（控制理论与控制工程专业论文）集装箱码头无线通信系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着全球集装箱运输业的迅猛发展，我国集装箱码头的吞吐量保持了高速的 增长。集装箱业务量的增大不但带来了庞大的经济效益，更给集装箱码头通货 能力带来了巨大的压力。各个港口为了提高自生的竞争力，都积极探索新技术、 新设备，将高新技术成果应用到码头的作业中。传统的工业控制网络由于其采 用有线传输介质的局限性，很难适应码头复杂的地理位置和恶劣的工作环境， 而以电磁波为信息载体的无线通信技术正好弥补了这一空白。随着无线通信技 术的发展，手持式移动终端和车载式移动终端被广泛应用在码头无线通信中， 这对于提高码头装卸效率及设备利用率都具有积极的作用。因此基于无线网络 的集装箱码头信息管理系统的研究也越来越受人关注。 集装箱无线通信系统具有高移动性、强保密性、抗干扰能力强、架设与维护 便捷的特点，充分弥补了有线传输的局限性，适合在用于控制室与现场理货操 作人员的交流，如安排堆场作业、调动货柜、指挥现场人员装卸船等，就目前 的应用情况，集装箱无线通信系统已经在大部分港口得到应用。 本文主要围绕集装箱码头无线通信系统的建立和应用，首先在实地考察了集 装箱码头现有的无线通信系统，在掌握其工作状态和存在的问题后，提出采用 单片机开发集装箱码头的无线通信系统。自行设计底层无线通信协议，然后采 用高速单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 作为控制器，无线射频芯片c c l l 0 0 作为无线收发器， 完成基本调度信息的无线传输，同时具有参数设置、无线重发机制等功能；利 用可视化编程工具及s q ls e r v e r2 0 0 0 完成上位机软件，利用a d o 技术实现 调度数据的存储与显示，同时上位机还具有用户管理，终端信息管理等功能。 关键词：集装箱码头，无线通信，单片机，无线收发芯片c c l1 0 0 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fg l o b a lc o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o n i n d u s t r y ， c o n t a i n e rp o r tt h r o u g h p u tm a i n t a i n e daf a s tg r o w t hi no u rc o u n t r y t h ei n c r e a s i n go f c o n t a i n e rv o l u m eh a sb r o u g h tn o to n l yah u g ee c o n o m i cb e n e f i t s ，b u ta l s ob r o u g h t t r e m e n d o u s p r e s s u r e t ot h ec o n t a i n e rt e r m i n a l i no r d e rt oe n h a n c et h e c o m p e t i t i v e n e s s ，p o r t sa r ee x p l o r i n gn e wt e c h n o l o g i e sa n dn e we q u i p m e n ta c t i v e l y ， a n dh i g h - t e c ha c h i e v e m e n t sa r ea p p l i e dt ot h et e r m i n a lo p e r a t i o n s t r a d i t i o n a l i n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k sh a sl i m i t a t i o nb e c a u s ei ta d o p tc a b l et r a n s m i s s i o nm e d i u m , i ti sd i f f i c u l tt o a d a p tt o t h ec o m p l e xg e o g r a p h i cl o c a t i o na n dp o o rw o r k i n g c o n d i t i o n s ，h o w e v e r ，t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sm a k i n gu pf o rt h i s g a p w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ，p d aa r ew i d e l y u s e di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i th a sap o s i t i v ee f f e c tf o ri m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c y o fp o r ta n du t i l i z a t i o no fd e v i c e s p e o p l ec o n c 圯r l lm o r ea n dm o r eo i lt h ew i r e l e s s n e t w o r kr e s e a r c hf o rc o n t a i n e rt e r m i n a lc o n t r o ls y s t e m c o n t a i n e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sf e a t u r e ss u c ha sh i g hm o b i l i t y ， s t r o n gc o n f i d e n t i a l i t y ，a n t i - i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t ) ra n dc o n v e n i e n ts e t 叩a n dm a i n t a i n i t c o m p e n s a t e sf o rt h e l i m i t a t i o n so fw i r et r a n s m i s s i o n , a n di ti su s e df o r c o m m u n i c a t i o nb e f w e e nc o n t r o lr o o ma n ds i t eo p e r a t o r sa tt h es c e n e ，s u c ha s a r r a n g i n gy a r dl o c a t i o n , m o v i n gt h ec o n t a i n e r , c o m m a n d i n go p e r a t o r sa tt h es c e n e ， l o a d i n ga n du n l o a d i n gs h i p sa n ds oo i la st h ec u r r e n ta p p l i c a t i o n , c o n t a i n e rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e e na p p l i e di nm o s tp o r t s t h i s p a p e r i sa r o u n dt h ee s t a b l i s h m e n ta n d a p p l i c a t i o n s o fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s t h ea u t h o ri n s p e c t sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m sf o r c o n t a i n e rt e r m i n a li nt h et i c l d , a f a rg e t t i n gt h ew o r ks t a t e m e n ta n dp r o b l e m s ，t h i s p a p e rr a i s e saw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fc o n t a i n e rt e r m i n a ld e v e l o p e db y m c u i td e s i g n st h e u n d e r l y i n gw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l b yu s i n g l l i g h - s p e e dc 8 0 5 1f 0 2 0m c ua sac o n t r o l l e ra n dr a d i of r e q u e n c ya sar a d i o t r a n s c e i v e r c h i pc c 110 0t o c o m p l e t e dt h e b a s i co p e r a t i o no ft h e w i r e l e s s t r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o n i th a sf e a t u r e ss u c ha ss e t t i n gp a r a m e t e r sa n dt h e 一一 武汉理工大学硕士学位论文 m e c h a n i s mo fr e - i s s u e dw i r e l e s s p cs o f t w a r ei s r e a l i z e d b yu s i n gv i s u a l p r o g r a m m i n gt o o l sa n ds q ls e r v e r2 0 0 0 ，t h es c h e d u l i n gd a t as t o r a g ea n dd i s p l a y i sr e a l i z e db yu s i n ga d o t e c h n o l o g y p cs o f tc a na l s om a n a g eu s e r sa n dt e r m i n a l i n f o r m a t i o n k e yw o r d s ：c o n t a i n e rt e r m i n a l ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e r ；, w i r e l e s st r a n s c e i v e rc c 1 10 0 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：羔扳挈日期：j 业 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) ：日期型 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文背景及研究的目的意义 随着国家经济建设的发展，近年来集装箱码头业务发展迅速，无论是内陆 港，还是进出口港都对港口业务建设的数字化提出了越来越高的要求，数字化 港口是港口业务发展的方向。 码头因为复杂的地理位置和特殊功能造成了传统网络使用上的不便。码头 的工作环境有其特殊性。首先，在码头的有些地段，尤其是近海作业区，因为 受海潮的影响，不适合大面积在地面敷设线路；其次，架空明线也是码头尤其 是作业区不允许的。因为大型起重装置在作业区是移动的，使得架空线的高度 成为极大问题；第三，现场的场桥、集卡等港口设备长期并在潮湿和具有腐蚀 性空气的海边作业，冬季最低气温可能到冰点以下，设备需要在剧烈震动下进 行稳定的数据交互。最后，相当部分的码头作业具有移动性，不可能采用有线 的通信方式。 因此，码头集装箱调度管理主要采用无线通信的方式。 码头无线网络作为有线网络的一个重要补充，主要应用范围一般在两个方 面： ( 1 ) 远距离信息通讯： 远距离信息通讯一般用于控制室与现场理货操作人员的信息沟通，例如安 排堆场的作业设备现场作业、调动货柜、安排货柜集卡的提箱、落箱场位、指 挥船边理货人员装卸船等等。 ( 2 ) 远距离的数据处理： 码头的数据处理一般应用于现场理货人员将现场实时信息传回堆场管理控 制系统，以利操作数据实时更新，方便相关作业的开展。例如：堆场理货人员 将现场集装箱实时场位定时确认给堆场管理控制系统，然后中央控制人员即可 方便对此堆场场位继续操作1 1 】。 由于我国在无线通信方面的研究起步较晚，集装箱码头无线通信系统采用 的设备大多是国外公司生产的。其中，应用最广泛的是得逻辑公司( p s i o n t e k l o g i x ) 提供的无线通信方案。同时，得逻辑无线产品在码头行业的市场占有 武汉理工大学硕士学位论文 率为全球第一。 得逻辑提供的无线网络方案，从通信频率上看有4 0 0 m h z 和2 4 g h z 两种， 采用有中心的拓扑结构，首先建一个中心站点，也就是基站作为网络接入点， 然后各个无线终端同中心站点通信组成无线局域网。无线局域网的高移动性、 强保密性、抗干扰性和架设与维护便捷的特点，适合在频繁移动、成长快速、 各类突发性事件，以及不方便铺设有线网络的情况下使用。得逻辑2 4 g h z 无线 数据传输系统采用了i e e e8 0 2 1 l bf i ri l m 直频技术，具有高带宽、兼容性好等 特点。另外还有直接使用现有的g p r s 网络进行无线通信的。 本人于2 0 0 6 年1 0 月至2 0 0 6 年1 2 月在深圳妈湾和招商港的实地考察，发现 得逻辑无线通信系统也存在不利的方面。第一，设备价格高，由于得逻辑处于 市场垄断地位，因此其产品价格普遍较高。第二，设备返修率较高，本人实地 考察时发现，得逻辑无线终端即使其在码头行业的市场占有率全球第一，但是 还会经常发生设备的故障，尤其是使用扣3 年以上的无线终端，返修率依然很 高，这为码头正常工作带来了很多不必要的麻烦。第三，设备维护成本高，对 于码头无线通信设备，必须有专门的人员进行定时的设各检修和维护，这也为 码头增加了许多额外的成本。 本文就是基于这个前提下提出了集装箱码头无线通信系统的研究，这种方 法采用无线射频技术、单片机技术及计算机信息管理技术，把这些技术综合起 来，自行开发相应的通信协议，希望能够实现码头无线通信系统的国产化。 1 2 论文研究领域的现状及发展趋势 在上个世纪9 0 年代以前，由于我国技术条件的限制，大部分的集装箱管理 还处于“准实时”水平( 即管理中心下达的作业指令不能即时到达执行者，执行者 执行完毕的信息不能即时返回管理，因而产生数据“积压”) 。些码头的无线通 信网采用对讲机组成，对讲机具备技术成熟、价格便宜、组网方便的特点，在相 当长的时间内缓解了码头生产现场的无线通信需求。但是对讲机经常发生语音 错误、输入错误等原因。另外其结构简单、功能单一，频率资源紧张的制约，每 个对讲机网内只能容纳有限的用户数量，否则会造成互相干扰严重，无法组成 全公司甚至全集团的调度指挥网。这样一来，集团及各公司的调度很难与生产现 场直接联络，各公司问、各生产班组阅也无法进行调度联系。不利于有效地传达 2 武汉理工大学硕士学位论文 信息，组织生产。现代港口的发展，已经不适合采用对讲机系统。 还有一些国内港口集装箱码头的集装箱货柜车是采用无线寻呼系统进行调 度，无线寻呼系统是单向通信系统，具有技术成熟、系统稳定、建设成本低的 特点。但是，在随着通信技术及市场的发展，无线寻呼系统使用已经越来越少 了，在国内从事无线寻呼系统产品( 包括关键的寻呼发射机、寻呼编码器、寻 呼接收机) 的生产的公司越来越少。无线寻呼系统在运行过程中存在系统风险 和人才风险，只要系统任何一个部位发生损坏，都不可能找到新产品更换，其 二是，无线寻呼系统维护公司不会为此保留寻呼技术人才，没有寻呼系统实验 环境，不可能提供熟练的维护人员。 目前，无线局域网( w l a n ) 在集装箱码头上的应用较为普遍。无线局域 网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它利用了无线多址信道的一种 有效方法来支持计算机之间的通信，能够实现通信的移动化、个性化和多媒体应 用。无线局域网是在不采用传统缆线的同时，提供以太网或者令牌网络的功能， 其采用i e e e8 0 2 1 1 标准，提供i - l l m 的传输速度。在工作中无线通信系统主 要解决移动运输车辆和大型装卸桥与网络中心的数据交换问题。一般通过无线 终端输入简单数据，数据通信接口为网络接v i ，这样联网方便，传输速率高，系 统扩展容易1 4 - 5 1 。 与有线局域网相比较，无线局域网具有高移动性、强保密性、抗干扰性和 架设与维护便捷等特点。可实现“任何人在任何时间，任何地点以任何方式与任 何人通信”，弥补了传统有线局域网的不足。 无线局域网分为“点到点 j f f l “主从”两种配置。“点到点”配置用于连接p c 或 便携式计算机，允许计算机在无线网络覆盖范围内移动并自动建立点到点的连 接，在不同系统之间直接进行数据传输。 在“主从”配置中，所有无线节点都与“访问节点”连接，由访问节点承担无线 通信的管理及与有线网络桥接的工作。使用“主从”配置，无线用户在访问节点覆 盖范围内工作时，无需为寻找其它节点而耗费电量，因此节约了资源，是最理 想的低耗电工作方式。根据对码头工作的特点，码头无线通信一般选择“主从” 方式配置。 根据无线局域网的特点，i e e e 制定了8 0 2 1 1 标准，它是无线局域网目前最 常用的传输协议，8 0 2 1 1 使用2 4 g 信道，物理层可选择采用跳频扩频( f r e q u e n c y h o p p i n gs p r e a d i n gs p e c t r u m , f h s s ) 、直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d i n g 武汉理工大学硕士学位论文 s p e c t r u m , d s s s ) 或扩散红外线( d i f f u s e di n f r a r e d , d f i r ) 技术，速率最高能达 到2 m b p s 。之后，i e e e 又相继推出了8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l b 两个标准。8 0 2 1 l b 也 使用2 4 g 信道，物理层采用互补编码键控( c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ，c c k ) 调制技术，使得传输速率最大可达l1 m b p s ；8 0 2 1 1 a 的物理层是基于正交频分多 路复用( o r t h o g o n a lf r e q q u e n e yd i v i s i o nm u l t i p l e x ，o f d m ) 技术进行传输的，工 作在5 2 g h zi s m 频段，最大传输速率可达5 4 m h z ，克服了原来不能很好的传递 视频、音频、图像等数据的不足。正是当该技术成熟后无线局域网开始被广泛 应用于工业控制系统，同时基于无线局域网技术的工业控制产品开始广泛的生 产和应用。 1 3 论文的主要研究内容 本文重点对集装箱码头无线通信系统进行研制。系统的工作原理是上位机发 出指令，由基站通过无线方式把指令发出，终端机在收到指令后按照指令内容 进行相应的工作，同时基站会以轮询的方式发送通讯许可，终端机在有需要返 回信息时，等待通讯许可来临时，把作业情况返回给基站，调度人员也同时收 到该信息，并且根据不同情况做相应的处理。本系统还具有密码验证、参数的 设定及修改等功能。 本文的主要研究内容大致如下： ( 1 ) 集装箱码头无线通信系统的系统框架； ( 2 ) 集装箱码头无线通信系统上位机软件设计；主要包括上位机软件的功 能设计 ( 3 ) 集装箱码头无线通信系统的底层协议的设计，在实地调研集装箱码头 工作情况下，自己设计开发底层无线通信协议，用于无线数据的传输。 ( 4 ) 集装箱码头无线通信系统基站的软硬件设计： ( 5 ) 上位机与下位机的通讯实现。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章集装箱码头无线通信系统的方案设计 2 1 系统设计背景 2 1 1 系统的工作环境 ( 1 ) 集装箱码头生产活动的特点 集装箱码头生产主要是指在码头进行装卸搬运等操作，遵循一定的操作流 程，以货物装卸存为主要业务的生产活动。因此，集装箱码头生产活动具有以 下几个方面的特点。 产品的特殊性：集装箱码头装卸活动并不提供实物形态的产品，而只提供 完成货物空间位置的转移，使货物从一种运输工具转移到另一种运输工具或者 在运输工具与库场之间转移，这种特殊“产品”在其生产过程中即被消费。 生产的不平衡性：集装箱码头生产的服务对象是装载货物的船舶和其他运 输工具，由于运输工具到港的密度和类型，到港集装箱的数量、箱型和流向等 具有随机性，这种随机性产生于在港口活动的各环节之间的相互独立性，而且 各种活动本身的规律性受到多种因素影响。因此，各种活动的随机性导致了码 头生产任务具有不平衡性。 生产的连续性：集装箱码头生产通常采用昼夜小时连续作业方式，对随时 来港的船船、车辆及时装卸且连续作业，以减少车、船、货在港口的停留时间。 装卸组织的协作性：由于港口是多种运输方式的汇聚点，有许多企业和管 理机构在其中运作，所以港口生产是多部门、多环节、多工种内外协作的过程。 货物运输信息的集聚性：港口作为运输的枢纽、货物位移的集散地，伴随 着物流传递的信息流将聚集于港口，并从港口扩散。 由于港口生产活动具有上述特点，使得港口生产经营变得错综复杂，生产 活动的研究变得较为困难1 。 ( 2 ) 集装箱码头生产调度过程 集装箱码头调度主要是安排到港船舶在某个时间进行靠泊装卸以及在码头 内部针对进出口集装箱的装卸、运输过程，对堆场中的货物要进行及时调度， 5 武汉理工大学硕士学位论文 合理分配各个资源。 目前，我国集装箱码头生产调度过程采用的是由两层指挥系统、多人协同 工作的生产调度模式。这种模式主要由相关人员按所列各岗位的职责分工协作， 并将生产计划、生产会议以及现场生产调度进行有机地结合，通过长期实践， 形成了一套按部就班的串行式生产调度过程。 现代集装箱码头装卸调度系统是由集装箱、集装箱船舶、港口装卸搬运设 备、泊位、堆场、通信设施以及人员等要素构成的。由于船舶到港时间、船型 大小及船舶装载量都是随机的，使港e l 生产调度决策问题具有离散、动态性， 港口生产调度的目的是尽量利用港口现有的资源，实现船舶的快速装卸。因此， 如何在目前的码头装卸工艺和现有设施设备的条件下，及时有效的分配资源， 合理的解决集装箱的调度问题，在尽可能短的时间内完成任务，并且调度人员 能够实时的掌握现场的调度情况。 2 1 2 系统的功能要求 集装箱码头无线通信系统主要用于港口集装箱调度信息的无线传送以及调 度室对现场工作情况的实时监控。图2 1 为码头无线通信系统结构图。中控室是 整个调度工作的控制中心，连接在数据库服务器上，无线基站负责发送命令到 每一个无线终端，同时接收终端发送回的数据，并且将数据返回到中控室。中 控室能够对整个调度工作有一个宏观上的掌握。 i 系统检测 i 无线终端 、八 l 无线终端 图2 - 1 码头无线通信结构图 6 i 无线终端 武汉理工大学硕士学位论文 根据对集装箱码头无线通信工作的考察，无线调度系统应该具有指令管理功 能、基站参数设置及修改功能、用户管理功能、终端管理功能等。 ( 1 ) 指令管理功能 指令的管理主要包括：调度指令的导入、查询指令的执行情况，查询集装箱 场位信息，指令的保存及导出等。 调度指令的导入是通过计划室将指令编写完成后，向基站直接发送计划信 息，基站在收到发送来的信息后，自动将“计划”全部读入基站数据库。 基站在接收到新数据时，将对新数据进行相应的处理。由于计划室发来的 数据较为详细，对于现场工作人员来说，他只关心其中的关键信息，另外考虑 到数据在空中传播时，数据应该尽量的精简，因此需要从原始数据中提取出其 中的重点。根据现场人员的需要，将信息封包然后发送。同时，调度人员可以 实时的浏览当前的指令，并根据实际情况及时执行。 调度人员随时可以查询调度指令的执行情况和集装箱的场位信息。调度指 令的执行结果可以分为4 种情况：指令完成、指令修改完成、指令无法执行、 新增指令完成等。对于每一种情况都可以清晰的显示出来。 ( 2 ) 基站参数设置及修改功能 基站在正常工作前需要预先设置参数。主要包括基站地址、载波频率、空 中波特率、冗余模式、轮询比例等。管理员身份具有修改这些参数的权限，一 般情况下，这些参数在设定完成以后，并不经常随意更改。 ( 3 ) 用户管理功能 用户管理主要针对使用这套系统的人员，主要包括新用户的注册、用户修 改密码、查询注册用户、更换用户、注销用户等。 ( 4 ) 终端管理功能 终端管理主要包括：终端机的注册。终端入网许可和终端设备信息等。 每一台终端必须先注册，注册后为每一个终端分配一个唯一的终端号，这 个终端号也是无线寻址时的唯一标识。 2 1 3 影响无线通信的因素 无线通信中有很多影响其通信速率、覆盖范围、通信距离和通信质量的因 素。首先无线电波在空间中传播，自身就会衰减，穿过障碍物时会衰减得更加 严重，这种现象称为阻隔，而空气的阻隔是最小的。当然，影响传输距离的还 7 武汉理工大学硕士学位论文 有周围电波的干扰问题。另外，环境因素对无线通信的影响也很大。对于一个 无线通信系统本身来说，自身的参数也决定了通信的质量和效果。总结起来， 影响无线通信的主要几项因素可归纳如下： ( 1 ) 环境因素 通信距离最远的是海平面以及陆地无障碍的平直开阔地，这也是通常用来 评估无线通信设备的通信距离时使用的地理测试条件；其次是郊区农村、丘陵、 河床等半障碍、半开阔环境；通常距离最近的是城市楼群中或群山中。障碍物 越密集，对无线通信距离的影响就越大，特别是金属物体对通信的影响最大。 ( 2 ) 磁场因素 直流电机、高压电网、开关电源、电焊机、高频电子设备、计算机、单片 机等设备对无线通信设备的通信距离均有不同程度的影响。 ( 3 ) 天气因素 空气干燥时通信距离较远，空气潮湿时( 特别是雨、雪天气) 通信距离较 近。在产品容许的环境工作温度范围内，温度升高会导致发射功率减小及接收 灵敏度降低，从而减小了通信距离。 ( 4 ) 输出功率 发射功率越大，信号传播得越远，通信距离也越远。从理论上说，发射机 得射频输出功率可无线增大，但由于受各种技术规范得制约和成本得限制是不 可能随意加大的。 ( 5 ) 接收灵敏度 接收灵敏度反映了接收机捕捉微弱信号的能力，接收灵敏度越高，通信距 离也越远。但由于受自然界电磁噪声及工业污染、电子元器件固有噪声的影响， 一1 2 3 d b m ( 即0 1 5 8 9 v ) 通常被认为是现代无线电通信工程中纯硬件实现的接 收灵敏度的极限值，很难再突破。如果系统的接收灵敏度已接近这一极限值， 就基本上已无潜力可挖了，再想要提高通信距离就只能从其他方面着手了。 ( 6 ) 系统抗干扰能力 实际的通信环境总是存在着各种干扰源，在同样的发射功率和同样的接收 灵敏度的前提下，系统的抗干扰能力越强，实际通信距离也越远。许多高频工 程师都有这样的体会：在实验室内测试，调幅机与调频机的发射功率和接收灵 敏度都相同，但实际环境中测试时，调频机的通信距离往往是调幅机的若干倍， 甚至调幅机根本就不能工作，而调频机仍能有较远的通信距离，原因就是调频 8 武汉理工大学硕士学位论文 机的抗干扰能力要远比调幅机强得多。相对而言，调频系统得抗干扰能力优于 调幅系统，而窄带系统得抗干扰能力由于宽带系统，因此，带宽越窄，抗干扰 能力就越强，在同一发射功率和接收灵敏度条件下，通信距离也就随之越远。 ( 7 ) 软件纠错 就有软件纠错得系统，其通信距离也比无软件纠错得系统远，但软件纠错 一般也只能再等效地改善接收灵敏度ld b , 、4 d b 。 ( 8 ) 天线类型及其增益 天线的增益越高，通信距离也越远。当发射机采用高增益的定向天线时， 能显著提高通信方向上的功率密度( 场强) ，而接收机采用高增益定向天线时能 显著改善信号噪声比，并提高接收场强，从而大幅度增加通信距离。 ( 9 ) 天线的有效高度 在各种条件相同的前提下，天线距离地平面的高度越高，通信距离越远， 特别是在城市环境下，提高天线的高度比增加发射功率对通信距离的影响要大 得多。 在实际应用中，应当尽量减小这些影响，如避免在无线通信中使用同频段 无线设备，避免干扰，天线要放置在较高地点，与无线接收端尽量可视，避免 盲区，避免穿透太多隔墙和金属障碍物等。遵循以上这些规律，无线系统才能 够高效、准确地收发信息f 1 2 1 。 2 2 系统的总体设计 集装箱码头无线通信系统由基站、终端机和上位机软件三部分组成。整个 系统的结构如图2 2 所示。 本课题的主要研究对象是无线通信部分及上位机软件。其工作原理大致如 下： 中控室负责整个调度工作，首先根据现场各个终端的位置及工作情况，选 择调度指令通过基站发送出去，在调度指令中含有相应的终端编号，对应的终 端收到指令后，对指令按照事先制定的规则进行解读，解读指令主要包含包长、 基站地址、指令编号、集装箱编号、源场位地址、目的场位地址、车牌编号、 箱重标示符、箱尺寸等相关信息。现场人员按照解读指令的结果完成相应的工 作。基站在发送完调度指令后，会对每一个终端以轮询的方式发送通讯许可， 9 武汉理工大学硕士学位论文 终端需要向基站回复同时收到基站的通讯许可时将回复信息发送出去。 2 2 1 无线通信协议的设计 图2 2 系统结构图 无线基站部分是一个复杂的单片机控制系统。选择一块高性能的单片机作为 控制器，再加上一个r f 收发器及天线等组成了基站的主要部分。基站部分需要 同时与上位机的p c 机相连，同时又与无线终端随时进行通信。其中表2 - 1 所示 为基站发送成功时的无线通信的时序表，表2 2 为基站发送失败时的时序表。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1 基站发送成功时序表 基站部分终端部分 时序p c 端 m c u 无线模块无线模块 m c u 终端 分配 发送接收发送状接收状 状态状态态态 发送及 t l发送发送 接收发送空接收等 接收均 d a i t a 空闲等待闲待 成功 1 2历掰勿发送 接收发送空接收等 ( t l 空闲等待闲待 t 1 0 ) 过 t 30 必伪 接收发送空接收等 程 等待闲待 t 4 发送接收发送空d a t a ，c 空用等待闲 r c 校验 正确 t 5 发送接收发送空接收等通知终 空闲 等待 闲 待端收取 d a t a ， 记录重 发次数 1 6发送 接收发送空接收等向主机收取 空闲等待闲待发送“接 刀撕弱 收成功” 指( o k ) t 7 发送接收 o k 接收等 空闲等待待 t 8发送o k 发送空接收等 空闲闲待 口 接收发送接收发送空接收等 到 空闲等待 闲 待 “o k ” 应答 t 1 0 下一次 通知发 送 d a - t a 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 2 基站发送失败时序表 基站部分终端部分 时序 p c 端m c u无线模块无线模块 m c u 终端 分配发送接收发送接收 状态状态状态状态 接收失 t l发送 发送空接收发送接收 败，终 d a t a 闲等待空闲等待 端没有t 2d a 聃 发送空接收发送接收 收到任闲 等待空闲等待 何数1 3d a l a接收发送接收 据，也 等待空闲等待 没有任t 4 发送空接收发送接收 何应答闲 等待空闲等待 ( t l t 5 发送空接收发送接收 t 1 0 ) 过 闲等待空闲等待 程 t 6 发送空接收发送接收 闲等待空闲等待 1 7 发送空接收发送接收 闲等待空闲等待 1 8 发送空接收发送接收 闲等待空闲等待 t 9 没有收发送空接收发送接收 到“o k r闲等待空闲等待 应答 t 1 0 启动重 发机 制重 新发送 数据 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 在无线通信中，一般需要对传输数据进行打包，所形成的数据包的形式就 是帧，一般来说我们谈论无线通信的数据格式也是基于帧的格式，而帧格式不 可避免的涉及到帧同步的问题。帧同步也称为群同步。为了实现帧同步，通常 在每段信息的开头和结尾分别插入一些特殊的码组作为头尾标记。接收端通过 检测这些特殊标志，获取同步信息。 无线通信的每帧传输结束之后需要加错误检测，并进行错误纠正。错误检 测可以通过这样实现在发射之前先对数据进行分析，然后将这种分析结果加到 数据包中，在接收端比较嵌于包中的结果，如果两者不同，则包有错。常用的 方法有奇偶校验，8 b i t 校验和c r c 校验等【2 0 1 。实际设计中采用的c r c 校验方 法作为错误检测方法。 在集装箱码头无线通信系统中，基站和无线终端即是数据发送端也是数据 接收端。由于在网络中，存在一个主站( 基站) 和多个从站( 各个无线终端) ， 因此本无线通信协议是一对多的无线通信协议。 在整个无线通信系统中，无线通信模块的工作频率是4 3 3 m h z 。数据链路层 的帧封装如表2 3 ： 表2 3 数据链路层的帧封装示意图 f 链路帧头i 应用层数据f 链路帧尾l 底层指令统一设置为6 4 个字节，包长应有底层m c u 自动加上，实际指令不 够字数时用空格补齐，实际空中传输的为6 4 个字节。整个包的帧格式如表2 4 描述所示。 表2 4 数据包的帧格式 字节序号帧格式定义描述字节数备注 l s y n c同步字1 l l e n g t h 包长值 l 2b a s ei d基站地址 1 3t e r m i n a li d终端号l 4 - - 5d i r e c t i o ni d指令编号 2 6 1 6c o n t a i n e ri d 集装箱编号 l l 1 7 一- 2 4d e s t i n a t i o na d d目的场位编号 8 武汉理工大学硕士学位论文 续表2 4 字节序号帧格式定义描述字节数 备注 2 5 3 2s o u r c ea d d 源场位编号 8 3 3 - - 4 0 v e h i c l e _ _ p l a t e车牌编号 8 4 1 w e i g h l e m p t ) ，箱重标识符 l 4 2 - 4 5c o n t a i n e rs i z e 箱的尺寸 4 4 6 6 3 e m p t y 暂时保留 、 1 8 保留 6 4c h e c k检验1 其中，l e n g t h 表示整个数据包的长度，t e r m i n a li d 终端号代表每一个无线 终端，d i r e e t i o ni d 指令编号为集装箱码头统一的指令格式。 在协议使用中要注意以下几点： ( 1 ) 基站和每个无线终端的通信是通过轮询的方式实现，在和一个终端通 信完之后，通过改变询问帧中的终端i d 号，来继续和下一个终端进行通信。 ( 2 ) 差错控制采用c r c 校验的方式，当基站接收到的无线终端发送的数 据帧出现错误时，基站发送a c k 要求无线终端重发数据帧，这里设定重发次数 为3 ，即对一帧数据最多只能发送三次：无线终端的处理方式与基站的处理方式 一样，若接收到的链路帧错误，则发送a c k 要求基站重发和停止发送数据。 ( 3 ) 在本规程中没有拆链过程，即“非面向连接通信”，通信的双方作用不 是对等的，服务器端始终处于主导地位，无线终端处于从属地位。 ( 4 ) 超时控制，对不同类型的帧处理是不同的，这主要是根据双方的通信 时间计算得到。 2 2 2 上位机部分 上位机部分主要有两方面的作用，一方面需要与基站进行实时通信，上位机 能够及时的把数据发送给基站，同时也要能够收回基站收到的数据。另一方面 上位机要对调度数据进行数据管理，这相当于计算机信息管理系统。 港口无线调度系统作为港口生产管理的一个独立的子系统，有其独自的数据 库。在本系统中采用的是s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库。在服务器上安装数据库，使 用v i s u a lb a s i c6 0 基于c s 结构开发。网络中的任何一台计算机都可作为客户 机。 c s 模式主要由客户端程序( c l i e n t ) 、服务器管理程序( s e r v e r ) 和中间件 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( m i d d l e w a r e ) = 个部件组成。客户端程序是用户与数据进行交互的部件，服务器 程序负责对客户端的管理和资源的调度，中间件负责联结客户端程序与服务器 管理程序，协同完成一个作业，以满足用户查询管理数据的要求。中间件的出 现，增强了整个系统的灵活性、扩展性和安全性。 采用c s 模式开发具有以下优点： ( 1 ) 交互性强。在c s 模式中，客户端有一套完整的应用程序，在出错提 示、在线帮助等方面都有强大的功能，并且可以在子程序间自由切换。 ( 2 ) 采用c s 模式大大降低了网络的通信量f 1 们。 为了实现客户机与服务器之间的数据连接，可以通过使用数据库的标准接 口来实现。目前，客户机与服务器之间的标准接口主要有：d a o 、r d o 、a d o 、 o d b c 这四种数据访问接口。 ( 1 ) d a o 数据访问对象d a o ( d a 诅a c c e s so b j e c t s ) 是一种面向对象的界面接口，通过 d a o d e t 功能可以访问工s a m 数据库。使用d a o o d b cd i r e c t 七功能可以实现 远程r d o 功能。使用d a o 的程序编码非常简单，d a o 提供丰富的游标( c u r s 0 0 类型的结果集和非游标( c u r s o r - l e s s ) 类型的结果集，同d d l ( 数据描述语言) 的功 能很类似。d a o 可通过o d b c 像直接连接到其它数据库一样，直接连接到a c c e s s 数据库。d a o 适用于单系统应用程序或小范围本地分布使用。d a o 模型是设计 关系数据库系统结构的对象类的集合。它们提供了完成管理这样一个系统所需 的全部操作的属性和方法，包括创建数据库，定义表、字段和索引，建立表闾 的关系，定位和查询数据库等工具。 ( 2 ) r d o 远程数据对象r d o ( r e m o t ed a t ao b j e e t s ) 是一个到o d b c 的、面向对象的数 据访问接口，它同易于使用的d a os t y l e 组合在一起，提供了一个接口，形式上 展示出所有o d b c 的底层功能和灵活性。尽管r d o 在很好地访问j e t 或i s a m 数据库方面受到限制，而且它只能通过现存的o d b c 驱动程序来访问关系数据 库，但是r d o 已被证明是许多s q ls e r v e r 、o r a c l e 以及其他大型关系数据库开 发者经常选用的最佳接口。r d o 提供了用来访问存储过程和复杂结果集的更多 和更复杂的对象、属性，以及方法。 ( 3 ) o d b c 开放数据库互连o d b c ( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) 是微软公司开放服务结 武汉理工大学硕士学位论文 构( w o s a ，w m d o w so p e ns e n r i c c sa r c l l i t e 曲l r e ) 中有关数据库的一个组成部分， 它建立了一组规范，并提供了一组对数据库访问的标准a p i ( 应用程序编程接 口) 。这些a p i 利用s q l 来完成其大部分任务。o d b c 本身也提供了对s q l 语 言的支持，用户可以直接将s q l 语句传送给o d b c 。o d b c 的作用机制如图2 3 所示。 图2 3o d b c 作用机制图 o d b c 的出现实现了应用程序和后台数据之间的连接。这样，在用户服务 程序开发中无疑将降低软件部分和具体物理数据库之间的连接程度，使得应用 程序的实现结构更灵活。因为，只要保证对数据库的访问是基于o d b c 之上的， 就可以较灵活选择后台数据库管理系统的类型。这也为软件系统在不同的数据 库之间进行移植奠定了基础。o d b c 连接目前仅仅限于关系型数据库，对于其 他数据源如e x c e l 、文本文件都不能进行访问，而且有很多d b m s ( 数据库管 理系统) 都不能充分的支持其所有的功能。相比之下，o l e d b 可以存取任何形 式的数据，所以其功能是相当强大的，它也指导了目前技术发展的方向。 ( 4 ) a d o a d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t ) 是d a o r d o 的后继产物。a d 0 2 0 在功能上与 r d o 更相似，而且一般来说，在这两种模型之间有一种相似的映