（信号与信息处理专业论文）rf433mhz手持终端的设计.pdf

摘要 摘要 在传统企业车间管理领域中，人工操作的成分占多数。传统的车间物料管理方 式是通过工作人员将物料检测核对，然后将数据再输入到计算机中去。输入数据的 过程会造成错误数据的存在，影响计算机管理系统的可靠性。为解决这一问题就必 须减少人为操作的错误因素，采用一定的技术手段和技术设备，使这一工作以更简 单、快速，用不易出错的方式来实现，嵌入式手持终端技术的应用是实现这一工作 的有效途径。而随着计算机自动化管理的不断深化和嵌入式技术的不断发展，最能实 现这种目的的高科技产物一手持终端应运而生，并逐步占据了重要地位。 本论文阐述了一套完整的基于企业级应用的手持终端系统研发过程。首先介绍 了手持终端系统的基本功能、基本结构和性能指标，把整个手持终端系统分成三个 模块：手持终端、射频基站、上位机模块。其次论述了手持终端系统的通讯方式及 相关网络协议，手持终端通过4 3 3 m h z 射频通信方式以及t d m a 通信协议实现与基 站的组网和通信，4 3 3 m h z 射频基站采用了r s 4 2 2 和以太网两种方式与上位机通信， 这两种方式可根据地理环境实现通信的互补。然后重点阐述了手持终端系统的软、 硬件设计，本系统中，在手持终端的设计方面，采用了具有多种数据采集手段，拥 有灵活的应用软件框架，具有功能强大、价格低廉与通用性强等显著优点。手持终 端将车间的各种信息采集后提交给基站，并将中央服务器的指令信息在终端上解析 并呈现给用户；在射频基站的设计上，采用a r m 7 t d m i 内核的l p c 2 2 9 4 作为控制 器，处理器频率高达6 6 m h z ，主要负责无线局域网络中手持终端通信及组网，并通过 r s 4 2 2 总线或者以太网与中央服务器交互信息，因此射频基站是整个系统的枢纽。为 了更好地满足射频基站与上位机软件之间的通信需要，基站中设计了轻量的t c p i p 栈来实现网络协议。在本文的最后介绍了上位机软件的设计及系统调试，上位机软 件采用了s q ls e v e r 技术和v i s u a lc + + 编程语言，具有良好的人机交互界面和信息处 理的能力。 由于整个系统的设计都考虑到了抗干扰技术，试验运行结果表明，系统性能良 好，稳定性、可靠性和准确度高，具有较大的实用性和应用价值。 关键字：射频手持终端；射频基站；以太网；通信协议 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a sw ek n o w , i nt h et r a d i t i o n a lb u s i n e s sw o r k s h o pm a n a g e m e n td o m a i n ，w ea l w a y s u s em a n u a lo p e r a t i o n i nt h i sp r o c e s s ，t h e r em a yb es o m ed a t ai n p u t t i n ge r r o ro c c u r r i n g t h e r e f o r e ，i tw i l lr e d u c et h er e l i a b i l i t yo fs o f t w a r em a n a g e m e n ts y s t e m t os o l v et h i s p r o b l e m ，w en e e dar e l i a b l et e c h n i c a lm e t h o di n s t e a do fm a n u a lo p e r a t i o n ，i tw i l lm a k e w o r ki nw o r k s h o pe a s i e r , f a s t e ra n dc o r r e c t e r t h et e c n o l o g yo fe m b e d e dh a n d h e l dt e r m i n a l s y s t e mi s ae f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fs o f t w a r em a n a n g e m e n t w i t h d e v e l o p m e n to ft h ee m b e d e ds y s t e mt e c h n o l o g y , i tw i l lp l a yam o r ei m p o r t a n tr o l ei n w o r k s h o pm a n a g e m e n tg r a d u a l l y t h i sp a p e rd e s c r i b e sap r o c e s so fd e v e l o p i n gac o m p l e t e s e to fr f 4 3 3 m h zh a n d h e l dt e r m i n a ls y s t e m f i r s t l y , i ti n t r o d u c e st h eb a s i cf u n c t i o n ，b a s i c s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ec r i t e r i o no ft h i s s y s t e m t h ew h o l er f 4 3 3 m h zh a n d h e l d t e r m i n a ls y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e em o d u l e s ：r f 4 3 3 m h zh a n d h e l dt e r m i n a l ，r f 4 3 3 m h z b a s es t a t i o n , a n dm a n a g e m e n ta n dc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e s e c o n d l y , i td e s c r i b e st h e c o m m u n i c a t i o no fr f 4 3 3 m h zh a n d h e l dt e r m i n a ls y s t e ma n dr e l a t e dc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k p r o t o c 0 1 w i t ht h e s u p p o r t o fr f 4 33 m h zt d m ac o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，r f 4 3 3 m h zh a n d h e l d t e r m i n a la n db a s es t a t i o nf o r mas t a rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nw o r k s h o pa n dr f 4 33 m h zb a s es t a t i o nc a nc o m m u n i c a t i o n w i t hp cb ye t h e m e to rr s 一4 2 2 t h e s et w om e a n sc a ns u p p l e m e n te a c ho t h e ra c c o r d i n gt o g e o g r a p h i c a lc i r c u m s t a n c e t h i r d l y , t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ef o rr f 4 33 m h zh a n d h e l dt e r m i n a ls y s t e m i nt h ed e s i g no fh a n d h e l dt e r m i n a l ， w eu s eav a r i e t yo fd a t ac o l l e c t i o n m e t h o d ，a n dd e s i g n af l e x i b l e a p p l i c a t i o n f r a m e w o r k ，t h e r e f o r e ，i th a st h es i g n i f i c a n ta d v a n t a g eo fl o wc o s t ，f l e x i b l ea p p l i c a t i o na n d s t r o n ga b i l i t y i nt h ed e s i g no fb a s es t a t i o n , w ec h o o s el p c 2 2 9 4 ，a r m 7 t d m ic o r ea s c e n t e rp r o c e s s i n gu n i t ，i t sp r o c e s s i n gf r e q u e n c yi su pt o6 6 m h z t h i sf e a t u r eq u l i f yb a s e s t a t i o nt oi nc h a r g eo fw i r e l e s sl a nc o m m u n i c a t i o n si nt h en e t w o r k b e s i d e s ，i no r d e rt o s a t i s f yt h ec o m m u c a t i o nr e q u i r e m e n to fb a s es t a t i o n ，as i m p l et c p i pp r o t o c o ls t a c kw a s d e s i g n e dt oi m p l e m e n tt h ee t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eb a s es t a t i o na n dp c a t l a s t ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g no fp cs o f t w a r ea n ds y s t e md e b u g g i n g p cs o f t w a r e u s e ss q ls e v e rt e c h n o l o g ya n dv i s u a lc + + p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，i th a sag o o d i i a b s t r a c t m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n di n f o r m a t i o n - p r o c e s s i n g c a p a c i t y t h ed e s i g no ft h ew h o l e s y s t e mt a k e si n t oa c c o u n tt h ea n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g y , s ot h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a ti t h a sg o o dp e r f o r m a n c e ，s t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n dh i g ha c c u r a c y , g r e a tp r a c t i c a l i t ya n dv a l u e k e y w o r d s ：r fh a n d h e l dt e r m i n a l ，r fb a s es t a t i o n ，e t h e r n e t ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l i i i 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性! 声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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，不包含本人 或其他用途使用过的成果。与我- - m i 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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指剥雠：薪香弓 ：名1 受乏 l 沙7 年多月、7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 。1 1 课题研究的背景 2 0 世纪8 0 年代以来，随着全球信息技术( i t ) 和信息网络化的不断发展，使得i t 技术得以迅速渗透到社会经济的各个领域，尤其是在企业信息化进程中，发挥了巨 大的作用。它能够挖掘先进的管理理念，应用先进的计算机网络技术去整合企业现 有的生产、经营、设计、制造、管理等各个环节，及时地为企业的“三层决策”系统 ( 战术层、战略层、决策层) 提供准确而有效的数据信息，以便企业做出迅速的反 应，提高企业的生产效率，加强企业的“核心竞争力”。 企业信息化系统是一个人机合一的系统，包括人、计算机网络硬件、系统平台、 数据库平台、通用软件、应用软件、终端设备等。其中，终端设备特别是移动终端 设备是一个致关重要的部分。根据i d c 数据显示，截止到2 0 0 4 年底，全球共有 4 0 的企业员工处于移动工作状态，2 0 0 8 年这一比例提高到2 3 。随着企业对生产效 率水平的要求的不断提高，流动办公员工的增加，管理的实时性加强，对移动终端 设备应用的需求也越来越大1 。这种国际化的潮流被国内外领先i t 企业所瞩目。 1 1 2 课题研究的目标及意义 本项目的研究目标是设计一套基于4 3 3 m 射频通信技术的手持终端系统。针对 中小企业无线组网而设计，能够满足此类用户投入低、应用需求灵活、网络应用简 单、扩展速度快的特点。该手持终端系统由无线基站和手持终端设备构成。用交错 频段覆盖出一个无线局域网络。在网络的覆盖区域内，工作人员利用移动终端和无 线基站实时进行企业内部的各种操作：可实时审批、查阅、刷卡，实时处理企业自 己定制的各种业务，在无线局网内，随时随地获取或者提交企业各种信息。解决目 前企业中，人员登陆、仓库盘点、产品巡检、质量数据提交、设备状态查询等操作 管理困难，受地域限制和实时性不高的问题。 这套系统能够使企业级应用软件都实现了移动功能，即用户可以通过手持终端 广东r t 业大学工学硕十学位论文 连入企业的管理系统中，例如e r p ，m e s 等，并实现与企业现有应用相结合，通过 移动终端实时进行各种操作：可实时审批、查阅、刷卡，提交各种数据，实时处理 业务，在一定范围内，随时随地掌握企业各种信息。利用手持终端，无论是企业决 策层、管理层还是普通员工，从口袋里拿出手持终端就能向m e s 等系统提交或者获 取各种所需要的信息，因此企业的管理得以加强，工作效率得以提高。 手持终端程序的最大优势就是减少人工操作中的差错和提高操作人员的工作效 率，使原先需要人工输入和人工校验的过程转化为自动识别输入和自动数据核对、 校验的过程，以下列举几个典型的应用案例。 ( 1 ) 仓库存货盘点 在企业仓库盘点应用中，传统的方式是通过人工将仓库中的存货一一核对，然 后把存货的品种、数量等信息用帐本记录下来。在这个过程中，全是手工来进行操 作。因为企业仓库存货的品种数量繁多，因此传统的人工记录方式费时费力，而且 容易出现疏漏。如果使用手持终端来进行盘点，只需要仓库管理员使用手持终端将 仓库中存货的条玛信息或者r f i d 信息一一采集一遍，在上位机通信管理程序中，则 可以实时地将盘点过仓库存货的品种和数量统计出来，显示给用户。这样一来，工 作效率大大提高，出现疏漏的几率也降低很多。 ( 2 ) 车间产品工艺数据获取 在车间产品生产过程中，传统的方式通过纸张来记录产品的生产工艺和图纸， 特别是在离散性制造企业中，因为产品工艺的变化十分频繁，往往出现多张工艺图 纸混淆的情况，同样，绘图工作人员的负担加大，企业中纸张的浪费也特别多。在 使用手持终端的情况下，车间可以实现无纸化，即所有的工艺数据和产品信息都可 以通过手持终端从中央服务器中获得，并可以实时性进行更改，再也无须人工绘图 和送达到每个工位。因此，这种方式很好地提高的车间的生产效率，同时也降低了 废品率。 ( 3 ) r f 4 3 3 m 手持机系统小区无线抄表 随着现代化智能小区的建设，作为水、电、煤气三大计量器对其完成数字化改 造并建立自动抄表系统是城市信息化建设的主要任务之一，已受到全国各城市市政 和供水部门的高度重视。自动抄表是相对人工上门抄表而言，其目标是一户一表、 抄表到户、自动远传及计算机信息管理( 包括收费管理和数据统计) 。实施自动抄表 工程。如果使用无线手持终端系统进行远程超表，超表人员无须挨家到户地进行超 2 第一章绪论 表操作，只需要在无线网络所覆盖的范围内就可以获取每户家庭的数字表数据，因 此这种方式可以很好地提高工作效率，完全克服了人工抄表手续繁杂、差错率高， 耗用大量人力财力的弊端。 综上所述，r f 4 3 3 m 手持终端系统的推广势在必行。 1 2 国内外现状及发展趋势 目前，国外有很多知名大公司或者机构在研究无线手持终端的设计与应用例如 美国德州仪器公司( t i ) 、日本的i n t e r m e c 、d a t a m a x c o r p 、c a s i o 公司等。但是他们的 设计的手持终端的通信方式一般采用g p r s 、w i f i 、蓝牙等或者采用有线的通信连接。 g p r s 通信方式成本很高，并不适合在企业内部的应用。w i f i 、蓝牙的短信距离短而 且成本比较高，不能满足企业的应用需求。以4 3 3 m h z 为中心频段的射频技术，为 中短距离的无线通信提供了非常理想的解决方案，这种技术的具有开发成本低、功 耗低、i s m 频段免费等特点。不足之处是这种技术一直没有一种标准的通信组网协 议，限制了它在手持终端中的应用。 1 3 课题项目的来源 本课题广东工业大学信息工程学院与广州登云汽配厂m e s 研究项目中的一部 分。这个手持终端项目是研究集r f 4 3 3 射频通信，r f i d 信息采集，车间各种业务信 息采集传达等功能为一体的，能够满足离散制造业企业车间实际业务需求的，同时 满足组网需求的跳频手持终端。在低功耗嵌入式硬件平台的基础上，需要采用面向 对象的结构化，模块化，标准化设计方法，完成具有低成本、业务实现灵活性强、 功能扩展性强的通用手持终端。并根据本系统硬件平台的实际特点，定制适合a r m 7 嵌入式处理器运行的r f 4 3 3 t d m a 射频通信协议和高效的t c p i p 协议栈以及 u s b l 1 协议栈。目前，本手持终端系统主要用于登云汽配厂中车间产品的质检、抽 检环节和仓库盘点环节，系统运行情况良好。 1 4 本文解决的关键问题 本文解决的关键问题主要有： ( 1 ) 根据时分复用的方法，设计4 3 3 m 射频通信的组网通信协议，使得3 0 4 0 台 3 广东工业大学工学硕士学位论文 手持终端同时与同一台基站通信时，能够进行可靠的，畅通的进行数据传输。 ( 2 ) 针对企业网络不复杂的情况，制定一套轻量级的t c p i p 的协议栈。使其在 基站平台上面高效率地工作，使基站能够通过网络直接与服务器进行连接。 ( 3 ) 根据离散制造型企业的特点，由于车间中业务数据和流程灵活多变，因此终 端设备中使用固定的用户界面极不方便，也不利于业务实施。在本项目中，采用了 动态g u i 系统的设计方法。如何设计一个灵活、方便、可定制的业务界面g u i 系统， 是本项目需要解决的重点问题。 1 5 本文主要内容和论文章节安排 本次工作主要研究针对企业级应用的手持终端系统。此系统可以分为几个主要 模块，即手持终端、射频基站、上位软件。它涉及到了单片机、射频通信、计算机网 络、计算机软件及硬件等领域的研究。这次研究工作具体内容主要包括以下几点： ( 1 ) 手持终端和无线基站嵌入式硬件平台的搭建； ( 2 ) 手持终端图形用户界面( g u i ) 的定制和无线基站轻量级t c p i p 协议栈的定 制和软件设计； ( 3 ) 手持终端低功耗的硬件和软件实现； ( 4 ) 手持终端与无线基站之前射频组网通信协议( t d m a ) 的软件设计。 本论文的章节安排如下： 第一章绪论介绍了课题研究的背景及意义、国内外手持终端的现状及发展趋势 和本文研究的关键问题及内容。 第二章从手持终端系统的基本功能、基本结构、性能指标等方面，宏观上阐述 了总体方案的设计。 第三章讲述了手持终端、射频基站、上位机之间的通信方式，并讲述与其相关 的网络协议。 第四章把下位机的硬件分成c c l 0 2 0 射频通信i c 、手持机硬件设计和基站硬件 设计三大模块，并分别介绍了它们的硬件设计，最后还对系统硬件抗干扰性进行了 设计。 第五章内容是下位机的软件设计，分别阐述了手持终端、射频基站以及动态g u i 的软件设计，并设计了一套t d m a 通信协议来同步基站和手持终端之间的通信，另 4 第一章绪论 外，通过设计轻量级t c p i p 协议栈来实现系统的网络协议，最后还对系统软件抗干扰 性进行了分析。 第六章阐述了实际m e s 应用环境中，手持机系统的功能要求和功能结构，其次 给出了当前正在企业中运行的手持终端系统的测试数据，通过数据来验证本系统设 计方案的优越性。 1 6 本章小结 随着企业信息化的不断发展，企业上层管理及决策系统对车间实时数据的依赖 程度与日俱增。如何方便地采集企业车间中的各种有效信息并将其反馈给上层管理 系统是嵌入式技术中便携式设备设计的一大热点。目前，国内外各大公司都在研究 这方面的技术并且研发出了各自的手持终端产品。这些产品目前使用到的通信技术 大多采用g p r s 、w i f i 和蓝牙。针对企业车间应用的实际情况，采用g p r s 通信手段 成本高、w i f i 和蓝牙通信距离短。与g p r s 、w i f i 技术相比，r f 4 3 3 m h z 通信具有成 本底，通信距离适中，组网灵活的特点，特别适合企业车间的应用。本文的研究课 题是基于r f 4 3 3 m h z 通信技术的通用手持终端系统设计，具有重要的应用价值。本章 主要阐述了课题研究的背景及意义、国内外手持终端现状及发展趋势和本文研究的 关键问题及内容。 5 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章手持终端系统总体设计方案 本章将从手持终端系统的基本功能、基本结构、性能指标等方面对系统加以说 明，这些内容将是我们以后具体设计理论依据。 2 1 手持终端系统的基本功能 手持终端系统都需要具备一定的功能，一种功能对应着手持终端系统所能进行 操作中的一种具体行为，不同的手持终端系统应有一些共同的功能要求。下面将规 定手持终端系统中的基本功能。 ( 1 ) 无线通信功能：手持终端属于移动通信设备，因此无线通信功能对手持设备 来说是必不可少的。在选择无线通信手段时有多种方式，应根据实际需求来选择。 ( 2 ) 用户交互功能：手持终端是与用户交互的设备，友好的图形用户界面将会极 大地提高使用者的工作效率。 ( 3 ) 通信组网功能：在大多数应用环境中，多台手持终端需要相互通信，或者同 时需要与射频基站通信，这就需要有系统具有无线组网的功能。 ( 4 ) 数据采集功能：数据采集是手持终端功能的重点，数据采集方式往往多样化， 常用的采集方式主要有，条码识别、r f i d 信息采集、i c 卡信息采集等。 ( 5 ) 负荷控制功能：负荷控制功能主要是指，在实现了无线组网的情况下，网络 调协器需要控制本地网络中终端的数量，以达到网络的最大吞吐量。 ( 6 ) 功耗管理功能：手持终端设备一般使用电池来供电，这决定了其性能上必须 具有低功耗性。如何对电源进行有效的管理，是手持设备的重要技术。 ( 7 ) 管理权限设置：通常手持终端承载了很多的业务功能，这些业务需要由不同 权限的用户来完成，因此手持终端应该具有权限管理功能。 ( 8 ) 动态更新功能：在很多应用场合，手持终端承载的业务内容需要经常变化。 提供一种方便快捷的业务内容修改方式是手持终端设备必须具有的功能。 6 第二章手持终端系统总体设计方案 2 2 手持终端系统的总体框架 图2 1 为车间4 3 3 m 射频通信组网的星型模型，车间整个系统由中央服务器、 路由器、基站和终端设备组成。 每一个基站作为网络调协器与它周围的终端设备形成一个独立的局域网络 ( l r w p a n ) ，每一个局域网络中有数十台终端设备。为了保证相互邻近的两个局 域网络中的数据交互不相互干扰，相互邻近的两个或者多个局域网络使用交错的频 段进行通信，频道号从0 x 0 0 - - 一0 x f f 。局域网中的每一台终端设备都具有唯一的终端 地址，地址用一个字节表示，地址号从0 x 0 0 - - 一0 x f f 。多个局域网络通过路由器、交 换机、网桥等设备最终连接到共同的中央数据服务器。 图2 - 1 手持机系统的基本结构 f i g 2 - 1b a s i cs t r u c t u r eo fh a n d s e ts y s t e m ( 1 ) 射频手持终端：主要负责数据采集和信息显示功能，承载业务需求。 ( 2 ) 射频基站：主要负责r f 4 3 3 网络的构建和负载的控制。 ( 3 ) 业务p c 终端：主要负责业务流程的控制和信息的下达与上传。 ( 4 ) 中央服务器：作为中央数据库对所有信息进行管理。 其中射频手持终端、射频基站称为自动抄表系统的下位机，业务p c 终端，管理 一一一一一一一一一一，一， ，一一一一一、 一一一一， 一一一一、 广东工业大学工学硕士学位论文 中心计算机则称为上位机。上位机可以对下位机进行命令发送、参数设定等控制。 并可实时查看各户各表的运行参数、工作状态和历史记录等信息。 2 3 手持终端系统的性能指标 ( 1 ) 比特差错率( b e r ) 和残留差错率( r e r ) 比特差错率是规定时间内接收的有差错的比特数和发送的比特总数的比值。残 留差错率则是规定时间内被错误接收且未被检出的数据块( 帧、信息包、报文等) 的数量和发送的数据块的数量的比值。在本系统的通信软件设计中，多处应用了循 环冗余码校验( c r c ) ，如i p 协议、t c p 协议、t d m a 协议中都添加了校验位。这样可以 减少比特差错率和残留差错率。 ( 2 ) 数据完整性 手持终端系统的数据完整性，可避免或检测出数据在传输过程中的错误，从而 提高数据传输的质量。本系统为了保证信号数据在传输过程中做到完整，每组数据 都是以帧的形式进行传输的，并且每帧数据都添加了帧头和帧尾。 ( 3 ) 响应时间 响应时间是手持终端系统中要求执行命令时刻和命令执行完毕时刻之间的时 间。本系统中，基站和手持终端之间采用的是4 3 3 m 射频通信方式，消耗时间很短， 基站与上位机之间的通信则是通过r s 4 2 2 和以太网两种方式，不管哪种方式，其实 时性都相当高，而上位机的处理速度、反映时间也相当快，所以整个系统的响应时 间很快。 ( 4 ) 信息交换的安全性 信息交换的安全性口1 包括如下两方面的内容。第一是客户机和服务器的身份验证： 身份验证使服务器能够对客户机的身份进行控制，以便向客户机提供适当的访问权 限，如果身份验证是双向的客户机也能对服务器进行控制，以便检测设备是否被替 换；第二是交互数据的保密性：数据的保密性用于保护交互的数据，以防可能的非授 权访问。在此系统中，用户分为三级，不同的用户具有的权限不一样，而且登录系 统时都要用户名与密码。这样使系统的安全性达到了一定的高度。 8 第二章手持终端系统总体设计方案 2 4 手持终端系统的通讯方式 根据手持终端系统的功能，可以将它看成是能实现数据采集和数据通讯的系统。 由于系统中有控制命令和车间实时数据需要传送，其通讯方式就显得特别重要。 由2 2 节可知，手持终端系统的传输可分为有线传输和无线传输两种方式。有线 传输指的是射频基站与中央服务器之间的通信线路，它们之间的通讯又称为上层通 讯；无线传输是指射频基站与手持终端之间的通信线路，它们之间的通讯又称为下 层通讯。 2 4 1 有线通讯 许多现场总线技术的通讯方式已经应用在嵌入式系统中的工业级数据传输中。 在这些技术中，应用比较广泛技术比较成熟的底层近端通讯主要方式有：r s 一4 2 2 总 线、c a n 总线、l o n w o r k s 总线等p 1 。这几种最常用通讯方式的比较如表2 1 所示。 根据各总线的不同特点和应用场合要求的不同，可以灵活地选择使用。由于本系统 的射频基站和业务p c 终端都安装在同一个车间内，一个车间可以安装一个或几个射 频基站进行射频网络覆盖，它们的通讯距离不是很长，再加上价格方面的优势，选 用了r s 4 2 2 总线或以太网两种通信方式作为上层通讯手段。 表2 1 底层有线通讯方式的比较 t a b 2 1c o m p a r i s o no f t h eb o t t o mc a b l ec o m m u n i c a t i o n 总线方式c a n 以太网 r s 4 2 2 通信介质双绞线、同轴电缆、光纤支持多种，如同轴电缆、双绞线 双绞线、光纤 网络结构总线型、环型、星型、复总线型、环型、星型、复总线型 合型合型 通信速率通信距离为1 0 0 0 0 m 时， 数据传输率从l o l d b p s 到通信距离为1 2 0 0 m 速率可达5 k b p s ；通信距过1 0 0 1 d b p s ，今后快速以时，速率可达 离为4 0 m 时，速率可达太网可达1 g b p s 。9 3 7 5 k b p s ；通信距离 1 m b p s为l o o m 时，速率可达 1 2 m b p s 【4 】 通信距离最大传输距离l o k m单根网线的传输距离为最大传输距离1 2 k m 1 0 0 m ，但是通过路由可无 限延伸 节点数节点数最大1 1 0 个无节点数最大2 5 6 个 通信质量可靠性较好可靠性较好可靠性好 价格适中比较便宜很便宜 9 广东工业大学工学硕士学位论文 2 4 2 无线通讯 当前国内外采用的近距离通信技术主要有：r f 4 3 3 m 通信技术、蓝牙、无线局域 网8 0 2 1 l ( w i - f i ) 和红外数据传输( i r d a ) 。同时还有一些具有发展潜力的近距无线技术 标准，它们分别是：z i g b e e 、w i m e d i a 、专用无线系统等嗍。这些技术各有其优缺点， 它们的特点比较如表2 。2 所示。r f 4 3 3 m 通信做为一种低功率，低成本的无线通信方 式，应用于i s m ( 工业、科研和医疗) 频段和在s r d ( s h o r tr a n g ed e v i c e ) 等中短 距离无线通信设备中。目前，这项技术已获得广泛的应用，一般采用轮询制进行组 网。轮询制虽然实现简单，但信道利用率低，组网不够灵活。 表2 - 2 各种中短距离无线通信技术的比较 无线通讯技术频段距离功耗成本速率 蓝牙2 4 g h z l 6 l o m 左右 低高 1 m b s w i - f i2 4 g h z1 0 0 m 左 两高 1 1 i b s 右 z i g b e e2 4 g h z 8 6 8 m h z 9l o o m 左低中2 5 0 k b 1 5 姗z右s w i m e d i al 1 0 6 g h z3 、1 0m高 高 4 8 0 m b s 4 3 3 射频 4 3 3 ：m h z1 0 0 0 m 左 低低 1 2 0 0 1 右1 5 2 0 0 b p s 综合以上距离、成本、频段与速率的对比，本系统选用了基于4 3 3 m 射频的无 线通讯技术，该技术最大的特点就是功耗低，成本低，应用灵活，通讯距离合适。 最大的缺点是没有标准组网规范陋1 ( 采用自己的专用标准) 来制定m a c 层、链路层 和网络层的通信协议。但是用户可以灵活的设计自己的通讯组网协议，根据自己的 需求设计适合自己的通讯标准。本文将通过实际项目与严谨的实验认证，提出一套 实用、低成本、可靠的车间无线数据通讯组网方案。 根据以上对各种通信方式的特点分析比较，本系统上层通讯采用了以太网和 r s 4 2 2 两种方式。下层通信采用了r f 4 3 3 m 射频通信方式。这样在系统中采用了多 种通信方式，有利于它们发挥各自的优势。 1 0 第二章手持终端系统总体设计方案 2 5 本章小结 本章主要介绍了手持终端系统的总体方案的设计。对手持终端系统的基本功能、 基本结构、性能指标、和通讯方式进行了具体的阐述，强调了手持终端系统采用 r f 4 3 3 m h z 射频通信技术的优势，这些内容将是后面具体设计手持终端系统重要的 指导思想和理论依据。 广东工业大学工学硕士学位论文 第三章手持终端系统t d m a 通信协议设计 本系统通讯方式包括两层：第一层是手持终端和射频基站之间的通信，采用了 性价比比较高的r f 4 3 3 通信技术，并自主开发了i u 4 3 3 t d m a 通信协议栈；另外一层 是射频基站与上位机通信程序之间的通信，根据不同区域的实际情况，可以灵活选 用了有线( 以太网) 和r s 4 2 2 这两种通信方式。本章主要介绍手持终端系统的通讯 方式及相关协议。 3 1 基于r f 4 3 3 m h z 的t d m a 组网协议 3 1 1r f 4 3 3 m h z 车间网络系统的构建 由图2 1 可知，手持机系统车间4 3 3 m 射频通信网络由中央服务器、路由器、基 站和终端设备组成。 每一个基站作为网络调协器与它周围的终端设备形成一个独立的局域网络，每一 个局域网络中有数十台终端设备。为了保证相互邻近的两个局域网络中的数据交互 不会相互干扰，相互邻近的两个或者多个局域网络使用交错的频段进行通信，频道 号从0 x 0 0 - - 0 x f f ，不同的频道号代表不同的工作频点。局域网中的每一台终端设备 都具有唯一的终端地址，地址用一个字节表示，地址号从0 x 0 0 - - - 一0 x f f ，用来识别终 端的身份。多个局域网络通过路由器、交换机、网桥等设备最终连接到共同的中央 数据服务器。 3 1 2 轮询制组网与主动制组网比较 根据i e e e 8 0 2 1 5 4 通信协议的分类，4 3 3 m 射频网络属于l r w p a n m ( 低速无线 个人网络) ，一个l r w p a n 网络并不复杂，它是一种低成本的通信网络，允许在有限 功耗的前提下实现无线组网。 车间4 3 3 m 射频通信网络一般采用星型模式进行组网，组网示意图见图3 1 。 1 2 第三章手持终端系统t d m a 通信协议设计 c 髦f 。 图3 - 1 星型组网示意图 f i g 3 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs t a r - s h a p e dn e t w o r k 在星型网络下，局域网内的所有终端设备使用相同的物理频段，如果他们之间 在同一时间与基站通信，就会产生通信碰撞，见图3 - 2 所示。致使基站不能获得正 确的数据。为了要避免通信碰撞，就必须使用同步机制。 。 一- 一_ 侈一。- 侈。 嘲：脚、目 终端a 基挚终端b _ + 。+ + ，一。 终端a 和b 同时向基站发送信号，发生碰撞 图3 2 通信碰撞示意图 f i g 3 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fc o m n u n i c a t i o nc o l l i s i o n 传统的同步方法是使用轮询制，即让局域网内的每个终端设备就具有唯一的物 理地址，然后基站每隔一小段时间去向某一个物理地址的终端提取数据，如果该终 端需要向基站提交的数据，则将数据发送给基站；若没有数据提交，则通知基站询 问下一个终端设备。轮询制虽然实现起来比较简单，但是在信道利用率方面存在不 可避免的缺陷。若某个局域网内有n 个终端，基站轮询每个终端的时间间隔是s m s 。 那么，基站轮询完一轮该局域网内的所有终端，至少需要n x s m s 的时间，局域网中 所有的终端平均分配了1 n 的信道利用率。另外，轮询制还具有组网不灵活，基站 工作效率低的缺点。 针对轮询制的缺陷，我们提出了车间4 3 3 m 主动制通信方式，即在局域网中的 终端，在有数据需要向基站提交的情况下，去争用物理通信信道。当多个终端同时 与基站通信产生碰撞时，采用t d m a 碰撞退避策略保证通信。因此主动制具有以下 广东工业大学工学硕士学位论文 优点： 无需发送数据的终端不占用通信信道； 局域网中的终端地址信息等无须保留在某一特定基站中，这样终端就可以采 用跳频技术自动搜索局域网频道，在找到某一无线网络以后，并自动加入该 局域网络中，实现自组网络； 基站可以采用事件驱动方式接收来自终端的数据，无须一直查询通信端口， 大大提高了基站的工作效率； 下文重点阐述t d m a 碰撞退避策略。 3 1 3 手持终端系统t d m a 通信机制 1 t d m a 通信机制设计 由于大多数的无线收发芯片没有冲突检测功能啤1 ，如果在同一频道有两个或两个 以上射频模块同一时间发送时，必然会发生空中数据相互碰撞，造成数据丢失，因 此为了解决空中碰撞只能依靠通讯协议，从软件上来避免空中数据的碰撞。 在某一局域网络中，如果能够保证它所属的终端设备不会在同一时刻向基站提 交数据，就不会产生数据碰撞。我们首先考虑基站，按照上面所述的组网方式，在 一个局域网中有且仅有一台基站，因此基站向终端发送数据不存在数据碰撞问题。 我们主要考虑终端向基站发送数据时，终端与终端之间的数据碰撞问题。 为了解决数据碰撞问题，我们需要定制一定的通信机制，见图3 3 。在这里我们 采用了基站在空闲时向所有终端设备发送广播，当需要提交数据的终端听到广播后 向基站注册，基站接收完注册帧后，根据注册上来的终端地址轮询终端设备并采集 数据通讯模式。在这一系列的过程中，会出现数据碰撞的情况是在基站发送广播后， 可能会有多个终端同时向基站注册。为了减低碰撞的发生，我们采取的措施是在需 要提交数据的终端设备听到基站的广播后，并不马上向基站发送注册帧，而是进入 一个争用窗口，退避个时序后再向基站发送注册。 1 4 第三章手持终端系统t d m a 通信协议设计 b a s e s t a t i o n t 上； h a l l b r o c c c m f i r m a t i o a s e t 1 i 2 l 3 i 4 l5 6 | n p o l l i n g1 p o l l i n g2 。l 一 阳 i 掣ll ，怒墨絮温 t t 一1圈 匮母t 船i 4 一型 鹫 砌；| e 至鐾垂霍至j t t e r n l i! 竺塑型! 垫! ! 竺竺! ! ! 堕! ! 竺! 竺 t n a ln 图3 3 基站与终端间通讯协议时序图 f i g 3 3c o m n u n i c a t i o np r o t o c o lt i m i n gd i a g r a mb e t w e e nb a s es t a t i o n sa n dt e r m i n a l s 2 r f 4 3 3 t d m a 网络系统负载模型 深入分析以上退避策略的具体实现过程，采用了时分多址的思捌。假设某台终 端设备完成一次数据通信的时长为定长兀产乃+ 乃，其中乃用于争用窗口时延， 其他通信环节时长。这样通信碰撞仅发生在乃时间内。按照图3 所示，假设争用窗 口一共分为m 个小窗口，每个小窗口的时间长度为乃，那么乃约为m x t o 。当需要 向基站提交数据的终端设备侦听到基站的广播后，会产生一个随机数，的取值范 围为1 m ，我们把值称之为时隙位置。根据的取值设置一个退避时间b ( b a c k o f f t i m e ) ，b 的值为t o x n 。当b 减少到零时，终端开始向基站发送登陆帧。采用这种机 制，局域网内的终端设备在一定概率下，产生的值不同，从而从时间上错开了多 个终端设备向基站注册，因此一定程度上解决了通讯间的碰撞问题。当两个以上的 终端设备获取的时隙位置相等时，仍然会产生数据碰撞。这种情况我们作为注册失 败处理，终端设备将会等待下一次注册。 在车间实际环境中，射频发送的到达率符合泊松分布，终端登陆时间间隔出的 概率密度可以表示为厶( t ) = 知。假设y 为丁时间内终端设备向基站注册的终端平 均个数，矿为丁时间内终端设备成功与基站通信的终端平均个数。那么我们可以得到 网络吞吐量矿与y 的关系，w = v 局，其中只表示局域网内的终端设备在时间丁 内成功与基站通信的概率，乃= p ( o f l ) 。因此，可以推得下式： 订 w = y 【4f ，( t ) d t = v ( e r r a 一1 ) f 31 、 其中，y 为常