工业遥控系统RF通信协议

工业遥控系统RF通信协议
1范围
本协议约定工业遥控系统RF通信协议，本协议适用于工业遥控系统的射频数据通信。

2规范性引用文件
无。

3术语与定义
本标准术语定义引用:无。

4网络物理描述
本标准物理层描述引用:无。

5符号缩写的含义
表 1 符号缩写
6物理层
由于通信接口芯片采用TI公司的数字调制解调电路CC1100，调制方式为2-FSK，数据速率为38400 bps。

物理层的帧格式依据CC1100的技术特点而设计。

6.1 CC1100物理层基本帧结构
图 1 基本帧结构
设计采用固定长度的报文，长度为21字节。

并由CC1100硬件实现用户数据的循环码校验（CRC16）、交织编码（INTERLEAVING）、前向纠错（FEC）、数据白化（WHITENING），并在白化数据发送前插入前导码（我们编程为4字节），同步码结构（我们编程为4字节）。

软件通过编程CC1100控制寄存器，实现功能配置。

表 2 CC1100调制码参数配置
7链路层
7.1通信匹配地址
本系统采用点对点通信方式，只有通信地址匹配的报文才得到处理，通信地址不匹配的报文被丢弃，以确保系统的稳健可靠。

对于港口起重等需要双遥控器情况，通过功能码扩展主、从遥控器。

系统采用16位二进制匹配地址码，理论上支持65535套遥控系统。

7.2通信连接
通信状态维护采用连接方式，除了信道管理相关的数据包外，其他遥控命令数据包的发送前均应检查无线信道连接状态，只有在连接正常的情况下，才启动数据包发送。

数据包发送时间分析：4+4+（21+2）*2=54字节，54*8/38.400=11.25ms。

再考虑通信的收发转换、频率校准、接收机的数据处理周期等开销，一问一答的开销约25ms。

考虑到系统容余等因素，通信周期可设计为30ms。

7.2.1信道连接的建立
遥控器开机后处在接收状态，进行信道统计。

信道统计的方法为按信道表依次轮询，读取信道的RSSI值，统计出每个信道上的最大RSSI、最小RSSI，计算出每个信道的RSSI平均值。

每个信道的统计时间为T3（信道统计时间）。

为确保该信道不被同类设备占用，T3必须大于心跳包发送周期T2。

从统计的信道中选取最好的信道进行连接。

信道选取过程为：
1，最大RSSI与平均RSSI差值不超过10dBm，且平均RSSI小于-70dBm的信道作为可用信道；
统计出可用信道的平均RSSI值作为噪声参考值；
2，在可用信道中选取平均RSSI值最小的信道进行连接；
3，若没有可用信道，则选取所有信道中平均RSSI值最小的信道进行连接，所有信道的平均RSSI 值作为噪声参考值。

信道选取完成后，固定在此信道，转换成发送模式，开始发送连接请求，等待T4（等待应答超时），若收到应答数据包，建立连接，开始发送命令。

若超时没有收到数据包，则重新发送连接请求。

数据包发送采用CSMA/CA机制。

若等待信道clear时间超过T7（CCA等待超时），不使用CSMA/CA机制，强行发送。

最长发送周期T9= T7+T1+ T4。

接收机开机后处于接收状态，按信道表进行周期性查询。

接收机信道查询时间T5>3个最长发送周期T9。

也就是，接收机轮询到遥控器所在的频率后，最多有3次接收连接请求的机会。

若接收到地址码匹配的数据包，建立连接，发送连接应答数据包。

连接过程如图2。

若遥控器在一个信道上等待的时间T10（信道等待时间）超过1个接收机轮询周期T6，更换信道，在新的信道上等待接收机。

各段时间表如表二。

表 3
图 2 连接请求命令与应答
7.2.2信道连接的维护
考虑到无线信道的特点，要求遥控器、接收机分别设置连接状态寄存器及连接超时寄存器，并按如下状态转移模式进行连接维护。

连接成功后，遥控器开始发送命令数据包，若命令发出后经过等待应答超时T4没收到应答，则重发命令。

重发命令模式与重发连接运行模式类似。

若一个命令数据包重复发送3次后仍没收到应答包，则认为连接丢失，更换信道，在新的信道等待接收机。

接收机若超时没收到遥控器的命令数据包，则认为连接丢失，继续按信道表查询。

超时等待时间T8>4*最长发送周期T9。

信道维护流程图如图4。

遥控器端接收机端
超时发
心跳包
图 3 连接后的信道维护
7.2.3跳频
若遥控器在一个信道上的等待时间超过T10未收到应答，或者连接上后重发次数已满还未收到应答，此时需要进行跳频。

跳频的过程为：
1，再次统计当前信道的RSSI，若RSSI满足可用信道条件，且平均RSSI小于RSSI参考值，则继续停留在该信道发送连接报文，等待接收机
2，如果当前信道不满足可用信道条件，则依次跳到下一个信道进行统计。

直到找到一个满足条件的信道。

3，若没有满足条件的信道，则使用所有信道中平均RSSI值最小的信道进行通信
7.3数据发送模式
数据的发送采用CSMA/CS机制和应答机制。

1，CSMA/CS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 Sense 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。

下面这个图示用来说明两个遥控系统如何避让：
发送到接
收转换/3.4ms
发送准备，等待CCA ，随机
接收到发送转换+发送准备
有命令输入，发送准备
载波监听
发送过程
接收过程
认为信道clear 的条件有两个
1， 相对差值。

当前采集的RSSI 值比上一次采集的RSSI 值小10dBm 。

2， 绝对值。

当前采集的RSSI 值小于-70dBm 。

为了防止无限制等待，当等待CCA 时间超过了CCA 等待超时T7，将强制发送。

2， 应答机制
遥控器端发送的任何消息都要求接收机立即应答。

如果超时未收到接收机的应答，则重发报文。

重发次数为3次。

只有遥控器端发送使用CSMA/CA 机制，接收机应答不使用CSMA/CA 机制。

下图表示通信3种情况。

7.4通信包结构
设备链路层实现数据包封装与数据发送，我们定义CC1100进行CRC16计算前的数据为链路层数据，链路数据由应用层数据打包得到。

表 4 链路层帧结构
地址码：用于遥控器与接收机配对，配对码错误，后续报文自动丢弃。

功能码：用来描述数据包的功能用途。

报文长度：是指“应用层数据”的长度，固定长度为14，小于255。

保留该字节是为了链路层的媒介无关的特性。

命令编号：为了防止遥控器重发命令时，接收机重复执行命令。

当遥控器收到正确回应命令编号加1，如果接收机收到命令编号与前一次的相同，则不执行该命令。

应用层数据：等待输的应用层数据，直接表达应用层的要求。

XOR校验：“地址码、功能码、报文长度、应用层数据”的所有字节的异或值，长度为1个字节。

链路层的数据包总长度为21字节。

8应用层帧格式
工业遥控系统支持报文类型参见下表。

表 5 报文类型表
表 6 请求通信连接：A0
表 7 应答通信连接：A1
表 8 遥控命令 A2
表 9 应答遥控命令 A3
表 10 心跳：A4
表 11 应答心跳：A5
表 12 PWM电流调节：A6
表 13应答PWM 电流调节：A7
9 通信报文数据流
下图给出了无线通信的数据流。

说明：
建立连接1
建立连接
3
建立连接2
控制命令1
控制命令2
控制命令3
停机命令1
停机命令2
停机命令3
图 4 无线通信数据流图格。