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设计与实现基于CDMA的远程监控和控制系统摘要：本文介绍了设计和实现基于CDMA2000 1X技术的远程监控和控制系统。如今的CDMA2000 1X系统增加了一系列设备构建了分组数据包网络，并提供高速数据分组服务。分组网络提供两种互联网接口：简单IP和移动IP地址。本文采用移动IP技术接入互联网。该无线监控系统是一个利用无线通信技术的数据采集系统。传感器节点获取传感器的数据类型不同，配有中央服务器的网络设备接入互联网，通过分散在数百个传感器节点的无线频道收集了传感器传输的业务数据。该系统适用于许多工厂自动化系统类型的应用，如工业和医疗远程监控系统，安全系统，以及远程抄表系统。此外，它已在海上油田领域付诸实践。在监察系统的实际应用，信息通过无线网络传输，包括工作条件等参数，油压，电池电压，内存容量，时钟及其他。本文介绍了硬件结构和软件系统结构，并分析了误码率。结果表明，该系统能满足实际要求。关键词：CDMA2000 1X技术，互联网接入，移动IP，传感器节点，误码率1引言在过去几年内，因为他比传统有线技术的优势。无线网络技术引起了人们的注意。大部分的常规监测系统使用的是有线技术。有线网络比无线网络总是更快、更便宜。一但连接好，很少有东西可以干扰到一个有线连接。有线网络有很多形式，例如RS485和以太网1。但无线技术不是简单把一些常规监测设备安装在一定的条件艰苦的地方，如因公海上或山。此外，无线网络可以扩大规模和功能。接入点可以添加和随意的升级。无线网络可以是一个小的系统和随需求变化的规模和复杂性2。近年来，中国经济的持续增加，生活和石油工业的需求，导致了对控制监测石油系统的要求更高。许多研究人员和管理人员需要一个系统，可以自动测量所需的传感器的信息和通过无线网络给研究中心服务器提供信息。该传感器节点将传感器信息发送到中央服务器。同时，中央服务器控制传输参数的传感器节点。一些实时远程监控系统采用RF（射频）模块34。但是，射频模块也有一些问题如的射频通信领域小，消费功率大的特点，噪声鲁棒性低，干扰其他射频模块和有限的通信频带。另一方面，这些PC（个人通信服务）使用CDMA技术可以提供各种服务，无限的通信覆盖范围，并消耗更少的电力。它可能不会受到噪音的影响。更重要的是，它保证通信的安全，因为传输的数据进行加密5。基于观测设备的各种无线通信，提出了一种基于CDMA的实时远程监控和控制系统，测量海上石油领域的石油压力数据。设想的系统基本上是由两部分组成。一个是传感器节点可以发送中心服务器油压数据和接收来自中央服务器命令。另一个是中央服务器，可以发送所需的命令到传感器节点和接收从传感器节点发送的数据。中央服务器是接入互联网的计算机网络设备。计算机和传感器节点组成一个微型集的RISC精简指令控制器，一个CDMA知识产权调制解调器和多个传感器。在传感器节点上，外设的微控制器，采集并存储了来自各种传感器的石油压力数据，这些数据传输到中央服务器。这篇论文的结构如下。在第二节，简要概述了无线监测系统，在第三节详细阐述了硬件结构，以及实现目标系统所采取的措施。在第四节，提出了无线通信的实现方法，结果和结论分别在第五和第六节。2. 基于CDMA的无线监控系统 无线监控系统是一个利用无线通信技术数据采集系统。中央服务器通过分散的数百个传感器节点由一个无线通道收集传感器传感器数据。该系统可用于诸如医药对许多领域，资产跟踪，测量，工厂自动化，空调，安全，煤矿和油井。图1所示，该远程监控和控制系统技术基于CDMA2000 1X。无线监控系统包括一个单一的中央服务器和大量的传感器节点。中央服务器收集由传感器节点传输和发送控制传感器节点数据，而传感器节点发送通过传感器测量的数据到中心服务器。传感器节点可以获取和存储多种类型的传感器的数据，例如湿度，压力，温度等。接收到的数据都存储在中央服务器数据库。服务器数据库的测量数据可以作为观察员通过局域网或互联网远程监控监测。图1、无线监控网络原理图3CDMA2000 1X技术CDMA（多址分码）是用于扩频系统。在中国，经过阶段一，二，三网络建设的CDMA网络，是世界上最大的CDMA2000 1X可能应运而生。它提供多种服务，包括语音和用户数据，提供高达153.6k bps的数据，因此处在2.5G网络领先的位置。它具有良好的无线通道利用率，在高基点（通常达80 -100K的速度）并能提供稳定的移动数据通道6。相比与GPRS（通用分组无线业务）网络，CDMA2000 1X网络具有更高的存取速度7。如今的CDMA2000 1X系统设备增加了网络分组数据包，提供高速分组数据服务。分组网络可以提供两种互联网接入：简单IP和移动IP。在简单的IP网络接入，数据包核心组成是PDSN和AAA服务。PDSN（分组数据业务节点）设备作为一个网络门户接入无线网络和互联网。它可以管理用户身份，向用户提供数据，为用户分配移动的动态IP地址，产生计费记录等8。AAA级（认证，授权和会计）服务器采用的RADIUS（远程认证拨号用户服务）协议执行功能，主要是身份验证，授权和计算9。在移动IP网络下，分组核心组成包括PDSN、HA和AAA服务器。HA（家乡代理）作为家乡代理与移动IP技术相类似。它可能会分配家庭移动用户的IP地址，通过手机注册的隧道技术发送数据包到足总杯（国外代理商），维护和管理捆绑的移动用户的记录。PDSN实现移动IP技术的外国代理职能。它采用移动IP隧道技术向用户发送数据，用户向HA负责转发去封装的移动数据。AAA服务器实现认证，授权和计算移动用户，相对于较简单的IP，移动IP可以服务更多的移动用户和无线数据服务的质量更高，因为它可以提供被叫方切换服务PDSNs等功能，还有强大的认证，等等10 11。本文采用移动IP技术进行互联网接入。3.1网络拓扑在网络中，拓扑结构是指连接在网络上长期的设备布局。网络拓扑结构分为以下基本类型：总线，环形，星，树和网状。在总线拓扑中，所有节点都连接在一个总线。在环形拓扑结构，每个节点都恰好有两个分支机构连接到它。在星型拓扑，周边节点连接到一个中央节点，它聚集所有传输节点收到任何外设到网络上的外围节点，包括起始节点。更复杂的网络可以建立两个或作为杂交拓扑。拟议的远程监控系统只能支持星型拓扑，因为没有传感器节点之间的通信。其他无线局域网和Zigbee无线网络系统，如个人要支持的IEEE 802.11b的应用取决于许多类型的拓扑结构，如星形，网状，拓扑树，群集或某些类型的扩展1213。这些网络中的每个设备可以是主机或从机。及其网络的形成，配置和维护自动执行，因此，一个简单的星形网络是控制和同步，而另一些难以控制。 3.2误码率对于一个典型的多用户CDMA系统中，接收信号R（t），可由以下得到14 15：(1)其中k表示第k个用户, 是第k个用户代码序列，是第k个用户数据信号, 是第k个用户传输的功率，, = 1/中心谐波的角频率，是第k个用户的载波相位，是第k个用户的发射时间，是圆对称加白高斯噪声平均值，为噪声功率。该过滤器输出的相关接收器或匹配可以表示为： (2)其中T表示的时间段。误码率（BER）的多用户CDMA系统可以表示为： (3)其中N表示该控制系统的远程监控和扩频增益。对于基于CDMA2000 1X技术，误码率，主要是部分取决于无线收发单元，将在以下讨论。4硬件结构无线传感器监测系统节点的硬件系统框图如图2所示，图2、传感器节点结构在图2所示，它由一个电源单位，一个传感单元，处理单元，以及收发装置。传感装置通常由不同类型的传感器和ADC（拟到数字转换器），不同的传感器测量的模拟信号被转换为数字数据，然后传输到处理单元，处理单元包括处理器和相关的存储单元。它得到的各种传感器的数据，这些数据，然后通过RS232串行电缆转发到CDMA调制解调器。收发器单元，即CDMA调制解调器，用于与单一中央服务器的数据交换。一个传感器节点的最重要组成部分，是电源装置了，它提供了所有其他组件能源资源。该处理单元框图如图3所示。通常的处理单元包括复位模块，时钟模块，存储模块，不同类型的接口。这些接口包括RS232，RS485总线，USB（通用串行总线）的JTAG（联合测试行动组协议）网络卡，功能扩展总线，系统扩展总线。电源管理模块提供了2种电压，同时监测到CPU的电压波动。复位模块拥有两个复位功能，例如上电复位，人工复位，可保证CPU的正确复位。时钟模块提供了CPU频率为180Mhz的。通过RS232接口用于调制解调器的处理单元和CDMA之间的数据交换。网卡接口是正常的以太网接口，其中的处理单元，可以直接接入互联网。功能扩展和系统扩展总线的应用满足未来的发展需求。图3、处理单元框图调制解调器CDMA框图如图4所示。调制解调器是基于CDMA2000 1X技术，旨在尽量减少低功耗硬件复杂度。它集成了控制器，射频收发器和天线接口。在CDMA模块图4所示。 采用Wavecom公司Q2385。IP的CDMA调制解调器的接口产品可以方便地通过一个标准的串行接口与现有通讯渠道连接。串行的DTE（数据终端设备）通道的速度能够到230kbps，可直接连接到UART（通用异步接收器/发射器）或微控制器。完整的直接连接天线板上RF收发器接口与无线SMS（短消息）电路交换拨号，或分组数据网络。它还包括一个内建的LED显示网络。图4、CDMA模块框图CDMA调制解调器IP的Internet协议和存储设备的配置参数，板载闪存，这是大多数远程模式更新。调制解调器也使用内SRAM执行例行的缓冲，并提供足够的SRAM存储，以确保数据包不会丢失在Internet数据传输中。它支持业界标准的Hayes AT命令集。因此它可以作为一种灵活，可靠，高效率的优化和TCP / IP通信控制器，提供了很多不仅仅是基本的TCP / IP协议。它是一个“插入式”的IP网络解决方案，满足当前未来的要求，。CDMA调制解调器的还包括许多功能，优化网络连接。例如，当上网的调制解调器可以自动报告它的主机名，端口号和动态的IP地址到服务器，邮箱或Web注册页面。一旦注册，可查询终端服务器，以获取当前的IP地址。Web服务器可以被配置为自动启动后上网。在蜂窝网络的案件，包括调制解调器“连接看门狗”，监视蜂窝网络连接，并自动建立一个新的PPP链路，重新连接到运营商。如果一个传感器节点联机或脱机，调制解调器将报告。它还包括许多功能，使调制解调器，并没有在大多数的TCP / IP协议。IP CDMA调制解调器的远程管理，包括代理，使终端进行远程管理，通过DCS系统（设备连接服务器），这是一个组合的Web服务器，注册服务器和代理服务器。终端可以通过网络进行远程配置或插座。我的AT +协议提供了一个简单传感器节点的接口。IP的CDMA调制解调器的具有以下特点：1）CDMA2000 1x RTT远程传输2）CDMAIS-95A, IS-95B向后兼容3）双频段800/1900MHz CDMA4）800兆赫与支持R - UIM卡（可移动用户识别模块）5）分组数据高达153.6k bps的正向和反向6）电路交换数据高达14.4k bps7）短消息服务（短信）8）串行接口支持的DTE速度230k bps以上9）AT命令兼容10）通用插座连接图。 图5、 6显示的处理单元的模型和CDMA调制解调器。如两幅图所示，左边代表原型的正面一侧，而右代表背面。在处理单元电路的设计和CDMA调制解调器，考虑到高频率的影响，印刷电路板均采用多层的设计技术。为IP调制解调器电路设计的CDMA，因为无线电频率信号必须分开的低频信号，金属屏蔽盖是一个非常有效的解决办法，在图所示 6，这种金属屏蔽盖可以限制区域内的RF能量的无线电频率。图5、处理单元 样机模型图图6、CDMA调制解调器样机模型5 软件结构传感器节点监控无线网络系统中用的编程语言是标准的ANSI的C语言，图7表明了传感器节点的阶梯结构。应用层TCP层IP层PPP层CDMA模块驱动层串口驱动层图7、传感器节点阶梯结构如图所示，它包含应用层、TCP层、IP层、PPP层、CDMA模块驱动层和串口驱动层。通过这些阶梯层，传感器节点可以传送请求数据到主服务器和通过无线网络从主服务器中接受命令。有VC+编程的主服务器交换传感器节点和数据库服务器之间的信息。这个程序由端口保护线程、用户注册管理线程和数据请求线程。端口保护的运作监控着服务端口。传感器节点的第一次请求时端口保护线程会启动，并且会建立一个用户列表来记录传感节点。当一个新的传感节点请求时，端口保护线程将增加新的信息到列表上。空白列表表示没有监控请求，连接主服务器和数据库服务器的连接将会被切断。主服务器的运作流程如下所示：等待传感器节点的请求。建立主服务器和请求传感节点之间的连接。如果成功的建立了连接，一个用于从请求传感节点接收新数据的线程将会启动并且运行（3）。否则，返回（1）继续等待传感节点的请求。从传感节点接收数据，并且运行（4）。判断传感节点的身份是否有效。如果传感节点是有效的，连接数据存储区和数据库服务器且继续（6）。否则，结束进程，运行（5）。判断用户服务列表是否有用户。如果列表中没有用户，切断数据库返回（1）。否则保持与数据库的连接。判断请求的传感节点是否为新用户。如果是新用户，添加新信息到用户服务列表再继续(7)。否则直接运行（7）。结束主服务器和请求传感节点之间的连接并返回(1)。6结果基于CDMA2000 1X技术在面向应用的无线监控系统采用Wavecom公司Q2385 CDMA模块。因此，误码率（BER）取决于Q2385模块。由于沟通渠道的随机性，本文采用统计分析方法的误码率。表一显示了不同频率的误差率分析结果。结果表明，该系统能够满足要求的误码率。表1、误码率结果分析频率(MHz)870.30871.89872.58874.05875.61877.83误码率(10-6)348313271301299292频率(MHz)879.36881.88883.38884.55887.16889.35误码率(10-6)278239197158125116在理想的系统里，感器节点的中心服务器上获得的数据来自不同类型的传感器传输的数据。服务器上的观察员可以监视测量数据，例如，我们已经提出实施的海上石油无线监测系统。图 8显示了远程监测系统中央服务器的软件接口。从测量数据，中央服务器的观察员可作出判断，然后采取相应的行动。该传感器节点的存储能力和200万的数据量的存储大约240,000。一个传感器节点无法连接服务器时候，传感器节点所需的数据存储和通信在下次发送。通过这种方法，可以确保没有传感器的数据都将丢失图8、软件接口的无线监控系统7.结论在本文中，我们提出了一个面向应用的基于CDMA2000 1X技术基础上的无线监控系统。该系统的两个基本部分组成。一个是集成了传感器节点的传感装置，数字处理单元，收发器单元，以及电源装置。另一个是中央服务器接入Internet组成的计算机网络。采用CDMA2000 1X系统设备系列增加了分组数据包建网络，提供高速分组数据服务。分组网络可以提供互联网接入两种：简单IP和移动IP。本文采用移动IP技术进行互联网接入。无线传感器与中央服务器之间的数据交换，本文介绍的硬件框图，软件结构和系统的特点。该系统可适应许多工厂自动化系统类型的应用，如工业和医疗远程监控系统，安全系统，以及远程抄表系统。此外，它已落实在石油领域。在监察系统的实际应用，信息通过无线网络传输，包括工作条件等参数，油压，电池电压，内存容量，时钟等。这项工作的结果及其应用表明，该系统能满足现场要求。部分系统的由国家973计划完成（No.2002CB312200）。参考文献：1 L. K. Thomas and W. A. Buan, “Installation of apower monitoring system in a large, multiple power source, industrial facility”, IEEE Pulp and Paper Industry Technology Conference, pp. 35-53, 1995.2 Jihong Lee and Baeseung Seo, “Real-time remote system based on personal communicationservice (PCS)”, IEEE Society of Instrument and Control Engineers Conference, pp. 370-375, 2001.3 T. M. Ruff and D. Hession-Kunz, “Application of radio-frequency identification systems to collision avoidance in metal/nonmetal mines”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 37, No. 1, pp. 112-116, 2001.4 C. J. Cottee and S. R. Duncan, “Design of matching circuit controllers for radio-frequency heating”,IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol. 11, No. 1, pp. 91-100, 2003.5 K. S. Gilhousen, I. M. Jacobs, R. Padovani, A. J. Viterbi, L. A. Weaver and C. E. Wheatley, “On the capacity of a cellular CDMA system”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 40, No. 2, pp. 303-312, 1991.6 Hsiao-Hwa Chen, “On next generation CDMA technology for future wireless networking”, IEEEGlobal Telecommunications Conference, pp. 120-129, 2004.7 C. X.Wu, Z.W. Yu, G. Y. Li and L. F. Yu, “The 3Gbased wireless networked & intelligent monitoring system for pharos management”, IEEE Intelligent Transportation Systems Conference, pp. 492-496,2003.8 A. Kagalkar, S. Mukherjee, S. Rangarajan and K. Guo, “PPP migration: a technique for low-latencyhandoff in CDMA2000 networks”, IEEE Mobile and Ubiquitous Systems Conference, pp. 133-144,2005.9 P. Zhao, X. W. Cao and P. Luo, “Attack on RADIUS authentication protocol”, IEEE Communication Technology Conference, pp. 208-212, 2003.10 Ho