（通信与信息系统专业论文）远程无线数据采集系统的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 随着通信、计算机等技术的飞速发展，特别是远程传输手段的多元化和技 术水平的提高，远程数据采集技术正得到越来越广泛的应用。桥梁远程监测系 统涉及传感器、结构力学、计算机、通信等多学科多领域，是国际上的前沿热 点研究领域。远程无线数据采集系统解决套新型先进的远程数据采集技术， 将无线数传技术应用于桥梁自动监测，并利用成熟稳定的g p r s 网络资源，发 挥其网络覆盖率高、传输特性好等优势，实现对某个地区的多座桥梁健康信息 的远程采集。本系统的应用可以远程实时监测桥梁的运行状况，及时发现桥梁 出现的问题，及时采取相应的措施。 本论文详细介绍系统硬件和软件的研制和开发，主要工作有以下几个部分。 第一部分阐述论文的选题背景、研究的目的和意义，分析远程无线数据采集系 统在桥梁监测领域的应用及其国内外发展现状；根据桥梁健康监测对数据采集 系统的特殊要求，确定本文的主要研究内容。第二部分详细介绍系统的总体设 计，包括系统的整体硬件构成和控制方案，分析选择系统采用的关键技术，论 述系统的设计原则。第三部分完成现场无线采集子系统的设计，阐述桥梁应变 采集前向通道的电路组成，给出微功率短距离无线数传模块d t d 4 6 2 a 的硬件和 软件设计，并基于m s c l 2 1 0 和d t d 4 6 2 a 实现桥梁应变无线采集节点，基于 a t 8 9 c 2 0 5 1 和d t d 4 6 2 a 实现现场主控节点；根据系统的应用需求，完成全部采 用无线通信方式的通信网络结构的设计和点对多点的通信控制协议的编制，对 系统进行分析与测试。第四部分采用先进的g p r s 通信技术实现桥梁应变数据 的远程传输，研究g p r s 技术的结构和特点，重点介绍其短消息业务；详细探 讨了基于q 2 4 0 3 a 的g p r s 终端的软硬件设计原理：分析系统的层次结构，结合 在桥梁应变无线远程采集系统中的应用，编制服务器端软件，对系统进行实验 和调试。论文的最后部分对整个采集系统做概括总结，归纳整个系统的设计方 案，提出对系统的改进方法，指出该系统的发展方向与前景。 远程无线数据采集系统的实现，全部采用无线的通信方式，彻底摆脱了有 线的困扰，其数据传输通道具有较强的通用性，对交通运输管理、安全监控， 工业测控、环境监测以及国防技术均有相当重要的借鉴价值。 关键词：无线数传技术，数据采集，桥梁监测，g p r s ，单片机 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e m o t ed a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yi se x p e r i e n c i n gw i d e ra p p l i c a t i o n s ，w i t ht h e r a p i dd e v e l o p i n go fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l y t h ev a r i e t ya n dt e c h n o l o g yi n c r e a s i n go fr e m o t et r a n s m i s s i o nm e t h o d b r i d g er e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e m ，i sap o p u l a rr e s e a r c hf i e l di nt h ew o r l d ，r e l a t i n gt om a n ys u b j e c t s s u c ha ss e n s o r ，s t r u c t u r em e c h a n i c s ，c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o ne t c r e m o t ew i r e l e s s d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mp r o v i d e sa l la d v a n c e dt e c h n o l o g yo f r e m o t ed a t aa c q u i s i t i o n i ta c h i e v e st h er e m o t ea c q u i s i t i o no fm a n yb r i d g e s h e a l t hi n f o r m a t i o ni na na r e a ， a p p l y i n gw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yt ob r i d g em o n i t o r i n gf i e l d ，b yu s i n g e x i s t i n gg p r sn e t w o r kr e s o u r c e s ，t a k i n gt h ea d v a n t a g eo fw i d ec o v e r i n ga n d c h a r a c t e r i s t i c s t h es y s t e mc a nr e m o t e l ym o n i t o rt h er u n n i n gc i t e so fb r i d g e si na r e a l - t i m e ，t i m e l yd e t e c tp r o b l e m sa n dt a k ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g nf o rt h es y s t e m t h ef u s tp a r to ft h et h e s i s d e s c r i b e st h eb a c k g r o u n d ，t h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h es y s t e m t h ea p p l i c a t i o n a n da c t u a l i t yh o m ea n da b r o a di nb r i d g em o n i t o r i n gf i e l di sa n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h es p e c i a ln e e do f b r i d g eh e a l t hd e t e c ts y s t e m ，t h et h e s i sm a i nc o n t e n ti sa s c e r t a i n e d t h es e c o n dp a r tp a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e st h ew h o l ed e s i g no ft h es y s t e m ，p r e s e n t st h e w h o l eh a r d w a r es t r u c t u r ea n dc o n t r o ls c h e m e ， a n a l y z e s a n ds e l e c t st h ek e y t e c h n o l o g y , d i s c u s st h ed e s i g np r i n c i p l e s t h et h i r dp a r ta c h i e v e st h ed e s i g no ff i e l d w i r e l e s sa c q u i s i t i o ns u b s y s t e m , e x p a t i a t e st h ec i r c u i tc o m p o s i n go fb r i d g es t r a i n a c q u i s i t i o nf o r w a r dc h a n n e l ，g i v e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fm i c r op o w e r i n t i m a t ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l ed t d 4 6 2 a f i e l dw i r e l e s sa c q u i s i t i o nn o d ei s f i n i s h e db a s e do nm s c l 2 1 0a n dd t d 4 6 2 a ；f i e l dh o s tc o n t r o ln o d ei sf i n i s h e db a s e d o na t 8 9 c 2 0 5 1a n dd t d 4 6 2 a f o rt h en e e do ft h es y s t e m ，t h ec o m m u n i c a t i o n s t r u c t u r ea n dt h ed o tt om u l t i - d o t sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o li sd e s i g n e d t h ef o m lp a r t u s e sa d v a n c eg p r sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt of i n i s ht h er e m o t ed a t at r a n s m i s s i o n ， r e s e a r c h e si n t ot h ec o n f i g u r a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co fg p r st e c h n o l o g y , e m p h a s i z e s i t ss h o r tm e s s a g es e r v i c e t h ed e s i g nt h e o r yo fg p r st e r m i n a lb a s e do nq 2 4 0 3 ai s d e s c r i b e di nd e t a i l a f t e rd e s i g n i n gt h es o f t w a r eo fs e r v e rf o r 印p l i c a t i o ni nb r i d g e 1 l 武汉理上大学硕士学位论文 s t r a i nw i r e l e s sa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h i ss y s t e mi sd e b u g g e d t h el a s tp a r to ft h et h e s i s s u m m a r i z e dt h ed e s i g no ft h i ss y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o ni nt h er e a lf i e l d a n dt h e p r o s p e c to ft h i ss y s t e mi sp o i n t e do u t t h er e a l i z a t i o no fr e m o t ew i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，u n i q u e l y u s i n g w i r e l e s sc o m m u n i c a t i n gm e t h o d ，a v o i d st h ep r o b l e mo f d i s p o s i n gc a b l e ，i m p r o v e st h e a g i l i t y t h ed a t at r a n s m i s s i o na l s oc a nb eu s e di nt r a f f i ct r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n t ， s e c u r i t ym o n i t o r i n ga n dm i l i t a r yf i e l d k e yw o r d s ：w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , d a t a a c q u i s i t i o n ， b r i d g em o n i t o r i n g , g p r s ，m c u 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章引言 数据采集( d a t aa c q u i s i t i o n ) 是获取信息的基本手段。数据采集技术作为信 息科学的一个重要分支，是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为 基础而形成的- - f 综合应用技术【2 1 。数据采集系统是利用计算机、通信、测控 等技术采集、记录和显示现场的各种物理参量，以供管理人员和现场操作者参 考的系统；是现代测控系统的基础，用于获取各种现场测量数据。远程数据采 集系统，与传统的数据采集系统相比，具有不受地理环境、气候、时间的影响 等优势。而借助无线传输手段的远程数据采集系统，更具有工程造价和人力资 源成本低，传输数据不受地域的影响，可靠性高，免维护等优点。通信、计算 机等技术的飞速发展，特别是远程传输手段的多元化和技术水平的提高，使远 程数据采集技术有了广泛的应用。 近年来，随着科学技术的发展，尤其是通信技术、计算机技术和传感器技 术的发展，将远程采集技术应用于桥梁健康监测领域，使人们对桥梁的实时远 程自动监测成为可能。桥梁远程监测系统涉及传感器、结构力学、计算机、通 信等多学科多领域，是国际上的前沿热点研究领域。国外从2 0 世纪8 0 年代开 始了这方面的研究，已取得了一些成果并在实际中得到应用。在我国，目前已 有一些科研机构在进行这方面的研究，也取得了一些成果。桥梁工程在国民经 济和社会生活中的作用越来越重要。2 0 世纪中叶以来，桥梁工程技术的飞跃发 展，修建大跨、特大跨度桥梁越来越多，人们对大型桥梁的安全性、耐久性与 正常使用功能日渐关注【”。近年来国内夕 许多桥梁都建立了监测系统。桥梁检 测技术作为桥梁工程的一个基础性研究方向，历来是国内外学者关注的热点。 从某种意义上讲桥梁检测技术，特别是借助于现代化高技术的检测手段的无损 检测技术，代表了桥梁检测技术的最新发展方向，也是桥梁健康状况监测这一 大型综台智能型决策系统设计的关键所在。 合理评价桥梁的健康状况。必须正确认识桥梁在不同环境下的结构特性和 较为准确的桥梁状况数据。现有的桥梁健康监测系统大多采用有线监测系统， 常用传统的电缆实现传感器和中心采集单元的通讯。有线监测系统普遍存在着 武汉理工大学硕士学位论文 安装造价高、环境对传输信号的影响较大等缺点，也给后期的数据处理带来麻 烦。这些弊端对桥梁结构检测技术提出了新的更高的要求【。而无线监测系统 就克服了有线监测的固有缺点，确保了低廉的造价和安装费用，并使传感器之 间的通讯可靠。桥梁无线监测是指利用无线网络和信息融合等技术，使用无线 传感系统替代传统有线传感系统，实现传感器和中心数据采集系统之间的直接 通讯。无线监测系统网络布设比有线监测系统灵活，是桥梁健康监测的一个发 展方向。 1 2 研究的目的和意义 数据采集系统的远程通信手段主要分为有线通信和无线通信两大类。有线 通信主要基于局域网技术、嵌入式i n t e r a c t 技术、电力线载波技术、p s t n ( 公 用电话网) ：无线通信以往则主要用数字电台迸行远距离传输。有线通信的优 点在于传输的质量比较可靠，实时性比较好，但是有线网络的安装和维护非常 困难，为数据采集而架设有线网络的一次性投资较大。数字电台可以解决安装 和维护的问题，但是传输距离有限，信号的质量较低非常容易衰减，并且需要 向无线通信委员会申请频点。远程无线数据采集系统基于g p r s 技术实现远程 数据通信，g p r s 业务具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程突 发性数据实时传输中有不可比拟的优势；既具有有线方式的效率高，实时性好、 成本低的优点，同时安装方便、可维护性好、易实现网络化管理。利用现有的 g p r s 网络资源，发挥网络覆盖率高、传输特性好等优势，为现有数据采集系 统提供一种便捷的无线数据传输方式，代表着工业控制及现场监测等领域的一 个发展方向。 在远程数据采集系统的前端，由于测量终端数量较多，为每个测量终端都 配置g p r s 模块，势必造成成本很大，因此在测量现场对测量终端数据进行初 步的集中成为必要。在测量终端较集中的现场和i n t e r n e t 能够覆盖到的地方，通 常都采用有线连接的数据通信方式。然而在许多特殊工作场合，由于现场环境 的制约，有线的连接方式已经不能满足数据采集系统的参量要求。如对于分散 测控系统，由于测量点比较分散，线路铺设及维护均需较高的代价；对于运动 构件上的传感器信号的采集，由于传感器空间位鼍不固定，使得通过电缆引出 信号变得不可靠、甚至不可能；在环境恶劣、危险性大、对人体有危害的场合， 2 武汉理j ：大学硕士学位论文 操作者希望可以远离被测控对象，进行数据的采集和控制。所以采用无线数传 技术进行短距离小规模的数据通信己经是现代数据采集系统的发展趋势。 本课题将远程无线数据采集系统应用于桥梁健康监测和诊断领域中。使用 远程无线监测技术，技术人员可以不用到桥梁现场，设置在桥梁中的数据采集 系统自动采集桥梁的各个状态参数，采集到的数据经预处理后通过通信系统送 到远离桥梁的控制中心，在这里数据经过系统分析软件进一步分析处理，得到 桥梁的健康状况评估、损伤分析、剩余寿命评估、交通控制和维修决策等结论。 这样，不但可以大大减轻专业技术人员的劳动强度，节约人力，而且控制中心 可以随时掌握桥梁的运行状况，及时发现阎题并采取相应措施，避免恶性事故 发生。 本文以短距离无线数传技术完成对单座桥梁应交数据的集中，并以g p r s 通信技术将某个区域多座桥梁的应变数据远程采集到维护与维修桥梁的管理中 心，以供相关人员对桥梁的健康状况做出评估，对桥梁的维修与维护进行决策。 系统全部采用无线通信方式，能解决检测或监测大型桥梁中布置导线的难题， 提高整个测试工作的效率和测试精度，增强适应性，可靠性，稳定性。本课题 提出的方案可以应用于对某地区的多座桥粱健康状况进行无人值守监测，具有 一定的开拓性。课题采用的无线数据采集遁道具有较强的通用性，对交通运输 管理、安全监控，工业测控、环境监测以及国防技术均有相当重要的借鉴价值。 根据文献资料调查，国外对利用g p r s 网络进行远程数据采集的研究时间 不长。在国内基本处于研制阶段，未见大范围推广应用及产品出售。将无线数 传技术应用于桥梁健康监测，并利用成熟稳定的g p r s 飚络资源，发挥其网络 覆盖率高、传输特性好等优势，实现对某个地区的多个重要桥梁的健康信息的 远程采集，是高科技手段应用于桥梁远程监测领域的一次有益的尝试。 1 3 课题研究内容 本项目的研发是多学科技术的综合应用，涉及的相关技术包括传感器技术、 微电子技术、计算机接口技术、计算机网络技术、射频通信技术、g p r s 通信 技术等。 3 武汉理工大学硕士学位论文 系统的设计要点是现场采集节点硬件设计，利用单片机进行数据采集和处 理，单片机与无线收发模块的接口设计，现场短距离无线采集子系统软件设计， 单片机和计算机与g p r s 模块的通信与控制等设计内容。 系统从整体上分为两部分：现场无线采集子系统和g p r s 远程传输子系统。 现场无线采集子系统是完成对桥梁应变模拟量的采集，在单片机的控制下，以 无线数传模块作为收发器，实现将现场各采集节点的数据集中到现场主控节点 的任务；设计内容主要包括现场无线采集节点的设计、现场主控节点设计、点 对多点通信协议的编制。g p r s 远程传输子系统是利用单片机组成的数据通信 系统，通过g p r s 网络以短消息的形式完成远程数据的传输，即在传统的单片 机数据采集系统中增加支持短消息、数据通信等业务的g p r s 模块，并为其分 配一个独立的s i m 卡，结合单片枫系统遥过串- 行通信接口，实现数据的远程无 线传输，远程主控终端可以是p c 机，也可以是移动电话或移动终端；设计内 容主要包括g p r s 技术研究、g p r s 模块设计以及g p r s 远程采集方案的研究。 整个系统中的每个节点均采用模块化设计技术，以便于系统的网络化管理和控 制。 4 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章系统总体设计 2 1 系统组成原理 2 1 1 系统硬件组成 远程无线数据采集系统应用于对桥梁应变数据的采集，提供一套便捷的无 线通信方式，将多个桥梁的健康信息，及时有效的发送到桥梁管理中心。系统 从整体结构上分为两部分：设爱在各个桥梁上的现场无线采集子系统和基于 g p r s 网络的远程传输子系统。现场无线采集子系统由现场主控节点和安装在 桥梁不同部位构件上的多个智能采集终端组成：g p r s 远程传输予系统由远端 管理中心的主控终端和安装在各个桥梁现场的多个g p r s 智能终端组成。两个 子系统的构成均基于点对多点的星型网络拓扑结构，并以点对多点的形式完成 信令的收发控制和数据的集中。远程无线数据采集系统的整体结构如图2 - 1 所 不。 5 武汉理_ l = 大学硕士学位论文 在远程无线数据采集系统中，每个智能采集终端都集成了数据采集模块、 微控制器模块、数据缓冲区、无线收发模块，具体在硬件上由多个传感器测点、 一个单片机和一个自行开发的短距离无线数传模块构成，单片机通过 r s 2 3 2 k r s 4 8 5 仉l 接口与短距离无线数传模块连接，实现对数据通信的控制； 现场主控节点集成了微控制器模块、数据存储区、无线收发模块和g p r s 模块， 微控制器通过t t l 接口与短距离无线数传模块相连接，通过r s 2 3 2 接口与 g p r s 智能终端相连接，进行数据通信的控制。远端控制中心由配备有g p r s 模块的p c 机组成。 2 1 2 系统整体控制方案 远程无线数据采集系统的两个子系统均采用无线的通信方式，在结构上具 有星型网络的特征，这决定了两个数据采集子系统具有“多路”和“无线”的 特点，系统控制的关键之处在于如何满足实际需求的多路无线通信，即多址访 问技术。 在系统中，为每个现场无线采集节点、现场主控节点和g p r s 终端都设置 一个独立的对应的d 号。现场无线采集系统是这一系统的起点，现场主控节点 根据系统设定的时间以授权轮询的方式对每个现场无线采集节点的数据进行采 集和集中，并存储在现场主控节点的存储器中：远端控制中心同样采用授权轮 询的方式访问现场主控节点，并将其存储的数据提取到控制中心。 1 现场无线采集子系统 现场短距离无线采集系统以现场主控节点为中心通过发散的形式与各个采 集点形成一对多的连接网络。数据通信采用了授权时分访问方式：各个现场数 据采集终端平时处于数据采集状态，现场主控节点监控各数据终端的状态：当 主控节点对某一数据采集终端有数据要求时，则对该数据终端进行授权，建立 无线连接并传输数据。一般而言，主机对各数据终端的数据要求是依次进行的。 有关该系统的具体设计将在第三章详细介绍。 2 g p r s 远程无线传输子系统 在g p r s 远程无线传输系统中，分布在采集现场的g p r s 终端平时处于监 听状态，当主控中心需要某座桥梁的健康信息时，发送指令将对应的g p r s 终 6 武汉理一f ：大学硕士学位论文 端唤醒，并提出采集数据的请求，由采集现场的g p r s 终端将数据发送到主控 中心。g p r s 远程无线传输系统的数据通信实现有两种方式：一是远端主控中 心的g p r s 终端和现场的g p r s 终端通过收发短消息的方式完成信令的控制和 数据的传输：二是各个g p r s 终端通过g s m 网络登陆i n t e m e t 网，实现与主控 中心之间的数据通信。本系统采用了可靠性较高的第一种通信方式。有关g p r s 远程无线传输子系统具体的方案研究将在第四章详细介绍。 2 2 关键技术介绍 2 2 1 短距离无线数传技术 目前，应用于短距离通信的无线数传技术主要有两种，一种是i r d a 红外无 线通信技术，另一种是工作于i s m ( i n d u s h - i a s c i e n t i f i cm e s c a l ) 频段射频通信技 术。 1 - i r d a 通信技术 i r d a 是红外数据组织o n f l a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 的简称，目前广泛采用的 i r d a 红外链接技术就是由该组织提出的。i r d a 红外通信技术是一种较早的短 距离无线通信技术，它一般采用红外波段内的近红外线，波长在0 7 5 2 5 m m 之 间。目前i r d a 的最高速度标准为4 m b p s ，通信距离在1 m 以内，同时在点对点 通信时要求接口对准角度不能超过3 0 0 。i r d a 技术只限于在2 个设备之间进行 链接，不能同时链接多个设备。 i r d a 技术无需专门申请特定频率的使用执照、具有移动通信设备所必需的 体积小和功率低的特点、点到点的连接下保密性以及速率可以达到4 m 且所受 干扰小的优势，使得对于要求传输速率高、使用次数少、移动范围小、价格比 较低的设备，如打印机、扫描仪、数码像机等，k d a 技术成为首选。然雨，通 讯距离短、通讯过程中不能移动、遇障碍物通讯中断、功能单一和扩展性差等 缺点大大阻碍了k d a 技术的发展，受到了短距离射频通信技术的挑战。 2 i s m 频段射频通信技术 i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段主要是开放给工业，科学、医学，三 个主要机构使用，该频段是依据美国联邦通讯委员会( ( f c c ，f e d e r a l 7 武汉理工大学硕士学位论文 c o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 所定义出来，属于f r e el i c e n s e ，并没有所谓使用 授权的限制，所以使用时不用申请许可证。工作于i s m 频段的短距离射频通信 技术主要有h o m e r f ( 家庭无线网技术) 、8 0 2 1 1 标准( 无线局域网技术) 、b l u e t o o t h ( 蓝牙技术) 等。 一、h o m e r f 技术 h o m e r f 是由h o m e r f 工作组开发的，是在家庭区域范围内的任何地方， 在p c 和用户电予设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。它在第一代 f h s si e e e8 0 2 1 1 技术的基础上，增加了源自数字无绳电话规范( o e c t , d i g i t a l e n h a n c e dc o r d l e s st e l e p h o n y ) 的话音性能可选项。h o m e r f 采用5 0 跳秒的跳频 速率以最大限度地减小干扰，此跳频速率比i e e e8 0 2 1 l bf h s s 的跳频速率高 得多，但在物理层上则较i e e e8 0 2 1 1f h s s 规范有所放松。h o m e r f 工作频段 是2 4 g h zi s m 频段，支持数据和音频。h o m e r f 最大发射功率为1 0 0 r o w ，采 用f s k 调制，通信距离约5 0 m ，数据吞吐量约为1 m p s 。和i e e e8 0 2 1 1 样， 一个h o m e r f 网络可以支持至多1 2 7 个节点及4 个话音通信链接。作为无线技 术方案，它代替了需要铺设昂贵传输线的有线家庭网络，为网络中的设各，如 笔记本电脑和i n t e m e t 应用提供了漫游功能。就短距离无线连接技术丽言，它通 常被看作是m e e 8 0 2 1 1 和“蓝牙”协议的主要竞争对手。 二、8 0 2 1 1 标准 w l a ni e e e8 0 2 1 1 标准，定义了无线节点与网络中各种接入点间相互通 信的接口和协议。其规范包括红外线( 较少使用) ，跳频扩频( f u s s ，f r e q u e n c y h o p p i n gs p r e a ds l c t m m ) 和直接序列扩频( o s s s ，d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ) 等方案。从本质上来说，w i a n 是调制在载波上的一个普通的l a n 协议。w l a ni e e e8 0 2 1 1 是l a n 以太网的无线延伸。i e e e8 0 2 1 1 设备的优 点是能够支持复杂的m a c 特征，如节点隐藏和应用点间的漫游。高速i e e e 8 0 2 1 1 工作在2 4 g h zi s m 频段并将数据速率定为5 5 m b i t s 和l l m b i t s 。 i e e e8 0 2 1 1 标准是作为i a n 的无线延伸而设计的，可用于商业应用，也 可在学校和机场等公共场所配置。当应用于家庭联网时只需在此基础上进行相 应的配置即可，因为由同一个i e e e8 0 2 1 1 使能的p c 机可以很容易地连接到各 种无线l a n 上，为用户提供正确的安全握手过程。高速i e e e8 0 2 1 l b 无线l a n 以1 1 m b i t s 的高速率进行数据传送，很适合1 4 m b i t s 的家庭p h o n e l i n e2 0 规范。 8 武汉理工大学硕士学位论文 其高速率特性也能和开始广为使用的新的高速接入技术，如有线调制器和x d s l 很好地匹配。 三、蓝牙( b l u e t o o t l l ) 技术 蓝牙技术是爱立信公司在1 9 9 4 年提出的一种最新的短距离无线通信技术 规范，是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范。它以低成本的近距离无 线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接，其工作频段为 全球通用的2 4 g h zi s m ( & p q - 业、科学、医学) 频段。蓝牙的数据传输速率约为 1 m b i t s 。采用时分双工方案来实现全双工传输，其理想的连接范围为1 0 厘米 1 0 米，通过增大发送功率可以将距离延长至1 0 0 米。 蓝牙技术最初的目的是希望采用短距离无线技术将各种数字设备f 如移动 电话、计算机、p d a 等涟接起来，以消除现在这些千头万绪、令人头疼的电缆 连线。随着研究的进展，蓝牙技术可能的应用领域得到了大大扩展，比如，将 蓝牙技术应用于汽车工业、无线网络接入、采用蓝牙技术在电气隔离性要求很 高的情况下进行通信、将蓝牙技术应用在信息家电中以及在其它所有不便于进 行有线连接的地方使用等等。 3 现场无线采集子系统关键技术选择 以上分析了几种常见的短距离无线通信技术。在实际应用中，这些技术各 有自己的优缺点和不同的适用范围。比如i r d a 通信技术只能完成点对点的通信 且传输距离太短、蓝牙和h o m er f 的成本比较高且协议实现比较复杂，而本系 统采用点对多点的网络通信，要求具有现场规模不太大，距离适中。较容易实 现，成本较低的特点。所以以上几种技术都不太适合该系统的数据通信要求。 鉴于这种情况下，本文采用了西安达泰电子公司d t d 4 6 2 a 射频数传模块的组 网解决方案，工作于4 3 3 m h zi s m 频段，以此模块为硬件基础构成点对多点无 线通信网络，自主设计出点对多点通信控制协议，从而实现现场无线采集子系 统。 2 2 2g p r s 数据通信技术 通常将移动通信分为三代。第一代是模拟的无线网络，第二代是数字通信 包括g s m ( g i o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) ； 【lc d m a ( c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 等，第三代是分组型的移动业务，称为3 g o r dg e n e r a t i o n ) 。 9 武汉理下大学硕士学位论文 g p r s 是介于第二代和第三代之间的一种技术，通常称为2 5 g ，通过升级g s m 网络实现【8 】0 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务1 是在现有的g s m 移动通信系统基础上发展起来的一种移动分组数据业务。是g s m 网络向第三 代移动通信演进的第一步，这一步有两点重要意义，一是在g s m 网络中引入 分组交换能力，二是将速率提高到1 0 0 k b i t s 以上1 9 1 。g p r s 采用与g s m 同样的 无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的 t d m a 帧结构，这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其 相似，因此现有的基站子系统( n s s ) 从一开始就可提供全面的g p r s 覆盖。g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模 式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用 于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传 输。 g p r s 是移动通信过渡代产品，是一种高速分组数据交换技术，同时支持 两种主流的分组数据网络协议：职和x 2 5 。它改良了现有的g s m 网络系统， 使得g s m 系统可以在第三代移动通信系统得到实际应用之前实现同时提供电 路交换和分组交换两种承载业务。基于分组数据包使现有的移动通信系统提 供的数据业务首次从9 6 k b p s 飞跃到了1 0 0 k b p s 以上，极大地提高了移动用户的 移动通信能力，而且由于分组交换是基于统计复用的原理，它大大地提高了无 线信遒和核心网络的使用效率。利用g p r s 的分组信道来传送短消息，效率更 高，容量更大。如果移动台同时附着g p r s 和i m s i ，烈它可以透过g p r s 信道。 又可以通过非g p r s 控制信道传递短消息。通过g p r s ，移动用户可以直接连 接到i n t e r n e t 上处于一直在线的状态，而无须拨号连上一个特定的i s p ，而且用 户只须为他们实际使用的通信数据总量付费。 2 3 系统设计原则 远程无线数据采集系统使用射频通信技术进行数据的无线传输，以单片微 型计算机作为控制的核心，从总体上看属于一个计算机射频通信系统。我们应 当注意到的是，由于射频通信存在许多不同于有线通信的特点，在实际设计与 1 0 武汉理1 _ = 大学硕士学位论文 开发射频通信系统时，我们将面临一些特殊的问题。必须对这些特殊的问题做 出正确的解决，才能构建实用有效的计算机射频通信系统。下面将选择若干有 代表性的问题来加以分析说明。【1 0 ，1 1 ，1 2 】 1 低功耗 低功耗设计在目前许多应用中己经成为必须满足的首要设计指标。鉴于计 算设备的便携性、移动性日益增强，因此部分情况下要求设备由电池供电。如 果不采取措施尽量延迟电池的使用寿命，设计将变得毫无意义。针对不同的设 计情况，降低功耗有不同的考虑，主要可以从如下几个方面来考虑： ( 1 ) 器件本身的耗电特性。首先应选择工作电流尽可能低的单片机、射频芯 片和电平转换器。这需要我们对可用的器件做出全面调查，在综合考虑成本、 设计难度等问题的前提下，做出最优化的选择。 但1 硬件设计的考虑。在器件选择已经确定的情况下，硬件设计上需要随时 注意采取能够降低功耗的措旌。比如，有些器件具有转入省电运行模式f 如 i d l e 、s l e e p 等) 的控制引脚，那么，这类弓 脚应考虑连接于控制器上，以便 在恰当的时候能够操作其进入省电模式。再比如，某些器件不是任何时候都需 要处于工作状态( 如射频信号输出放大电路、外部扩展的一些供数据帧缓冲的存 储器1 ，那么，应考虑能够从硬件上关断其供电电路 以便在不需要的时候停止 对这些器件的供电。还有，某些器件或许不需要保持最高的可能运行速度( 像单 片机可能不需要工作在最高的可运行频率上) ，那么应通过细致的计算来确定其 足够满足设计要求的速度下限，并使其工作在此速度下限。诸如此类的考虑将 能够显著改善功耗情况。 ( 3 ) 软件设计的考虑。主控软件在运行期间应随时注意关闭器件不需要的功 能，或者使器件在不需要保持正常运行状态盱寸，转入省电工作模式。比如单片 机通常具有休眠等省电模式，在不需要数据处理的时候，应使单片机进入此类 模式，然后，在数据到来的时候，通过中断( 来自主机的串行通信中断，或来自 射频芯片的接收信号中断) 来唤醒单片机。还有，在此类系统中，由于通信协议 通常都是通过软件处理的，因而在通信协议的制定过程中，一定也要随时考虑 低功耗的问题。举例来说，如果不需要报强的实时性，那么射频收发电路部分 就不必随时处于接收状态，而可以由软件控制以定时的方式进行“接收关闭” 状态的循环。这样，可以使得射频收发电路部分绝大多数时间内都处于关闭状 武汉理工大学硕士学位论文 态而节省功耗。在协议设计上有很多类似的细节可以加以利用。比如，由多个 节点组成的网络中，节点a 经节点b 的中转而向节点c 传递数据时，如果协议 要求每次数据传递都进行应答，那么节点b 在收到节点a 的数据后首先需要应 答节点a ，从而使得节点b 必须至少进行两次发射。其实，我们可以采用不需 要节点b 应答的协议，而是由节点a 主动侦听节点b 是否向节点c 传送自己 所发出的数据。这样，节点b 就只需进行一次发射。由于射频收发状态是射频 芯片电路部分最耗电的工作状态，因此，减少其发射次数，就可以显著节约功 耗。诸如此类的软件设计技巧是很多且很重要的，一定要加以重视。 另外，对于光照充足的野外工作环境，如果系统允许的话，采用太阳能电 池供电也是一个很好的选择。 2 可靠性 射频通信不同于有线通信方式，其连接是不可靠的。对于射频数据收发而 言，可靠性必须采取多种方式予以保证。首先，要依据实际应用情况选择恰当 的射频通信芯片：如对于需要频繁移动的应用情形。应选择频率或相位调制的 芯片。因为对于信号振幅而言，会随着设备的移动而产生较大的衰落变化，影 响数据比特的接收( 比如在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动通信设备的 接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次) 。其次，硬件电路上要使得接收 灵敏度、发射信号强度足以满足接收距离等要求。在这些“硬”的基础确定后， 软件也需要作大量的工作。如由于无线信道的时变性很强，采用软件构成数据 帧时不宜过长，因为短帧可以提高每帧数据传输的成功率。再如无线数据传送 很容易发生误码或丢失数据比特的现象。因此，需要软件对所传输的数据旌加 检错或自动纠错的编码。编码的基本实现方法是在发送端将被传输的信息附上 一些监督码元，这些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联， 一旦传输发生差错，则信息码元与监督码元的关系就受到破坏，从而接收端可 以发现错误乃至纠正错误。常用的c g c ( 键i g 冗余效验) 可以很好地检测各种各 样的接收错误，而且算法实现也比较简单。纠错编码一般可采用循环码，其性 能较好而且容易实现，不但可以纠正独立的随机错误，而且也可以用于纠正突 发错误。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 3 保密性 由于无线电波是在广阔的空间内辐射的，因此，射频数据很容易被截听。 对于某些场合，如安全监控、无线p o s 等应用，必须对射频传输的数据进行加 密。数据加密的方法很多，应综合考虑数据的密级、加密强度、加密效率、实 现成本等因素，选择合适的加密方法。值得注意的是，密码算法一定要使用公 认的、业已经过广泛证实的算法；不要采用自创的、或者一些未经考验的算法。 另外，专用的硬件加密部件可提供最佳的加密速度，但同时增加了成本，也加 大了功耗指标。 4 抗干扰 干扰对于射频数据传输来说是不可避免的，因为我们所处的电磁环境非常 复杂，存在各种来源的电磁干扰：另外，我们所制作的射频通信部件之间也存 在着相互干扰( 如多个芯片同时发射数据会产生碰撞而使得数据无法辨别) 。解 决干扰问题，尤其是多个射频通信系统同时工作时的相互干扰，必须认真研究 解决。支持扩频通信的芯片可以很好地解决抗干扰问题，但电路成本和实旌难 度都较大。a s k 、f s k 等调制方式的射频芯片虽然不能依赖芯片本身解决相互 之间的干扰，但可以利用软件，通过制定冲突检测协议来解决相互之间的干扰 问题。因此，应针对实际需求进行综合的考虑。 5 天线 天线在最终的产品中，将突出地成为一个影响射频信号收发效果的决定性 因素。常用的天线有环形天线、鞭状天线和集成天线。不同的天线其增益、方 向性、安装的难易度等都有很大的不同。鞭状天线具有较好的增益和全方向性， 但缺点是天线存在一定的高度，对于某些应用场合，存在天线难安装、易损坏 的问题。环形天线虽然其增益较小、受方向变化影响大，但它可印制在电路板 上，所以成本低廉且非常便于安装。集成天线通常具有更小的体积、很高的增 益和良好的全方向性，可以很方便地安装在通信部件中，并有很好的