某个时

8、刻。信道被干扰或其他无线通讯系统长时间的连续的占据，以至遥控端无法通知目标端进行信道切换。这时，要求通讯双方能同时的切换到另一个相同的信道。这个信道要求通讯双方事先协商好。这点也必须基于前面所述的对各个信道进行检测和统计。以上描述可以看成是一种跳频策略。与一般的FH系统(Frequency Hopping System)相比，统计性代替了随机性。如果使用一般的FH策略，一旦发生跳频时失去同步的情况，将可能导致遥控器在较长的时间内失灵。3.2 采用CSMA/CA机制考虑到在系统附近范围内可能存在多个同类系统，并且与这些系统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）机制来防止冲突发生和解决冲突问题。在802.11(主要应用于无线局域网)和802.15.4（主要应用于Zigbee）中，都采取了CSMA/CA机制。这种机制在一些点到点的无线通信中也比较常见。其过程是：(1)数据发送就绪时，先检查信道是否被占用。(2)如果信道被占用，则等到介质空闲后，再随机退避一段时间，重复(1)过程。(3)发送数据。(4)等待接收者应答。如果，等待应答超时，则重复(1)过程。如果成功接收到应答，则此次发送过程成功结束。出现冲突的可能性分析由上图可知，发生冲突的主要原因是从接收或监听状态切换

10、到数据发送时刻，需要经历一定的时间。在这段时间内，可能被其他同类系统认为是信道空闲且启动了发送过程。如果使用CSMA/CA机制并采用随机退避时间办法，降低冲突发生的概率的办法有两种：1)加大退避时间的最大值。2)降低收发模式切换时间。在一定范围内和同一个信道中，越多的同类系统，冲突发生的概率也会越高。即使通过了载波检测，避免了一次或多次冲突，也会增加数据发送的延时。要降低冲突的发生，还可以把CSMA/CA机制设计的更智能一点。类似于802.11中的VCS(Virtual Carrier Sense，基于CSMA/CA)技术。这要求系统不仅要检测信道的空闲状态，还要接收同类系统发出的数据包，并且

11、分析出同类系统通讯将持续的时间，然后退避这段时间。还有一种CSMA/CA机制失效的可能性。如下图所示：A和B都在相互信号能够到达的范围内。但A的信号不能到达D，D的信号也不能到达A，而且D的信号可以覆盖到B。这时A不能检测到D对信道占用的情况。如果A向B发送数据时，D正好也在发送数据，那么就会产生冲突。要解决这个问题，可以把上述几个站点的发射功率加大，让它们都能检测和接收到每个站点发出的信号。这样有点类似于一个无线网络。3.3 校验和应答机制上述CSMA/CA机制必须基于校验和应答的机制。能够采用CSMA/CA机制的前提是同一个信道中存在同类系统或同样采取CSMA/CA机制的系统。如果信道中存

12、在一些其他干扰，校验和应答机制将是保证传输可靠的关键。遥控端和被遥控端所发的数据包，都要求使用一种校验码。最常见的是CRC校验码。通讯双方收到数据包只有通过了校验码校验无误后，才能算成功接收。否则，将收到的数据包丢弃，和没收到数据包的情况一样。遥控端和被遥控端采用一种命令和应答的机制，或者说是一种Master和Slave的关系。建立连接后，遥控端向被遥控端发出的所有命令（断开连接命令除外）,都要求被遥控端尽快返回应答。如果遥控端在一段时间内，没有收到被遥控端的应答，则重新发送命令。可能出现的情况如下图所示:注意上图情况3和情况4，为了使被遥控端收到重复的命令时，不再去重复的执行命令操作，可以对

13、命令采取一种编号的策略：命令中包含一个命令编号（Command Number）。遥控端在发送了一个命令且成功的收到应答之后，对本地的命令编号加1，下次发送命令时，将使用这个新的命令编号值。被遥控端成功收到命令后，先检查其中的命令编号，如果命令编号与本地的命令编号相同，则直接回应上次发送的应答。如果命令编号与本地的不同，则将本地的命令编号赋值为接收的命令编号，并执行命令操作和回应应答。3.4 通讯加密为了防止他人能轻易自造出兼容通讯协议的遥控装置并进行非法的恶意遥控，有必要对建立连接后的通讯过程采取一定的加密措施。4. 性能评估这里先假设使用了TI公司的无线收发器件CC1100，根据CC1100

14、的数据手册和上述提出的理论，做一个基本的性能评估。以下是CC1100的一些重要特性:调制方式2FSK,MSK,ASK,OOK频率范围300M384M400M464M800M928M信道划分256个信道，每个信道带宽可调，默认为200K通讯速率1.2kbps 500kbps发射功率-60dBm 10dBm接收灵敏度-111dBm1.2kbps数字滤波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的优势:支持RSSI和Carrier Sense；较快的收发模

15、式切换；FIFO缓冲；硬件封包；这些都有利于CSMA/CA的实现。较短的PLL稳定时间，有利于跳频功能的实现。假设基本系统设定为: 调制：2FSK频率: 433MHz码率：38.4kbps假设命令数据包和应答数据包的长度都为20个字节(CC1100硬件封包时可能要占用12个字节)。如果将38.4kbps的码率当成4Kbyte的字节速率来进行计算。发送一个数据包时，大概占用信道的时间为:20/4000 = 5ms如果所有信道内不存在与其他系统竞争和其他干扰情况，顺利的完成一个命令和应答的全过程略大于10ms。那么一秒钟内，遥控端发送命令最多可以达到上百次。如果使用16个信道，在搜索目标时，遥控端在160ms内就可以搜索到目标。如果信道内存在其他同类系统，其中有两个系统进入发送就绪状态（正在等待信道