基于nRF24L01和ESP8266的跳频及干扰演示实验

第06期2020年3月No.
06March，
2020
1 设计跳频及相关干扰实验
物联网课程的相关实验如果只是在高层进行“傻瓜式”的演示，有可能使学生在学习后感到底气不足。

应尽量下到单片机的裸机和嵌入式总线的层次，尽量用C 语言来设计有关实验。

本文用nRF24L01无线模块和STM32F103RCT6单片机构成第一类无线节点[1-2]，用ESP8266和同种型号的单片机来构成第二类无线节点[3]，对跳频以及相关的干扰实验进行设计。

首先，用两个一类无线节点实现可靠的多频率跳频通信；其次，加入一个同类节点产生干扰载波，观察跳频时哪些信道的通信会受到干扰；再次，用一个二类无线节点与一个带无线网卡的PC 机作为WiFi 的通信双方，实现可靠的通信，再加入干扰节点，观察WiFi 通信的受影响程度。

该设计不但可以引导学生进行多知识点的学习，而且能够展示无线通信领域两个重要的基本原理：（1）跳频是抗干扰的重要手段。

（2）在同一波段，频带越宽，能够对其造成干扰的频率源也就越多。

2 基于nRF24L01的跳频实验（实验一）
因为比较拥挤的无线空间，跳频在当今无线通信领域
是一种重要的抗干扰手段[4]
，首先，本实验演示的是两个节点（发送节点和接收节点）在不加干扰节点时的跳频通信；其次，演示加入干扰节点后通信的受影响情况。

实验组网中，每一个节点的硬件基本组成相同：n R F 24L 01无线模块通过S P I 总线与32位单片机STM32F103RCT6相接，如图1中发送节点所示。

每次通信时，接收节点和发送节点需保持同步跳频才有意义，即发送节点用中心频率f 1发送数据包时，接收节点必须已准备好用中心频率f 1来接收。

为了实现多频率跳频，用到了STM32F103单片机中的时间片机制。

如图2所示，时间片的长度取为2 ms 。

每一个时间片中，要选定一个不同的中心频率，用该频率完成一个数据包的发送和接收。

基金项目：长沙市科技局资助项目；项目编号：ZD1802001。

作者简介：钱光明（1963— ），男，湖南湘潭人，教授，学士；研究方向：嵌入式，实时系统。

摘 要：跳频是当今无线通信中的一个重要抗干扰手段。

文章以WiFi 模块ESP8266，nRF24L01无线模块和STM32F103单
片机组成无线节点，设计多频率跳频及干扰演示实验。

该设计在教学过程中不但能够直观地对跳频和干扰效果进行演示，而且因为靠近硬件层次编程，有利于引导学生学习单片机、WiFi 网络以及无协议无线通信中的许多基本原理，较好地激发学生的学习热情。

关键词：跳频；节点；ESP8266；nRF24L01基于nRF24L01和ESP8266的跳频及干扰演示实验
钱光明，易　超
（湖南师范大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410081）
无线互联科技
Wireless Internet Technology
图1 实验一的组网示意
图2 实验一的时间片安排示意
实验时，首先，复位接收节点，让它一直以中心频率f s
（本实验取2 400 MHz ）等待接收同步包。

其次，启动发送节点，以f s 发送同步包。

如图2所示，发送方成功发送同步包，接收方成功接收同步包后，都启动各自的2 ms 定时器，进入第一个时间片。

为了使收发双方在A 点取得同步，发送方在发送结束时需要等待约100 μs 再启动定时器。

再次，在图2中A 点，接收方选定一个中心频率f ，并进入接收状态。

本实验中，f 的取值为原中心频率加2 MHz ，即2 402 MHz 。

后续时间片中，中心频率的设置也采用原值加2的方式。

共实验40个时间片，最后一个时间片的中心频率为2 480 MHz 。

到图2中的B 点时，发送方选定中心频率f 为2 402 MHz ，并进入发送状态，发出数据包。

接收方早就做好接收准备了。

到C 点，接收方判断是否收到了数据包。

然后，在C 点和D 点之间，收发双方还可以做一些后续处理。

实验中，采用淘宝网购的普通无线模块（n R F24L01模块没带屏蔽罩），AB 之间取500 μs ，AC 之间取1 000 μs ，这些时间取值与节点的时间精度和一个时间片中运行语句的执行时间等因素有关。

实验中nRF24L01采用“非自动应答”方式，通信速率取2 Mbps 。

利用串口调试助手，将接收节点的实验结果部分截图，如图3—4所示，每一行显示一个时间片内的有关信
息。

其中，
CH =x （x 等于2或4或6或8等）表示中心频率为（2 400+x ）MHz 。

R X 左边的数字40代表接收成功，即nRF24L01状态寄存器中RX_DR=1，e 代表接收缓冲区为空（没收到数据）。

图3是不加干扰节点时的接收情况，所有实验频率通道的通信都能成功实现。

如果加入干扰节点，让该节点基本持续地发出2 412 MHz 的载波来充当干扰，接收情况则如图4所示，中心频率2 410 MHz ，2 412 MHz 和2 414 MHz 所对应的时间片中，都未能成功接收，其他信
道接收成功。

图3 不加干扰节点时接收情况示意
图4 加入干扰节点后接收情况示意
3 nRF24L01对WiFi的干扰实验（实验二）
相比于带宽较宽的WiFi 网络，虽然nRF24L01每个信道最多只有2 MHz 的带宽，但是能够对其造成干扰的频率源也会相对较少，相反，干扰WiFi 通信的频率源就会较多。

本实验中，使用WiFi 模块ESP8266通过TTL 串口连接STM32F103RCT6来构成WiFi 节点1，带有无线网卡的PC 机（运行网络调试助手软件）为WiFi 节点2，nRF24L01无线模块通过SPI 总线连STM32F103RCT6作为干扰节点，演示这两个WiFi 节点通信受干扰节点影响的情况。

实验的基本组网如图5
所示。

图5 实验二的组网示意
其中，两个WiFi 节点的通信采用无线透传模式，即一旦设
置好且完成传输控制协议（Transmission Control Protocol ，TCP ）连接后，这两个节点可以相互往对方直接发送数据。

首先，启动WiFi 节点2，使其成为一个无线接入点（Access Point ，AP ），设网名为TEST 。

其次，使WiFi 节点2的PC 机连接上TEST 网，并运行网络调试助手软件，建立一个TCP Server 。

再次，重新启动WiFi 节点2，再次建立名为TEST 的无线AP 后，在节点2上运行相关命令与上述TCP Server 建立一个TCP 连接，连接后将工作方式设为透传，且作好数据发送准备。

这样做不需要另外的无线网络路由器，只需要配备节点1和节点2。

正常情况下，设置后的两个WiFi 节点可以完全正确地相互发送数据。

如果加入干扰节点发射干扰载波，那么，它们的通信可能受到影响，表1是一组实验结果，干扰节点中的nRF24L01的通信速率仍取2 Mbps 。

2.4 G 频段WiFi 常用的3个信道分布如图6所示[5]。

信道1、
信道6和信道11带宽都是22 MHz ，中心频率分别为2 412 MHz ，
2 437 MHz 和2 462 MHz 。

实验中，WiFi 节点2中的ESP8266工作于信道1，正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM ）调制方式。

实验结果与干扰载波频谱是否较干净、干扰节点与WiFi 节点之间的距离等因素有关。

对应于表1，淘宝网购的一块普通nRF24L01模块，带2401C 射频芯片进行增强功率，不带屏蔽罩。

产生干扰载波的nRF24L01和WiFi 节点2相距不超过20 cm ，由WiFi 节点2连续发送8 000个字节（大写字母A 的ASCII 码）给WiFi 节点1，节点2中单片机和ESP8266模块的串口通信波特率取115 200。

在表1的这组实验结果中，干扰载波为2 402 MHz ，2 412 MHz 和2 422 MHz 时，两个WiFi 节点设定的字节传输完全被阻断，成功传输的字节数为零。

干扰载波为2 426 MHz 时，成功传输了5 968个字节。

而干扰载波为2 430 MHz 时，WiFi 传输完全不受干扰，8 000个字节全部被成功传输。

[参考文献]
[1]NONAME.nRF24L01+single chip 2.4 GHz transceiver product specification v1.0[EB/OL].（2019-12-05）[2020-03-20].https://.
[2]NONAME.STM32F103xC datasheet production data[EB/OL].（2015-10-15）[2020-03-20].https://.[3]NONAME.ATK-ESP8266 WiFi 用户手册_V1.0[EB/OL].（2012-05-02）[2020-03-20].https://.
[4]KARALIS A ，ZORBAS D ，DOULIGERIS C.Collision-free advertisement scheduling for IEEE 802.15.4-TSCH networks[J].Sensors ，2019（8）：1789.
[5]ZORBAS D ，PAPADOPOULOS G Z ，DOULIGERIS C.Local or global radio channel blacklisting for IEEE 802.15. 4-TSCH networks[C].New York ：In 2018 IEEE International Conference on Communications （ICC ）. IEEE ，
2018.
图6 2.4 G频段WiFi常用的3个信道示意表1 WiFi通信受干扰节点干扰的一组实验结果
干扰载波中心频率/MHz
WiFi 节点成功传输的字节数/个
2 40202 41202 42202 426 5 9682 430
8 000
4 结语
上述实验编程时，需要参照nRF24L01和ESP8266的数据手册。

例如，nRF24L01手册上，有关于产生较纯净载波的步骤描述，实验中干扰载波的产生完全按照步骤仔细编程而
得。

又比如，如何实现节点间的数据透传，ESP8266手册上也
有详细描述。

这些芯片和模块功能较多，可供选择的项目较多，实验中可以尝试别的选择和设置。

Research on aviation maintenance risk analysis method
Cheng Shenglong
（Aeronautical Engineering College, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China ）
Abstract：
The risk assessment of aviation maintenance tasks cannot be quantified. Therefore, this paper chose to use motion capture equipment to obtain motion data. Through numerical analysis of motion data, the rapid upper limb assessment, the rapid entire body assessment, and the Ovako working posture analysis system is implemented. Study the differences and connections of different analysis methods, and select the most appropriate analysis method for risk assessment of aviation maintenance tasks. The goal is to proactively reduce the risk to ergonomics, the cost of injury to the crew and compensation.
Key words：
motion data; analysis criteria; informatization; task risk assessment [参考文献]
[1]钟思武，曲颖，王忠旭.工作相关肌肉骨骼疲劳与损伤相关生物标志物研究进展[J].职业与健康，2018（21）：3012-3018，3022.[2]吕庆文，樊树海，赵玲玲，等.JACK 交互式实验平台的设计与开发[J].实验技术与管理，2019（12）：120-122.
在作业1和作业2的数据分析中，通过大量的实验数据可
以得到，许多维修任务姿势在REBA 的分析标准中归为高风险等级时，在OWAS 分析标准中有可能处于低风险等级。

因此，在全身分析标准中，OWAS 和REBA 相比，OWAS 低估了部分姿势的相关风险。

3.3 RULA 和REBA 的相对分析
在REBA 系统对作业1的分析中，降低的上半身关节得分的权重，加入了更多腿和膝关节对风险评分的影响，因此，在REBA 中，作业1并不是风险最高的维修任务。

通过多组试验人员对进行两组维修任务的主观感受，作业3比作业1的难度更大、舒适度更低和对人体损伤风险更大。

因此，RULA 和REBA 相比，RULA 低估了下半身对维修任务的影响，从而影响整体风险评估的准确性，试验人员的主管感受与REBA 的评估结果一致。

在RULA 标准中，各个关节评分标准、附加分的计算、
最终风险评分的计算和风险等级的划分原理大致相同，但
是RULA 对于下肢的评判标准太模糊、不准确且占比较小，而REBA 就综合全身关节角度且得合理分配关节权重，在全身动作较多的航空维修过程中，REBA 方法是最佳选择。

4 结语
（1）通过分析OWAS 和REBA 对所有维修任务作业评分的分布图，验证了OWAS 与REBA 评分呈现正相关性和REBA 人机工效学系统的有效性，另外，OWAS 评判标准过于模糊，主观臆断对评估结果的影响较大且存在低估部分姿势的风险。

（2）通过对落架舱内头顶管路施工和主起落架、飞机主轮和刹车盘的目视检查进行RULA 和REBA 对比分析，验证了全身动作较多的航空机务维修任务更适合用REBA 分析标准。

Frequency hopping and jamming demonstration experiments
based on nRF24L01 and ESP8266
Qian Guangming, Yi Chao
（College of Information Science and Engineering, Hunan Normal University, Changsha 410081, China ）
Abstract：
Frequency hopping is an important anti interference method in modern wireless communication. In this paper, frequency hopping and jamming demonstration experiments are designed with the wireless node composed of nRF24L01 wireless module,
STM32F103 single chip computer and the WiFi module ESP8266. In the teaching process, this design can not only intuitively demonstrate channel hopping and jamming, but also is helpful to guide students to understand many basic principles of single chip computer, WiFi network and wireless communication without protocol because of the closure to the hardware level when programming, thus stimulating students ’ enthusiasm for learning.
Key words：
frequency hopping; node; ESP8266; nRF24L01（上接第17页）。