如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸

引言

隨著我國(guó)信息化進(jìn)程的全面推進(jìn)，各行業(yè)對(duì)信息化也提出了較高的要求。對(duì)傳輸信息化的認(rèn)識(shí)也從單純的數(shù)字化提升到數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化、無(wú)線(xiàn)化相統(tǒng)一的高度。針對(duì)目前的信息化要求，原有的有線(xiàn)傳輸系統(tǒng)雖可完成數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化，但復(fù)雜的布線(xiàn)、高昂的維護(hù)成本都使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布范圍受到了很大的限制，這在很大程度上阻礙了數(shù)據(jù)傳輸信息化的深入和普及。移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以很好的解決上述問(wèn)題，移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、終端管理計(jì)算機(jī)、監(jiān)控中心組成，它可將數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝于可移動(dòng)載體，從而將現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)終端管理計(jì)算機(jī)處理后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通道傳送到監(jiān)控中心，以便監(jiān)控中心隨時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)的狀況，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)移動(dòng)監(jiān)測(cè)?？紤]到實(shí)際應(yīng)用的需要，本文設(shè)計(jì)了一種基于CDMA或GPRS的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)傳輸要求的不同更換相應(yīng)模塊，從而完成更多功能。

1 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方式

目前，移動(dòng)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ㄖ饕℅SM短消息、CDMA、GPRS和其它方式（如wifi、紅外、藍(lán)牙、ZigBee等），他們各自具有的特點(diǎn)如下所示：

GSM（Global System of Mobile communication，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）短消息傳輸用的是信令信道，采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式，傳輸延時(shí)不固定，具體視當(dāng)前的短消息業(yè)務(wù)使用情況而定。該方式的最為主要的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率低、具有延遲性且時(shí)間不定。

CDMA （Code Division Multiple Access）又稱(chēng)碼分多址，是一種無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，系統(tǒng)可為每個(gè)用戶(hù)分配各自特定的地址碼。地址碼之間具有相互準(zhǔn)正交性，從而在時(shí)間、空間和頻率上都可以重疊。CDMA 1X的理論傳輸速率可達(dá)300 kbps，目前的實(shí)際傳輸速率大約在100 kbps左右，并可支持移動(dòng)IP業(yè)務(wù)，可用于Intemet連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取DMA允許所有使用者同時(shí)使用全部頻帶（1.2288Mhz），且把其他使用者發(fā)出訊號(hào)視為雜訊，完全不必考慮到訊號(hào)碰撞 （collision） 問(wèn)題。CDMA中所提供語(yǔ)音編碼技術(shù)，通話(huà)品質(zhì)比目前GSM好，且可把用戶(hù)對(duì)話(huà)時(shí)周?chē)h(huán)境噪音降低，使通話(huà)更清晰。就安全性能而言，CDMA不但有良好的認(rèn)證體制，更因其傳輸特性，用碼來(lái)區(qū)分用戶(hù)，防止被人盜聽(tīng)的能力大大增強(qiáng)。 Wideband CDMA（WCDMA）寬帶碼分多址傳輸技術(shù)，為IMT-2000的重要基礎(chǔ)技術(shù)，將是第三代數(shù)字無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)之一。

GPRS （General Packet Radio Service）是通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是GSM移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS可說(shuō)是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）式來(lái)傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)頻道，理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps。它經(jīng)常被描述成“2.5G”，也就是說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)位于第二代（2G）和第三代（3G）移動(dòng)通訊技術(shù)之間。GPRS采用分組交換技術(shù)?？筛咝鬏敻咚倩虻退贁?shù)據(jù)和信令，GPRS的理論傳輸速率可達(dá)171.2 kbps，實(shí)際傳輸速率大約在40 kbps。

藍(lán)牙技術(shù)是1994年由愛(ài)立信公司首先提出的一種短距離通信技術(shù)規(guī)范，它采用Ad hoc方式工作，可以在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)路由選擇功能。藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)主要定義的是底層協(xié)議，也定義了一些高層協(xié)議和接口，具體包括核心協(xié)議、藍(lán)牙電纜替代協(xié)議RFCOMM、電話(huà)傳送控制協(xié)議、與Internet應(yīng)用相關(guān)的一些高層協(xié)議等。藍(lán)牙是一種尖端的開(kāi)放式無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)，能夠在10m的范圍內(nèi)無(wú)線(xiàn)連接桌面型電腦、PDA便攜設(shè)備等。藍(lán)牙技術(shù)實(shí)際上是一種短距離的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，是一種無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開(kāi)放性全球規(guī)范。藍(lán)牙系統(tǒng)一般由無(wú)線(xiàn)單元、鏈路控制（固件）單元、鏈路管理（軟件）單元和藍(lán)牙軟件（協(xié)議棧）單元4個(gè)功能單元組成。藍(lán)牙的傳輸距離為10 cm～10 m，如果增加功率或者是加上某些外設(shè)，則可達(dá)到100 m的傳輸距離。它采用2.4 GHzISM頻段和調(diào)頻、跳頻技術(shù)，使用權(quán)向糾錯(cuò)編碼、ARQ、IDD和基帶協(xié)議。

ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是最近幾年涌現(xiàn)的一項(xiàng)熱門(mén)，目前全球已有350多家國(guó)際知名企業(yè)加入ZigBee聯(lián)盟組織，以推廣ZigBee技術(shù)，使其成為領(lǐng)先的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、傳感、控制標(biāo)準(zhǔn)并在全球范圍內(nèi)應(yīng)用于消費(fèi)電子、能源、家庭、商業(yè)和工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域［24］。ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，這是IEEE無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)（PAN， personal area network）工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的CDMA或GSM網(wǎng)，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)理論上最多可支持65535個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間的通信距離可以從75m開(kāi)展到數(shù)百米甚至幾公里。ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)的802.15.4無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的、有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它的有效覆蓋范圍是10～75 m。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)速率降低到28 kbps時(shí)，傳輸范圍甚至可以擴(kuò)大到134 m，因而具有更高的可靠性。

本文采用的是高性能的飛利浦公司的微處理器LPC2210，LPC2210是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入跟蹤的32/16位ARM7TDMI-S CPU。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)30%，而性能的損失卻很小。

LPC2210可以廣泛應(yīng)用在工業(yè)、民用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，特別適用于一些難于布線(xiàn)的地區(qū)和邊遠(yuǎn)地區(qū)。設(shè)計(jì)采用的CDMA無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊采用華為EM200，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS232接口與處理器相連。本文介紹的是如何傳送用戶(hù)數(shù)據(jù)信息。實(shí)際上，用戶(hù)數(shù)據(jù)信息只是整個(gè)信息傳輸管理系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用，通過(guò)更換不同的數(shù)據(jù)源模塊可實(shí)現(xiàn)不同的信息傳輸，從而構(gòu)成不同的信息傳輸管理系統(tǒng)，如遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等等。

2 組網(wǎng)方案

M2M（Machine to Machine）是通過(guò)移動(dòng)通訊對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效控制，從而將商務(wù)的邊界大幅度擴(kuò)展或創(chuàng)造出較傳統(tǒng)方式更高效率的經(jīng)營(yíng)方式亦或創(chuàng)造出完全不同于傳統(tǒng)方式的全新服務(wù)。M2M以設(shè)備通訊控制為核心，將原來(lái)低效率或甚至不可能的信息傳輸應(yīng)用于商業(yè)中以獲得更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。M2M的商務(wù)模式目前應(yīng)用方興未艾，主要有移動(dòng)物流管理（M-logistic management）、移動(dòng)支付（M-POS）、移動(dòng)監(jiān)控（M-monitoring）等。

M2M（機(jī)器到機(jī)器）數(shù)據(jù)傳輸方式目前在多個(gè)行業(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用，它可通過(guò)數(shù)據(jù)采集終端對(duì)分布于各地的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)通用接口鏈接到CDMA無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，再通過(guò)它對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行透明傳輸，將相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的數(shù)據(jù)中心。圖1所示是基于CDMA的移動(dòng)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與用戶(hù)的數(shù)據(jù)中心之間一般可通過(guò)TCP／UDP建立數(shù)據(jù)連接。用戶(hù)的數(shù)據(jù)中心作為通信的服務(wù)端，具有公用的固定IP，并指定偵聽(tīng)端口。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸模塊可設(shè)定為上電自動(dòng)撥號(hào)，如果無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與用戶(hù)的數(shù)據(jù)中心之間采用TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，則自動(dòng)與服務(wù)器建立TCP連接。

3 無(wú)線(xiàn)數(shù)傳終端的硬件組成

無(wú)線(xiàn)數(shù)傳終端的硬件部分主要包括ARM CPU控制模塊LPC2210、CDMA Modem模塊及電源三部分，其硬件連接關(guān)系和結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

LPC2210是Philips公司的一款16／32位ARM7TDMI-S CPU微控制器。它是基于ARM通用體系結(jié)構(gòu)的RISC微處理器，具有低成本、低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)。通常通過(guò)RS232／485口接收到用戶(hù)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)打成IP包后，可利用EM200模塊接入CDMA網(wǎng)絡(luò)，然后通過(guò)各種網(wǎng)關(guān)和路由將數(shù)據(jù)發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)或者數(shù)據(jù)處理中心。嵌入式CPU芯片是整個(gè)數(shù)據(jù)采集終端的核心部分，它不僅要能支持嵌入式操作系統(tǒng)，而且要提供Modem接口用于對(duì)CDMA的控制；EM200模塊主要完成無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)功能，它可通過(guò)RS232接口與ARM CPU的Modem接口進(jìn)行連接，以完成對(duì)模塊的控制（比如撥號(hào)和切換模式等）。一旦通過(guò)模塊連接上Internet，那么，采集到的數(shù)據(jù)就可以用TCP／IP傳輸方式發(fā)送到任意一個(gè)具有公網(wǎng)IP地址的主機(jī)上去，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸。

3.1 UIM卡接口設(shè)計(jì)

EM200型CDMA無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊集成有符合IS07816-3標(biāo)準(zhǔn)的UIM卡接口，通過(guò)PCB的走線(xiàn)可以連接到模塊B2B連接器上。從而為外部UIM卡座提供UIM卡接口信號(hào)。EM200型CDMA無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊可支持并能夠自動(dòng)檢測(cè)3.0V和1.8V的UIM卡，本設(shè)計(jì)用到的是3.0V的UIM卡。表1所列是系統(tǒng)連接器上的UIM卡針的接口定義。

在射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，EMC是一個(gè)必須考慮的問(wèn)題?？紤]到EMC（Electromagnetic Compatibility電磁兼容性）的要求，在設(shè)計(jì)中可將UIM卡座盡量設(shè)計(jì)到離EM200無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊接口較近的位置，這樣可以避免因?yàn)樽呔€(xiàn)過(guò)長(zhǎng)而引起的波形變形，降低對(duì)信號(hào)通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?。在?shí)際設(shè)計(jì)中，可在UIM-VCC和UIM-GND之間并聯(lián)一個(gè)0．1μF的電容，并在UIM-CLK、UIM-IO、UIM-RST與UIM-GND之間并聯(lián)一個(gè)33p的電容，這樣可以濾除射頻信號(hào)的干擾。同時(shí)應(yīng)在UIMCL-K、UIM-IO、UIM-RST走線(xiàn)上串聯(lián)33Ω的電阻。UIM與EM200模塊的接口電路連接關(guān)系圖如圖3所示。

3．2 系統(tǒng)音頻部分設(shè)計(jì)

EM200模塊提供有完整的音頻接口，設(shè)計(jì)時(shí)只需要增加少量外圍輔助元器件即可。音頻分為主通道和輔助通道兩部分。此外，為了音頻信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，音頻設(shè)計(jì)也應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離模塊的射頻部分，以降低射頻對(duì)于音頻的干擾。由于第一路音頻輸入輸出通道（MICI-P、MICI-N；EARl-P、EARl-N）全部為差分信號(hào)，所以在具體的PCB布線(xiàn)時(shí)，必須滿(mǎn)足差分信號(hào)（差分信號(hào)是用一個(gè)數(shù)值來(lái)表示兩個(gè)物理量之間的差異）走線(xiàn)的要求，并且走線(xiàn)要盡可能的短，以避免射頻信號(hào)對(duì)音頻產(chǎn)生干擾。如果僅使用一路音頻通道，那么，最好使用第一路主音頻通道。其主音頻輸入輸出通道的設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

3．3 系統(tǒng)狀態(tài)指示燈設(shè)計(jì)

由于無(wú)線(xiàn)通信過(guò)程看不見(jiàn)摸不著，這在某種程度上加大了程序調(diào)試的難度，為了更直觀的了解無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了由EM200 CDMA無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊LPG管腳控制的LED燈來(lái)作為指示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的標(biāo)志。并通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)指示燈閃爍模式的不同來(lái)表示不同的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于LPG管腳的驅(qū)動(dòng)能力有限，不足與直接驅(qū)動(dòng)LED，因此需要加一級(jí)三極管放大電路，具體的狀態(tài)指示燈電路如圖5所示。

4 移動(dòng)終端軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件由上位機(jī)和下位機(jī)軟件、服務(wù)器應(yīng)用界面和數(shù)據(jù)庫(kù)三部分構(gòu)成，下位機(jī)軟件負(fù)責(zé)ARM微控制器與CDMA模塊之間的串口通信，其程序流程圖如圖6所示。

要使得無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠正確的傳送數(shù)據(jù)，就必須順利接入網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要登陸CDMA網(wǎng)絡(luò)并與PDSN網(wǎng)關(guān)通過(guò)LCP、PA-P、IPCP協(xié)議進(jìn)行協(xié)商。其中LCP、PAP和IPCP協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)大同小異，最常用的是請(qǐng)求REQ、響應(yīng)ACK和拒絕NAK三種幀。LPC2210微控制器與PDSN各為一方進(jìn)行協(xié)商，任何一方都可以發(fā)送REQ幀來(lái)請(qǐng)求某方面的配置，另一方認(rèn)為不能接受配置，則會(huì)回應(yīng)NAK幀；如果可以接受，則回應(yīng)ACK幀。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)近年來(lái)監(jiān)控系統(tǒng)、CDMA數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，本文介紹了一種移動(dòng)終端在計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法。在此基礎(chǔ)上，如果在監(jiān)控端建立數(shù)據(jù)接收軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)，以用來(lái)接收來(lái)自CDMA網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，以備查詢(xún)，則可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)施傳輸和歷史查詢(xún)。而如果用ARM控制器直接讀取監(jiān)控器或傳感器的數(shù)據(jù)以完成數(shù)據(jù)采集，則可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和無(wú)線(xiàn)傳輸控制。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在出租、氣象、公安、運(yùn)輸、水利等方面具有廣泛的應(yīng)用。