射频通信¶

射频通信是指通过无线电波进行信息传输的技术。它广泛应用于无线电、电视、手机、卫星通信等领域。射频通信的基本原理是将信息调制到射频信号上，通过天线发射和接收。本项目使用nRF24L01无线模块进行射频通信。

以下是nRF24L01无线模块的相关代码实现：

rf.hpp

#pragma once
#include <Arduino.h>
#include <RF24.h>

#define RF_CHANNEL 108
#define RF_PIPE_BASE 0xF0F0F0F000LL

struct RFMessage
{
    uint8_t from_id;
    uint8_t to_id;
    char payload[24];       
    uint64_t timestamp_ms; 
};


bool rf_init();
bool rf_send(uint8_t to_id, const RFMessage &msg, bool require_ack = false);
bool rf_receive(RFMessage &msg, unsigned long timeout_ms);
bool rf_send_then_receive(const RFMessage &msg, uint8_t to_id, unsigned long timeout_ms, uint8_t retries);

void rf_stop_listening();
void rf_start_listening();
void rf_set_rx_address(uint8_t id);
String rf_format_address(uint16_t node_id);

rf.cpp

#include "rf.hpp"
#include "config.hpp"
#include <SPI.h>

RF24 radio(9, 8);

String rf_format_address(uint16_t node_id)
{
    char buf[6];
    snprintf(buf, sizeof(buf), "N%03d", node_id);
    return String(buf);
}

void rf_set_rx_address(uint8_t id)
{
    uint64_t address = RF_PIPE_BASE | id;
    radio.openReadingPipe(1, address);
    radio.setAutoAck(true);
}

bool rf_init()
{
    if (!radio.begin())
    {
        Serial.println("[INIT] <RF> Initialization failed.");
        return false;
    }

    radio.setPALevel(RF24_PA_HIGH);
    radio.setDataRate(RF24_250KBPS);
    radio.setChannel(RF_CHANNEL);
    radio.setRetries(5, 15);
    radio.enableDynamicPayloads();
    radio.setCRCLength(RF24_CRC_16);

    rf_set_rx_address(NODE_ID);
    radio.startListening();

    Serial.print("[INIT] <RF> Initialized. Listening on ");
    Serial.println(rf_format_address(NODE_ID));
    return true;
}

void rf_stop_listening() { radio.stopListening(); }
void rf_start_listening() { radio.startListening(); }

bool rf_send(uint8_t to_id, const RFMessage &msg, bool require_ack)
{
    uint64_t tx_address = RF_PIPE_BASE | to_id;
    radio.openWritingPipe(tx_address);
    return radio.write(&msg, sizeof(RFMessage), require_ack);
}

bool rf_receive(RFMessage &msg, unsigned long timeout_ms)
{
    unsigned long start_time = millis();
    while (millis() - start_time < timeout_ms)
    {
        if (radio.available())
        {
            radio.read(&msg, sizeof(RFMessage));
            return true;
        }
    }
    return false;
}

bool rf_send_then_receive(const RFMessage &msg, uint8_t to_id, unsigned long timeout_ms, uint8_t retries)
{
    for (uint8_t attempt = 0; attempt < retries; ++attempt)
    {
        rf_stop_listening();
        bool sent = rf_send(to_id, msg);
        rf_start_listening();

        if (!sent)
        {
            Serial.print("[RF] Send failed (attempt ");
            Serial.print(attempt + 1);
            Serial.println(")");
            continue;
        }

        RFMessage response;
        if (rf_receive(response, timeout_ms) && response.to_id == NODE_ID)
            return true;

        Serial.print("[RF] No response received (attempt ");
        Serial.print(attempt + 1);
        Serial.println(")");
    }
    return false;
}

关键函数¶

函数名	功能描述
`rf_init()`	初始化 nRF24L01 模块，设置频道、数据速率等参数，并开始监听。
`rf_send(uint8_t to_id, const RFMessage &msg, bool require_ack = false)`	向指定节点 ID 发送 RFMessage 消息，可选择是否需要确认应答。
`rf_receive(RFMessage &msg, unsigned long timeout_ms)`	在指定超时时间内接收 RFMessage 消息。
`rf_send_then_receive(const RFMessage &msg, uint8_t to_id, unsigned long timeout_ms, uint8_t retries)`	发送消息后等待接收响应，支持设置重试次数。
`rf_stop_listening()`	停止监听，切换到发送模式。
`rf_start_listening()`	开始监听，切换到接收模式。
`rf_set_rx_address(uint8_t id)`	设置接收地址，指定要监听的节点 ID。
`rf_format_address(uint16_t node_id)`	将节点 ID 格式化为字符串形式，便于打印和调试。

RFMessage 结构体说明¶

RFMessage 结构体用于定义无线通信中传输的消息格式，包含以下字段：

from_id：发送方节点 ID。
to_id：接收方节点 ID。
payload：消息的有效载荷，最大长度为 24 字节。
timestamp_ms：消息的发送时间戳，单位为毫秒。

rf_init() 函数说明¶

rf_init() 函数用于初始化 nRF24L01 模块。函数首先尝试启动模块，如果失败返回 false。接着配置发射功率、数据速率、频道、重试机制，并启用动态有效载荷和 CRC 校验。随后调用 rf_set_rx_address(NODE_ID) 设置本节点接收地址，并进入监听模式。初始化成功后会打印当前节点地址并返回 true。

rf_set_rx_address() 函数说明¶

rf_set_rx_address(uint8_t id) 函数用于设置 nRF24L01 模块的接收地址。它将节点 ID 与预设基地址 RF_PIPE_BASE 进行位或操作，生成完整地址，然后调用 radio.openReadingPipe(1, address) 打开接收管道，并启用自动应答功能。

rf_format_address() 函数说明¶

rf_format_address(uint16_t node_id) 函数将节点 ID 格式化为字符串，格式为 "Nxxx"（如 N001、N100），使用 snprintf 实现，方便打印与调试。

rf_send() 函数说明¶

rf_send(uint8_t to_id, const RFMessage &msg, bool require_ack) 函数用于发送 RFMessage 消息到指定接收节点。它先生成对应的写入地址并执行发送。如果 require_ack 为 true，会等待接收方的确认应答。函数返回发送是否成功的布尔值。

rf_receive() 函数说明¶

rf_receive(RFMessage &msg, unsigned long timeout_ms) 函数用于在给定超时时间内尝试接收一条消息。如果成功接收到数据，则将其写入传入的 msg 对象，并返回 true；否则在超时后返回 false。

rf_send_then_receive() 函数说明¶

rf_send_then_receive(const RFMessage &msg, uint8_t to_id, unsigned long timeout_ms, uint8_t retries) 函数用于发送消息并等待回应。它会尝试最多 retries 次发送，每次发送后切换至监听模式等待响应。如果收到的响应中 to_id 与当前节点 ID 匹配，则返回 true，否则继续重试。所有尝试失败时返回 false。

rf_stop_listening() 和 rf_start_listening() 函数说明¶

rf_stop_listening() 用于停止监听模式，切换至发送模式，通过调用 radio.stopListening() 实现。
rf_start_listening() 用于启动监听模式，通过调用 radio.startListening() 实现接收功能。