一种短距离无线传输的CSMA／CA协议实现方法 -

摘要：在无线通信过程中，首先要面对的是在一个通信域内，可能存在几十乃至几百个无线终端同时工作。在这样繁忙的无线网络中，无线数据发送频繁发生碰撞不可避免。当数据发送发生碰撞，意味着有数据帧丢失。为了尽可能地避免由于数据发送碰撞而导致的数据帧丢失，必须引入一种可以避免发送碰撞的机制。以射频芯片MCl3213为例，详细说明了CSMA／CA协议的实现过程和主要的代码实现。
关键词：WSN；MCl3213；CSMA／CA；ZigBee

本文引用地址: http://www.21ic.com/app/rf/201006/60364.htm

    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。

1 MOl3213芯片及通信小系统
    MCl3213集成了1个符合IEEE 802．15．4协议的2．4 GHz收发器和飞思卡尔公司的低电压低功耗HCS08单片机核心，并带有嵌入式闪存、UART接口、低压中断和键盘中断等功能。MCl3213支持专用点到点、简单星形和MUSH网络，以及采用Figure 8 Wireless Z-stack的符合ZigBee标准的网络。
    本设计只使用了MCl3213的1个串口，连接电脑或者传感器，用于从电脑接收需要通过无线发送的数据，并把无线接收到的数转发到电脑。
    (1)数据发送
    数据发送主程序的流程如图1所示。

    (2)CSMA_MAC协议及3次重发的实现
    流程如图2所示。

   (3)无线接收数据至串口的实现
    流程如图3所示。

2 无线状态转换图
    程序上电初始化后，第一次的无线状态为INITIAL_STATE初始化状态。初始化状态后，无线模块进入RX_STATE接收状态，将模块的接收天线打开。而后进入WAITING_FOR_ACK等待状态，等待接收无线数据。当接收到无线数据时，根据WT_TxbufferO_Flag来判断此时接收到的数据帧为ACK还是数据帧：如果WTTxbuffer0_Flag=0xff，则说明此时接收到的数据帧为ACK，进入WAITING_ACK处理，处理完毕，无线模块重新进入RX_STATE接收状态；如果WT_TxbufferO-Flag=0x00，则说明此时接收到的数据为无线发送来的数据帧，进入GOOD_PACKET好包状态，处理完毕，无线模块重新进入RX_STATE接收状态。
    无线状态转换图如图4所示。

3 实现协议的关键
    ①串口数据帧的拷贝。为保存串口接收到的数据帧，并为以后能区分缓存不同的数据帧，设计了能缓存4个数据帧的缓存空间。在接收到串口的数据帧时，跟原来直接处理数据的做法不同，新的程序中，首先将数据存在缓存区中，如果缓存区满，则不再保存新的数据帧。
    ②串口缓存区数据帧的处理顺序。按照接收到数据的先后顺序进行处理。
    ③随机退避的处理。由于MCl3213不仅需要发送数据和接收数据，还需要与串口进行通信，此处随机退避采用中断方式，当退避时间到时，置退避时间完成标志位，而后进入随机退避完成的处理过程。
    ④无线数据帧3次重发的实现。DATA类型的数据如果发送不成功，需要有3次重传机制，实现过程与之前有很大不同。当数据发送成功后，在一定的时间内等待ACK，如果没有接收到ACK，则判断是否重传3次。若未到3次，置重传标志位，重传数据帧，否则丢弃此帧。随机退避次数大于最大退避次数时，同样判断是否重传3次：若未到3次，置重传标志位，重传数据帧，否则丢弃此帧。在此帧数据没有发送成功，并且重传次数未到时，不处理之后的数据帧，保证重传的数据帧是需要重传的数据帧。
    ⑤无线模块的状态切换。为了保证无线模块状态切换的时序没有错误，防止由于无线模块状态切换而导致的严重问题，在CSMA_MAC协议实现过程中，无论对无线模块进行了什么操作，最终都需要把无线模块的状态置为RX_STATE，打开无线模块的接收天线。
    ⑥串口数据帧3次重发的实现。DATA类型的数据帧发送完成后，如果在一定的时间内未收到ACK，将对数据进行重发，直至收到ACK；或者重发超过3次，丢弃此帧。

4 测试结果
    在我们搭建的一个无线定位小系统测试中，定位节点与定位卡通信，工作正常；两个定位节点之间的通信，定位节点收发状态正常，工作正常；定位节点将接收到的定位卡的数据帧转发至PC上，经过定位算法处理后，定位误差在2 m范围之内。

结语
    本文基于ZigBee基带芯片实现了简单的CSMA／CA协议，同时也适用于其他短距离无线通信系统。笔者已经在1套433 MHz定位系统中使用了同一协议，收到了良好的效果。本文介绍实现的只是基本的CSMA／CA协议，在应用于不同的无线通信系统中时，可以根据系统的特点再加以改进，就可以达到更好的无线通信效果。