沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）
第1章 绪论
随着传感器网络技术的发展，传感器网络在物联网的应用成为目前电子信息技术的热点，本题目选取nRF2401无线通信芯片作为收发模块来实现节点之间的无线数据通信，包括：研究一种适合与传感器网络应用的无线通信协议，开发基于nRF2401的嵌入式51单片机的协议栈，并能够实现nRF2401的信道选择、数据通信、差错处理等基本功能。
1.1 课题来源
WSN网络技术一经提出，就迅速在研究界和工业界得到广泛的认可。1998年到2003年，各种与无线通信、Ad Hoc网络、分布式系统的会议开始大量收录与WSN网络技术相关的文章。2001年，美国计算机学会(ACM)和IEEE成立了第一个专门针对传感器网络技术的会议International Conference on Information Processing in Sensor Network(IPSN)，为WSN网络的技术发展开拓了一片新的技术园地。2003年到2004年，一批针对传感器网络技术的会议相继组建。ACM在2005年还专门创刊ACM Transaction on Sensor Network，用来出版最优秀的传感器网络技术成果。2004年，Boston大学与BP、Honeywell、Inetco Systems、Invensys、Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems等公司联合创办了传感器网络协会，旨在促进WSN技术的开发。2006年10月，在中国北京，中国计算机学会传感器网络专委会正式成立，标志着中国WSN技术研究开始进入一个新的历史阶段。
基于以上信息，可以看出无线网络在以后的发展上有这巨大的潜力，所以我在毕业设计中设计了一个简单的无线网络节点机，可以实现点对点、点对多点和路由转发功能。
1.2 设计任务
本论文主要完成的任务有：熟悉nRF2401的性能、特点及使用方法；熟悉51单片机的指令系统和编程方法；设计无线数据传输模块的通信协议，协议要求提供基本
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的信道选择、数据通信、差错处理、路由转发等功能，数据编码及格式等；使用C语言来实现协议栈设计。
在此基础上，要去了解TCP/IP、UDP、802.11、802.15.4等协议，参考这些协议完成自己的毕业设计，了解无线局域网的基本结构和无线局域网在现实中的应用。
本论文主要实现的功能有：完成点对点通信、点对多点通信、路由转发通信。给出详细的协议设计过程、实现协议的基本功能、实现nRF2401的数据通信。
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第2章 方案分析
对于nRF2401的无线传感器节点机的设计主要有三个部分：发送数据、路由转发数据和接收数据。
对于这三个部分，都研究的是信道选择、数据通信和差错处理上，而对于路由转发，主要有两个方法，第一种方法是利用泛洪的思想，第二种方法就是建路径表。无线节点机的系统测试模型图如图2.1所示。
单片机A 单片机B nRF2401 nRF2401 nRF2401 单片机C
图 2.1 无线节点机测试模型
在这个测试模型中，单片机A与nRF2401组成网络节点A，单片机B与nRF2401组成网络节点B，单片机C与nRF2401组成个网络节点C。在数据传输过程中，A向B发送数据，如果A、B两个节点的距离大于nRF2401本身的传输距离，但是A、C节点和B、C节点的距离为nRF2401有效传输距离，那么A发送的数据可以通过C节点将数据转发到B节点。
nRF2401是一款工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括:频率发生器、增强型Shock Burst模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。
nRF2401具有极低的消耗电流，当工作在发射模式下，发射功率为-6dBm时电流
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消耗为9.0mA，接收模式时为12.3mA。掉电模式和待机模式下电流消耗更低。
2.1信道选择
无线网络中，信道选择的重要性不言而喻。在nRF2401中，在配置为接收模式时可以接收6路不用地址(通道0到通道5)的相同频率的数据。每个数据通道拥有自己的地址并且可以通过寄存器来进行分别配置。通常情况下不允许不同的数据通道设置完全相同的地址。
所有数据通道可以设置多达40位地址，数据通道0有40位可配置地址，是唯一的一个可以配置为40位自身地址的数据通道。数据通道1~5的地址为32位共用地址+各自的地址的最低字节，其中共用地址必须相同而各自的地址必须不同。如图2.2所示。
图 2.2 数据通道0~5的地址配置
当从一个数据通道中接收到数据，如果数据通道设置为应答方式的话，那么nRF2401在收到数据后产生应答信号，此应答信号的目标地址为接收通道地址。
在发送端，数据通道0被用做接收应答信号，因此数据通道0的接收地址要与发送端地址相等以确保接收到正确的应答信号。
2.2 发送和接收数据包
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在接收数据的时候，nRF2401模块配置成接收模式(CE=1)，在发射数据的时候，nRF2401模块配置为发射模式(CE=1,持续至少10us)，130us后启动发射，再过37us后发送一个字节。数据发送结束后，发送模块自动转入接收模式等待应答信号。发送模块在收到应答信号后产生中断通知MCU,接收模块接收到数据包后产生中断通知MCU。发送数据包时序图如图2.3所示。
图 2.3 发送数据包时序图
2.3差错处理
在nRF2401中，自带了CRC校验，CRC校验的长度是通过SPI接口进行配置的。一定要注意CRC计算范围包括整个数据包：地址、PID和有效数据等。
每一包数据都包括两位的PID(数据包序号)来识别接收的数据是新数据包还是重发的数据包。PID序号可以防止接收端同一数据包多次送入MCU，在发送方每次从MCU取得一包新数据后PID值加一。PID和CRC校验应用在接收方，识别接收的数据是重发的数据包还是新数据包。如果在链接中有一些数据丢失了，则PID值与上一包数据的PID值相同。这时，nRF2401将对两包数据的CRC值进行比较,如果CRC值也相
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