315M无线模块数据传输——深入研究小虫的机器人8元V35元的传输成本

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2022-04-10 13:40 153阅读 1赞

**实验一：链路层协议**

（友情提醒：如果你没有过通信调试的经验，看以下文字可能会觉得晕晕乎乎的，请跳过本小节直接从第二节开始）

用示波器查看315M接收模块的输出波形，发现有以下规律：

1）平时没信号的时候输出杂波（串口一直接收到乱码）；

2）有信号的时候，输出发送模块送来的波形，但是最开始的一个字节数据会有干扰；

3）信号发送结束后，输出端会有100ms左右的寂静期（输出低电平），然后重新输出杂波；

4）数据发送期间，刚开始的数据的输出波形比较干净，信号持续的时间越长，越容易出现干扰（串口接收数据出现1-2bit的误码）。

根据以上特点，确定315M模块发送的帧结构如下：引导码+间隔15ms+帧头+数据+校验位，解释如下：

1）引导码的作用：从没信号到有信号的开始阶段，数据会有干扰，所以先发送几个字节的引导码。这样即使其中的1-2个引导码因为干扰而丢掉也没有关系。接收端收到引导码不保存，自动忽略。我的盖革计数器协议中，引导码为4个字节的字符‘A’。

2）引导码+间隔15ms：保证从帧头开始，输出信号的波形非常干净；

3）帧头：告诉接收端一个帧的开始。我的盖革计数器协议中，帧头为两个字符“AT”。帧头第一个字节跟引导码相同，这样在接收端处理接收数据时可以自动忽略重复收到的字符‘A’。

4）校验：因为315M无线传输极易出现干扰，所以必须加上帧校验，避免将干扰信号误认为是有效数据。我的盖革计数器协议中，采用异或和的校验方式，具体为：将数据所有字节进行异或计算，取得一个异或和作为校验位。

5）检验的改进：经过大量测试发现，经常出现以下情况：数据的某一个bit受到干扰，例如0变成1，而恰巧校验和的同一个bit也同样因为干扰而由0变成1，这样事实上收到了一位错误的数据，但是检验却刚好正确，接收端误认为是正确的数据。为了避免以上的情况，将校验和改为：异或和取反，即将数据所有字节进行异或计算，取得一个异或和，再取反作为校验位。

6 ）帧长：由于上面观察到的规律4，发送长帧的时候容易出现误码，而发送短帧的时候正确率接近100%。我的盖革计数器协议中，本来采用长度为12字节的帧一次将一分钟/5分钟/1小时/1天测量平均值发送给PC机，后来改为长度为6字节的短帧，分4次发送4个测量平均值。帧结构为：AAAA-15ms-AT-数据类型-数据高字节-数据低字节-校验和。

**实验二：天线**

在网上查询了资料，关于315M模块的天线，有以下3种说法：

1）弹簧天线，用1mm的铜线绕成弹簧形状，弹簧直径6mm，绕23圈。淘宝上卖的模块有部分是不焊天线的，如果有天线，就是这样的弹簧天线。

2）用25cm的长导线，竖起来。

3）315M模块用39cm的导线，433M模块用23cm。

测试条件：速率1200bps。接收模块采用稳压5V供电，发送模块采用未经稳压的11V供电。发送模块的工作电流：静态3.7mA，发送数据时4-11mA（发送第一帧的时候4mA，第二帧5mA，第三帧6mA，如此逐次上升，到11mA再逐次下降到4mA。不知道为什么会变化）。发送连帧头+数据+校验位共6个字节的短帧。测试结果：

1）弹簧天线：直线距离大于8米开始出现误码帧；

2）25cm导线：书房到客厅，距离13米，隔一堵墙，开始出现误码帧；

3）39cm导线：书房到阳台，距离15米，隔2堵墙一道门，正确率100%。如果改为发送12字节的长帧，开始出现误码，误码帧30%，正确70%。

结论：采用39cm的导线效果最好。

**实验三：采用归零码**

在网上查阅了一些资料，称数据通信最好不要采用非归零码，尤其是不能出现长1或者长0，否则容易受到干扰。建议采用归零码，例如曼切斯特码或者POCSAG码等。所谓的归零码就是发送的所有数据中，出现高电平和低电平的时间总和刚好是50%-50%。例如曼切斯特码，不再用高电平/低电平表示1和0，而是用电平跳变表示1和0，例如低电平变成高电平（上升沿）为1，下降沿为0，这样无论发送任何数据，都保证高电平和低电平的时间刚好是50%-50%。

用示波器观察接收波形，跟资料描述的一致。我发送的数据帧为：AT-00-01-02-校验和，其中有大量的长0，很容易受到干扰将00变成01，或者40之类，其实只有一个bit出错，由于校验失败，整个帧就要丢弃。如果是12字节的长帧，出现误码帧的概率更大，一共96个bit，只要任何一个bit受到干扰出错，整个帧就要丢弃。

原来的长帧结构为：

AAAA-15ms-AT-10-00-01-02-03-04-05-06-07-XOR，现在改成归零码：

0x5a-0x5a-0x5a-0x5a-15ms-0x5a-0xa5-99-55-56-59-5a-65-66-69-6a-XOR（原来的引导码和帧头AT不符合归零码规则，改为0x5a-0xa5）。

效果超好！从书房到阳台（距离15米，隔2堵墙一道门）正确率100%。发送在13楼，接收走到10楼，仍然保持正确率100%。走到9楼（隔4层楼）开始出现误码帧。走到8楼（隔5层楼）只能偶尔收到一帧。

这个效果已经超过我在TB上买的成品CC1100数传模块，单个模块60块钱，带SMA鞭状天线，在9600速率下，书房到阳台ok，隔一层楼ok，1.5层楼开始出现误码，隔2层楼则只能偶尔收到数据。

\------------------------------- 总结-------------------------------------------------

1）采用帧结构：0x5a-0x5a-0x5a-0x5a-间隔15ms-0x5a-0xa5-数据-XOR\_SUM\_NOT，尽量缩短帧长度；

2）数据采用曼切斯特码来编码，可以极大地提高传输性能；

3）天线采用39cm的导线，竖起来，效果最佳。