基于WiFi的仓储管理手持设备开发论文

1、 PAGE61 / NUMPAGES71硕 士 学 位 论 文Thesis for Masters Degree基于WiFi的仓储管理手持设备开发学 科 名称：模式识别与智能系统申请工学硕士学位论文论文题目：基于WiFi的仓储管理手持设备开发学科门类：工学一级学科：控制科学与工程培养单位：电气与信息工程学院硕士生：何艳丽导 师： 颀2014年5月DEVELOPMENTOF HANDHELD TERMINALFOR WAREHOUSE MANAGEMENTBASED ON WiFiA Thesis Submitted to ShaanxiUniversity of Science and Tec

2、hnologyin Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Master of Engineering ScienceBy Yanli HeSupervisor: ProfQi LiMay 2014基于WiFi的仓储管理手持设备开发摘 要随着经济技术的快速发展，在仓储管理系统中，自动化立体仓库已经被广泛采用，因此对仓库中的布线产生了更高的要求。传统仓库中采用的是有线通信方式，这种通信方式布线成本较高且布线复杂，近年来WiFi无线接入技术由于具有覆盖围广、传输速度快、无需布线等优点而被广泛使用。针对这种情况，本文提出一种基

3、于WiFi的仓储管理手持设备。该手持设备使用WiFi无线接入技术解决传统仓储管理中的布线问题，使用RFID技术辅助管理货物信息。管理人员只要将支持WiFi功能的手持设备拿到热点地区，即可高速接入因特网。本文主要工作总结如下：完成仓储管理手持设备核心板和功能板的设计。核心板主要由功耗较低的ARM7芯片S3C44B0处理器和存储器组成；功能板采用Marvell公司的88W8686芯片实现了WiFi通信模块的设计，采用MF RC522芯片实现RFID模块的设计，另外，还设计了电源、LCD接口电路等。实现基于预处理的AP点间切换算法仿真。通过分析传统切换方法时延较长的原因，为了降低切换带来的电量损耗，

4、使用基于预处理的AP点间切换算法，并在MATLAB环境下进行了仿真。完成WiFi模块的驱动程序开发。软件平台选用了CLinux操作系统，完成了Bootloader、CLinux核、根文件系统的修改和移植，并进行WiFi模块的驱动程序测试。实验表明，在无线局域网，该手持设备可以实现数据的传输，满足仓储管理的需要，对于提高仓储管理的自动化程度具有一定的参考价值。关键词：仓储管理，手持设备，WiFi，S3C44B0DEVELOPMENTOF HANDHELDTERMINALFOR WAREHOUSE MANAGEMENTBASED ON WiFiABSTRACTWith the developmen

5、t of economy and technology, Automated Storage and Retrieval System have been widely applied in warehouse management system, which generates higher requirements for the wiring in warehouses. Wired communication mode is adopted in traditionalwarehouse, which results inobvious disadvantages of high co

6、st and complexity for wiring. In recent years, WiFi accessing technology has been used because of many advantages including wide coverage, fast transmitting speed, no wiring. Aiming at this phenomenon, a kind of handheld terminal for warehouse management is proposed. WiFi technology is used to solve

7、 the wiring issue in traditional warehouse management, and RFID technology is utilized to assist the goods management information in this handheld terminal. The administrators need to take a handheld terminal with WiFi function to the hot spot area so that handheld terminal can access into the Inter

8、net with high speed. The main work is summarized as follows:The core board and functional board of handheld terminal for warehouse management are designed. The core board is consisted of low power ARM7 chip S3C44B0 processor and storages. The functional board is consisted of88W8686 chip that accompl

9、ish the WiFi communication, MF RC522 chip that accomplish theRFID function, and LCD interface, power module, and so on.The simulation of handover algorithm based on preprocessing between the AP is implemented. By means of analyzing the reason of the traditionalhandover algorithms long time delay and

10、 in order to reduce power consummation brought byhandover, thehandover algorithm based preprocessing between the AP is used, which is simulated in MATLAB.The development of WiFi module driver is accomplished. CLinux is chosen as the operation system.The modification and transplanting of Bootloader,

11、CLinux kernel and root file system is accomplished, and WiFi module driver is tested.Through the test, the handheld terminal transmits information within WLAN, which meets the needs of warehouse management. So it supplies a reference for improving the automation in warehousemanagement.KEY WORDS: War

12、ehousemanagement, Handheld terminal, WiFi, S3C44B0目 录TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc388348246摘要 PAGEREF _Toc388348246 h IHYPERLINK l _Toc388348247ABSTRACT PAGEREF _Toc388348247 h IIIHYPERLINK l _Toc3883482481 绪论 PAGEREF _Toc388348248 h 1HYPERLINK l _Toc3883482491.1课题的研究背景 PAGEREF _Toc388348249 h 1HY

13、PERLINK l _Toc3883482501.2国外研究现状 PAGEREF _Toc388348250 h 2HYPERLINK l _Toc3883482511.3本文的主要容 PAGEREF _Toc388348251 h 3HYPERLINK l _Toc3883482522 WiFi技术与其在仓储管理中的应用 PAGEREF _Toc388348252 h 5HYPERLINK l _Toc3883482532.1 WiFi技术介绍 PAGEREF _Toc388348253 h 5HYPERLINK l _Toc3883482542.1.1 WiFi网络的组成 PAGEREF

14、_Toc388348254 h 5HYPERLINK l _Toc3883482552.1.2 WiFi网络的组网方式 PAGEREF _Toc388348255 h 6HYPERLINK l _Toc3883482562.1.3 WiFi工作原理 PAGEREF _Toc388348256 h 7HYPERLINK l _Toc3883482572.1.4 WiFi技术的特点 PAGEREF _Toc388348257 h 7HYPERLINK l _Toc3883482582.2 802.11系列标准 PAGEREF _Toc388348258 h 8HYPERLINK l _Toc388

15、3482592.3 WiFi切换 PAGEREF _Toc388348259 h 9HYPERLINK l _Toc3883482602.4切换过程分析 PAGEREF _Toc388348260 h 11HYPERLINK l _Toc3883482612.5切换算法仿真 PAGEREF _Toc388348261 h 14HYPERLINK l _Toc3883482622.6仓储管理的业务流程 PAGEREF _Toc388348262 h 17HYPERLINK l _Toc3883482632.6.1入库作业流程 PAGEREF _Toc388348263 h 19HYPERLINK

16、 l _Toc3883482642.6.2出库作业流程 PAGEREF _Toc388348264 h 20HYPERLINK l _Toc3883482652.6.3盘库作业流程 PAGEREF _Toc388348265 h 21HYPERLINK l _Toc3883482662.7本章小结 PAGEREF _Toc388348266 h 21HYPERLINK l _Toc3883482673 WiFi手持设备的硬件设计 PAGEREF _Toc388348267 h 22HYPERLINK l _Toc3883482683.1系统总体结构设计 PAGEREF _Toc38834826

17、8 h 22HYPERLINK l _Toc3883482693.1.1仓库管理WiFi通信系统框架 PAGEREF _Toc388348269 h 22HYPERLINK l _Toc3883482703.1.2手持设备硬件系统基本结构 PAGEREF _Toc388348270 h 22HYPERLINK l _Toc3883482713.2 WiFi手持设备的核心板设计 PAGEREF _Toc388348271 h 23HYPERLINK l _Toc3883482723.2.1微处理器接口设计 PAGEREF _Toc388348272 h 23HYPERLINK l _Toc388

18、3482733.2.2存储器接口设计 PAGEREF _Toc388348273 h 24HYPERLINK l _Toc3883482743.3 WiFi手持设备的功能板设计 PAGEREF _Toc388348274 h 25HYPERLINK l _Toc3883482753.3.1锂电池供电模块设计 PAGEREF _Toc388348275 h 25HYPERLINK l _Toc3883482763.3.2 WiFi通信接口设计 PAGEREF _Toc388348276 h 26HYPERLINK l _Toc3883482773.3.3 WiFi天线阻抗匹配设计 PAGEREF

19、 _Toc388348277 h 27HYPERLINK l _Toc3883482783.3.4 RFID数据采集接口设计 PAGEREF _Toc388348278 h 28HYPERLINK l _Toc3883482793.3.5 SD卡接口电路设计 PAGEREF _Toc388348279 h 30HYPERLINK l _Toc3883482803.3.6音频接口电路的设计 PAGEREF _Toc388348280 h 30HYPERLINK l _Toc3883482813.3.7 USB接口电路的设计 PAGEREF _Toc388348281 h 31HYPERLINK

20、l _Toc3883482823.3.8 LCD接口电路的设计 PAGEREF _Toc388348282 h 31HYPERLINK l _Toc3883482833.3.9 JTAG接口电路的设计 PAGEREF _Toc388348283 h 32HYPERLINK l _Toc3883482843.4本章小结 PAGEREF _Toc388348284 h 33HYPERLINK l _Toc3883482854 WiFi手持设备的软件设计 PAGEREF _Toc388348285 h 34HYPERLINK l _Toc3883482864.1手持设备的软件平台搭建 PAGEREF

21、 _Toc388348286 h 34HYPERLINK l _Toc3883482874.2 CLinux嵌入式操作系统 PAGEREF _Toc388348287 h 35HYPERLINK l _Toc3883482884.3 Bootloader的工作原理与移植 PAGEREF _Toc388348288 h 36HYPERLINK l _Toc3883482894.3.1 Bootloader的工作原理 PAGEREF _Toc388348289 h 36HYPERLINK l _Toc3883482904.3.2 Bootloader的移植 PAGEREF _Toc38834829

22、0 h 36HYPERLINK l _Toc3883482914.4 CLinux的核简介与移植 PAGEREF _Toc388348291 h 38HYPERLINK l _Toc3883482924.4.1 CLinux的核简介 PAGEREF _Toc388348292 h 38HYPERLINK l _Toc3883482934.4.2 CLinux的核移植 PAGEREF _Toc388348293 h 40HYPERLINK l _Toc3883482944.5文件系统与Romfs移植 PAGEREF _Toc388348294 h 41HYPERLINK l _Toc388348

23、2954.5.1嵌入式文件系统 PAGEREF _Toc388348295 h 41HYPERLINK l _Toc3883482964.5.2 Romfs根文件系统移植 PAGEREF _Toc388348296 h 42HYPERLINK l _Toc3883482974.6 CLinux下的WiFi驱动程序设计 PAGEREF _Toc388348297 h 42HYPERLINK l _Toc3883482984.7 手持设备功能测试 PAGEREF _Toc388348298 h 43HYPERLINK l _Toc3883482994.7.1 WiFi传输功能测试 PAGEREF

24、_Toc388348299 h 43HYPERLINK l _Toc3883483004.7.2 上位机管理功能测试 PAGEREF _Toc388348300 h 45HYPERLINK l _Toc3883483014.8本章小结 PAGEREF _Toc388348301 h 47HYPERLINK l _Toc3883483025 总结与展望 PAGEREF _Toc388348302 h 48HYPERLINK l _Toc3883483035.1全文工作总结 PAGEREF _Toc388348303 h 48HYPERLINK l _Toc3883483045.2未来工作展望 P

25、AGEREF _Toc388348304 h 48HYPERLINK l _Toc388348305致 PAGEREF _Toc388348305 h 49HYPERLINK l _Toc388348306参考文献 PAGEREF _Toc388348306 h 50HYPERLINK l _Toc388348307附录A：WiFi手持设备核心板原理图 PAGEREF _Toc388348307 h 54HYPERLINK l _Toc388348308附录B：WiFi手持设备功能板原理图 PAGEREF _Toc388348308 h 56HYPERLINK l _Toc388348309攻

26、读学位期间发表的学术论文和科研成果 PAGEREF _Toc388348309 h 59 TOC o 1-3 h z u 1 绪论1.1课题的研究背景仓储管理就是对仓库与仓库的物资所进行的储存和保管，它可以调节、组织、协调货物的管理，充分利用所具有的仓储资源，是仓储活动顺利进行的必要保证，在现代物流管理中占据着非常重要的地位1。近年来随着经济与物流行业的快速发展，产品的种类越来越多，对货物的管理和存储工作变得越来越复杂，传统的人工输入方式已经不能满足仓储管理的需求，尤其是近几年物联网技术的迅猛发展，促使物流行业对仓储信息化、智能化程度提出了更高的要求。随着经济和社会的发展，仓储管理方式也在不断

27、的发生着变化，仓储管理由原来的人工和机械化管理方式逐渐发展为后来的自动化仓储方式，再到现在的智能化仓库2。二十世纪八十年代初条形码的应用代替了传统的人工操作，但是随着技术的发展，条形码的一些不足也逐渐的显露出来，例如一次只读取一个条码，破损或弄脏后就不能读取。21世纪出现的无线射频识别RFID（Radio Frequency Identification）技术，给仓储管理开创了一个崭新的局面，它是最新发明的一种技术，通过射频信号，物体不需要接触就可以识别出目标，并且能够在很短的时间得到相关的数据，识别过程也不需要人的参与，并且一次可以识别出多个标签，还可以工作在任何恶劣的环境中3。正是因为无线

28、射频技术具有这些特性，RFID技术被迅速的引入到仓储管理中，它能够克服掉条形码的一些不足，由于识别过程不需要人工干预，这就降低了管理人员的工作量，保证了识别的准确性，提高了仓储管理的效率，因此，RFID技术在现代仓储管理中得到了非常广泛的应用。目前嵌入式技术已经应用到生活中的很多方面，尤其在手持设备、工业自动化等领域更为明显。手持设备的功能和处理数据的能力变得越来越强大，许多公司已经将手持设备应用到了仓储管理系统中，配合自动化立体仓库和叉车的使用，这对仓库中的布线产生了更高的要求，WiFi（Wireless Fidelity）由于具有覆盖围广、传输速度快、无需布线等优点，近年来发展迅速，在布设

29、有WiFi网络的热点地区，带有WiFi功能的手持设备、移动终端等就可以免费的接入因特网，所以越来越多的仓库开始使用无线通信方式代替传统的有线方式进行通信。在仓储管理系统中使用无线通信方式可以不受布线条件的限制，能够更好地满足叉车等设备对移动性的需求。因此，如何改进仓储管理技术，把更新的技术成果应用到仓储管理中，不断提高仓储管理的信息化程度，从而提高企业仓储管理的效率变得日益突出。本文综合仓储管理的发展趋势和管理人员的需求，设计了一种RFID与WiFi相结合的仓储管理手持设备，在RFID管理货物信息的同时，使用WiFi技术与上位机进行数据的传输，RFID由于具有自动识别的优点，在货物出入库时，库

30、口的天线可以自动识别出货物的标签，并且一次可以识别出多个标签，这样就保证了出入库信息的准确性，提高了出入库的效率。利用WiFi无线接入技术，解决了仓库中布线困难的问题，具有WiFi功能的手持设备通过无线通信方式，接收上位机发来的命令，管理人员处理完相应命令后，通过无线通信方式将信息反馈给上位机，方便了人们对仓储货物的管理。1.2国外研究现状二十世纪七八十年代自动化技术开始被广泛地应用到仓储管理领域，出现了现代仓储管理系统的原型，很多国家开始投入大量的人力、财力用于仓储管理系统的研究与开发，并取得了一定的成果4。但那个时代的自动化只是各个部门独自的自动化，并且独立工作。21世纪以来计算机技术发展

31、迅速，这种局部的自动化逐渐不能满足经济增长的需求，于是便产生了集成系统的概念，集成化概念提出后，仓储管理的重点就转向了对整个仓储的管理和控制，要求能够做到实时、准确的管理整个仓库，仓储系统各部分之间可以实时的进行通信，实时记录更新货物总量、出入库货物量和日期等信息，做到对货物进行实时监管，这样管理人员就可以与时地做出供货和订货决策5。在这种集成化系统中，系统各部分之间互相协作，提高了仓储管理的效率和准确率，集成化的思想的提出，极推动了仓储管理系统的发展，国外的学者对这种数字化、集成化的仓储管理系统也做了很多相关的研究6。目前，在国外，仓储业经历了多年的发展，具有了很高的自动化程度和信息化水平，

32、并拥有先进的专业技术，形成了良好的发展势头，国外的仓储管理系统一般利用电子商务技术、互联网平台，协调各个子系统资源的分配和共享，降低管理成本，大多数仓库都是根据自己仓库中的实际情况使用专门的管理软件，这些软件是将采购、生产和销售各个方面的情况都考虑在而进行的仓储系统的规划和设计7-8，国外的RFID技术发展相当成熟，已经被广泛应用于仓储管理系统中9。采用电子交换、电子销售信息系统、射频识别、卫星跟踪、系统仿真等先进技术的自动化仓储管理系统，不仅可以增加货物入库、出库和盘点的准确率，还可以加快仓储中货物的流通速度，使仓库资源得到充分利用10。我国的仓储行业正处于快速发展的阶段，但由于起步较晚，相

33、比于物流业发达的国家，物流设备的自动化、智能化程度，信息化水平与发达国家还有较大差距11。我国的仓储行业发展存在一些不足，特别是在仓储管理方面，大多仍停滞在人工操作管理的阶段，不仅浪费财力，还不能保证货物流通的效率和准确度，以往的管理模式跟不上技术的发展速度，同样跟不上人们对货物流通速度的要求，我国的仓储技术发展还具有不平衡性，很多管理人员对仓储过程中的自动化和信息化水平认识还不够，国的仓储管理技术大多都还停留有线系统的模式上，如RS485总线、CAN总线等12。再次，仓储管理方面的政策还不够完善。目前对于物流企业的注册、资金、仓储市场秩序与仓储用地等，我国还没有一部完整的法律法规。因此，对于

34、仓储业管理系统，还有很多工作需要学者们共同去研究、探讨。据统计，我国中小企业每年因仓储管理不利，造成很大的损失，而产生这种损失主要原因是企业信息化和自动化程度不高造成的13。仓库的管理主要由人工来完成，仓库货物统计、盘点等都是简单重复的工作，但是数据量非常大，由人工完成容易出错。如果仓库统计人员没有与时更正库存量，还会造成库存过多或缺货现象，库存不足影响企业效益，库存过多占用企业的流动资金。所以加强企业仓储管理系统的应用，用先进技术代替人工来完成物资统计和盘点等工作，对于提高仓储管理的自动化程度，提高数据的处理速度和准确率都有很大作用。近年来国无线技术的快速发展，已经使得国许多仓储行业向无线领

35、域转型，RFID是目前最为常用的无线仓储管理技术，不过，WiFi技术在国的应用也越来越广泛，布设的热点越来越多，许多如麦当劳和星巴克这样的服务营业性场所和学校、政府、公司的办公大楼里面都覆盖有WiFi信号，只要拥有一个支持WiFi上网的手机、电脑或者是其他带有WiFi功能的应用终端都可以免费接入互联网，不需要经过任何许可，所以应用WiFi无线接入技术代替传统的有线接入成为仓储管理手持设备发展的一种趋势14。1.3本文的主要容本文主要围绕ARM7处理器芯片S3C44B0设计了具有WiFi功能的手持设备。首先阐述了无线局域网的组成部分，介绍了WiFi无线通信技术的工作过程和原理，并对仓储管理中的W

36、iFi无线接入点AP间的切换方法进行了分析，针对AP间切换过程中时延较长的问题，采取在切换发生之前先进行了扫描处理的切换方法。综合考虑价格、功能等因素，最后选用三星公司的S3C44B0芯片作为核心处理器，围绕此处理器开发了手持设备的硬件电路，由于核心处理器芯片没有存储管理单元，所以该手持设备选用CLinux作为核操作系统，并开发了WiFi无线通信模块的驱动程序，最终通过系统测试验证了该手持设备需要完成的功能。本文共分为五章，后续部分的安排如下：第二章为WiFi技术部分，简要阐述了WiFi无线网络的组成和其工作原理，分析了手持设备在不同接入点AP间切换的过程，最后针对WiFi切换时延较长且存在不

37、必要切换的问题采用了一种基于预处理的切换方法，并进行了仿真分析。第三章为WiFi手持设备硬件设计部分，本部分介绍了WiFi手持设备的基本硬件电路的设计、WiFi模块电路的设计以与电源管理模块电路的设计。第四章为手持设备软件平台的设计部分，本部分首先对嵌入式的软件开发环境进行了介绍，紧接着介绍WiFi手持设备引导程序的移植、CLinux核的移植和根文件系统的移植，然后在此基础上设计了WiFi驱动程序，并封装到核，最后在实验室环境下对手持终端的功能进行了测试。第五章为总结和展望部分，总结了完成WiFi仓储管理手持设备所做的工作，同时指出该手持设备上存在的不足以与以后工作过程中可以改进的部分。2 W

38、iFi技术与其在仓储管理中的应用2.1 WiFi技术介绍WiFi即无线相容性认证，其实质是一种商业认证，目的是为了改善基于IEEE802.11标准的无线产品之间的互通性15，同时它也是一种短距离的无线连网方式。具有WiFi功能的移动设备，如笔记本电脑、平板电脑、智能手机、手持设备等可以在无线WiFi覆盖围，不需经过任何许可，快速连接到因特网16。2.1.1 WiFi网络的组成无线局域网由站点STA、基本服务单元BSS、分配系统DS、接入点AP、扩展服务单元ESS、关口等部分组成17，如图2-1所示，这些单元相互作用共同为移动终端提供无线接入服务。图2-1 WiFi网络结构图Figure 2-1

39、 the structure diagram of WiFi network（1）站点STA（Station）无线局域网中的站点就是能通过无线方式访问网络的设备，它可以是一台带有无线网卡的电脑，也可以是带有WiFi功能的移动终端。站点是无线局域网最基本的组成单元。（2）基本服务单元BSS（Basic Service Set）一个基本服务单元BSS由一个接入点和若干个站点组成，一个基本服务单元BSS的任意两个站点可以直接进行通信，不需要经过接入点AP，但是不同基本服务单元BSS的站点需要进行通信时，必须通过本BSS的接入点AP。两个站点可以组成一个最简单的服务集。（3）分配系统DS（Distri

40、bution System）分配单元DS的作用是将分散的基本服务单元BSS连接在一起，使得处在不同BSS中的站点相互之间可以通信。（4）接入点AP（Access Point）无线路由器接入双绞线或者其他有线方式，就构成了无线接入点AP，其功能是接入到分配系统DS，用于在无线站点和有线网络之间接收、缓存和发送数据。（5）扩展服务单元ESS（Extended Service Set）多个基本服务单元BSS连接到分配系统DS上，就组成了一个扩展服务单元。（6）关口（Portal）它的作用是将无线局域网和有线局域网或者其它类型的网络集成起来，这样无线局域网中的站点可以通过分布系统访问外部网络。2.1.

41、2 WiFi网络的组网方式相比于有线网络，WiFi无线网络的组网方式更加简单灵活，IEEE802.11包含自组织网络模式和基础结构型网络模式两种组网方式18。（1）自组织（Ad-hoc）网络自组织网络又称为对等网络或独立型网络，如图2-2所示，是无线局域网中最简单的一种拓扑结构，由一组带有无线接口的客户端组成独立基本服务集IBSS（Independent BSS），这些无线客户端具有一样的用户组名、扩展服务集标识和密码，自组织组网模式中的站点可以自由通信，不需要无线接入点AP的干预。自组织网络只能独立使用，不能接入有线网络中，这种组网方式要求用户的数量少且距离要近19。图2-2自组织网络示意图

42、Figure 2-2 the diagram of Ad-hoc mode（2）基础结构型（Infrastructure）网络基础结构型网络也称为中心网络。如图2-3所示，是由一个或多个无线接入点AP、一系列无线站点STA构成，使用无线接入点AP作为中心站点，由接入点AP控制所有无线站点对网络的访问，无线站点与无线接入点AP之间使用AP的基本服务集标识BSSID（Basic Service Set Identification）相关联，在IEEE802.11中，BSSID是AP的MAC地址20。不论什么时候，每个站点STA与该无线接入点AP间都是关联的。采用基础结构型模式组网时，既可以是单纯的

43、无线网络，也可以是无线和有线的混合网络，在这种组网方式下可以将无线网络作为有线网络的补充。基础结构型网络在布局时受环境限制比较小，对无线站点的数量和距离没有太多限制21。基础结构型网络拓扑结构的缺点是比较容易被摧毁，如果中心站点发生故障会导致整个网络的瘫痪，所有的无线站点将无法进行通信，并且引入了中心站点会增加网络成本。图2-3 基础结构型网络示意图Figure 2-3 the diagram of infrastructure mode 2.1.3 WiFi工作原理WiFi网络的组成通常包括一个或多个无线接入点AP以与多个无线站点STA，无线局域网中的接入点AP每隔100ms将服务单元标识符

44、HYPERLINK ://wiki/SSID o SSIDSSID(Service Set Identifier)即网络名称经由信号台Beacons封包广播一次，Beacons封包的长度很短，传输速率为1Mbps，所以这个广播动作对网络效能的影响可以忽略不计22。为保证所有的WiFi站点都能接收到HYPERLINK ://wiki/SSID o SSIDSSID广播封包，WiFi规定的最低传输速率是1Mbps，当客户端接收到此广播，客户端就可以决定是否要和这一个HYPERLINK ://wiki/S

45、SID o SSIDSSID的AP连接，如果客户端处在多个AP的覆盖围，客户端就可以接收到多个AP的SSID，也就可以根据预先设定的条件选择和哪个接入点的SSID连接23。使用WiFi的一个好处就是WiFi系统总是对用户端开放它的连接标准，并支持漫游。2.1.4 WiFi技术的特点WiFi网络正是由于具有以下几个主要优点，近年来才得到了如此广泛的应用24。（1）覆盖围广WiFi的覆盖围可以达到300m左右，相比于蓝牙技术，覆盖围要广很多，可以满足整间办公室甚至整栋大楼的上网需求。（2）无需布线这是WiFi得到广泛应用的重要前提，无线局域网摆脱了有线电缆的限制，节约了布线成本，在快餐店、咖啡馆等

46、人口集中或矿井下、仓库等不易布线的地方设置热点，移动站点就可以免费接入因特网。正是因为它的这种特点，使得WiFi在井下、仓库等不方便布线的地方得到了广泛的应用。（3）传输速度快WiFi的传输速度可以达到54Mbps，并且支持数据、语音、多媒体业务，可以很好地满足人们上网需求。在2009年通过的IEEE802.11n协议中将WiFi的传输速率提高到了300Mbps，甚至更高的传输速率。（4）开放的使用频段WiFi使用的频段为2.4GHz的频段，它是全球开放的免费使用频段，这就使得无线站点在使用WiFi时不需要经过任何的许可，可以随时免费使用该频段上的无线业务。（5）兼容以太网WiFi的网络结构和

47、协议都与以太网相互兼容，这就使得无线局域网可以通过网桥和有线网络连接，可以实现有线网络和无线网络的互联互通。2.2 802.11系列标准802.11系列标准为现代无线局域网的主流标准, 一般工作在2.4GHz频段。它是在1997年IEEE定义的无线局域网第一个工业标准802.11的基础上发展而来的，802.11定义了介质访问接入控制层(MAC层)和物理层的特性，规定了无线局域网的基本网络结构和基本传输介质，仅支持数据存储业务，随后为了满足市场需求又相继增加了IEEE802.11b/a/g/n等标准，这些子标准不仅支持数据业务，还支持语音和图像业务25。IEEE802.11b/a/g/n标准的比

48、较见表2-1所示。表2-1 IEEE802.11a/b/g/n协议比较Table 2-1 Comparison of IEEE802.11a/b/g/n agreement802.11a802.11b802.11g802.11n发布时间1999199920032009最高速率54Mbps11Mbps54Mbps300Mbps传输距离100m300m150m很远使用频段5GHz2.4GHz2.4GHz2.4GHz、5GHz兼容性不兼容802.11b兼容802.11兼容802.11a/b兼容802.11a/b/g使用情况未普与广泛应用广泛应用发展潜力大802.11各个子标准的功能表述如下:（1）8

49、02.11802.11是无线局域网的原始标准，最初由IEEE制定，其工作频段为国际上的免费频段2.4GHz，其支持的最高传输速率仅为2Mbps，主要用于解决局域网中用户和无线站点的无线接入，支持的业务仅限于数据存取，由于它在速率和传输距离上都存在不足，不能满足人们的需求，才有了后续的几个标准。（2）802.11a802.11a标准是802.11标准的升级版，工作频段为收费的5GHz，传输速率在物理层为54Mbps，在传输层可达25Mbps，采用正交频分复用技术，可以支持包括数据存取在的语音和图像业务，它避开了蓝牙使用的2.4GHz频段，减少了冲突的可能，但由于与802.11b标准不兼容，并且成

50、本也比较高，所以并没有在市场上得到广泛普与。（3）802.11b802.11b即WiFi，它使用的是免费的2.4GHz频段，采用直接序列扩频技术和补码键控技术，其传输速率会因为距离的不同在11Mbps、5.5Mbps、2Mbps和1Mbps之间来回变化，802.11b使用连接协议和数据包作为它的确认机制，这与以太网中使用的确认机制相类似，可为用户提供可靠的数据传输，由于802.11b的传输速率相对较低，使得无线数据网的使用成本较低，可以被大众所接受，所以802.11b得到了广泛的应用。（4）802.11g为满足人们对高速率的要求，制定了802.11g标准，它同样使用2.4GHz频段，传输数据流

51、的速率可以达到54Mbps，采用正交频分复用技术，兼容802.11b标准。（5）802.11nIEEE802.11n标准的制定是为了满足人们对高质量、高带宽的无线网络的需求。它与802.11其他标准不同的是，802.11n可以在两个频段上使用，既兼容802.11b/g所使用的2.4GHz，又兼容802.11a所使用的5GHz。由于它使用正交多路频分复用OFDM和MIMO（multiple-input multiple-output）多输入多输出两种技术，802.11n标准可以提供理论上高达300Mbps的传输速率甚至更高。802.11n标准采用了智能天线，这使得信号间的干扰大大减小了，并且传输

52、距离变得更远，覆盖围变得更广，数据和图像传输的质量也得到了提高。2.3 WiFi切换由于无线接入点AP的覆盖围有限，一个接入点AP并不能满足仓库中手持设备的传输需要，这就需要在仓库中布设多个接入点，配合无线站点的使用，为避免出现信号盲区，在布设无线接入点时要考虑实际需要，在仓库中布设无线接入点AP时，还要考虑货架位置对信号的影响，所以存在两个接入点或多个接入点都有信号覆盖的区域，即存在多个AP间无线信号的重合覆盖区域26。对于大型仓库而言，手持设备会随着叉车任务的不同，在仓库巷道来回行走，每行驶一段时间手持设备就会逐渐远离一个接入点AP的覆盖围，而进入到另一个AP的覆盖围，这时就会出现AP点间

53、的切换问题27。IEEE802.11标准中并没有详细规定切换要如何实现，只是从逻辑上规定了完成切换需要包括扫描、鉴权和接入三个阶段28。一个完整的切换过程如图2-4所示：图2-4切换过程示意图Figure 2-4 the diagram of handover process（1）切换触发切换触发阶段就是在通信质量不太好时，就要开始考虑是否进行切换的问题，触发切换后继续根据设定的条件判断，看是否需要切换，一般情况下，无线客户端都是通过当前接收信号指示强度RSSI（Received Signal Strength Indication）、信噪比或丢失信号台帧的数量等来判断当前链路的通信质量，当链

54、路质量较差或不能满足要求时就需要触发切换，由于根据丢失Beacon帧数来触发切换的时延比较大，一般达到800ms，所以在目前的研究中，许多国外学者均采用信噪比或者是接收信号指示强度作为触发切换的机制29。在大多数移动语音和数据网络中都使用从当前访问点和邻近访问点的接收信号指示强度RSSI作为切换触发的机制，所以本文采用接收信号指示强度这一参数来触发切换，在802.11标准中，切换触发阶段产生的时延不包含在切换时延围，但是切换触发机制的选择的好坏关系到切换方法的最终效果，因此，必须将切换触发机制考虑在。（2）扫描触发切换后，站点通过扫描信道就可以获得所有可用的AP信息，然后根据某种策略选择一个性

55、能最佳的AP作为其切换的目标AP，基于IEEEE802.11的无线局域网WLAN中，有两种扫描方式30：1)主动扫描这是一种无线站点可以选择接入点的扫描方式，无线站点STA每隔一段时间就会发出一个探寻帧，位于这个站点STA无线信号覆盖围的任何一个接入点AP都会用一个探寻响应帧来响应STA，主动扫描允许STA在没有接收到AP发出的信标帧的情况下，连接到位于其覆盖围的AP。主动扫描由于是由无线站点发起，等待无线接入点响应，所以一般消耗的时间较短，但是它需要无线站点和无线接入点的共同作用来完成，如果网络状态不好，站点发出的请求信号不能与时被无线接入点AP接收，或者无线接入点AP发送的响应信号不能被站

56、点与时的接收，此时主动扫描就很难获取AP信息。2)被动扫描无线接入点AP每隔一定的时间周期就会发送一个称作信标的信号，在无线信号覆盖围的任一STA都能通过这个信号来发现可用无线接入点，并能够确定这个接入点的信号强度，在多个AP共同覆盖的区域，STA一般会接收到多个AP的信息，而且信标信号包含了该AP的相关信息，如接收信号指示强度、传输速率等。与主动扫描相比，被动扫描在网络状态较好的情况下，优势并不明显，相反，在网络状态不够好的情况下，由于STA不需要发送请求信息，就不会产生信号的碰撞，同样可以获得无线AP的相关信息，被动扫描方式是IEEE802.11默认的扫描方式31。（3）鉴权扫描阶段完成并

57、确定好所要切换到的目标AP以后，移动终端会向该目标AP发送认证请求，基于IEEE802.11标准的站点STA在与AP建立连接之前，必须要先进行身份认证，以确保站点的安全接入。当前，身份认证一般采用WEP加密，共享密钥的方式32。实际上，认证阶段是无线接入点、无线站点与服务器认证共同参与完成的认证请求与响应的过程。从身份认证到建立关联的具体过程如图2-5所示。图2-5 鉴权过程Figure 2-5 the process of identity由图中可以看到，无线站点STA和无线接入点AP之间的关联过程可以划分为5个步骤，其中身份验证过程包含了4个步骤，所以身份验证在整个关联过程中占有很大的比例

58、，耗时较长。因此，AP切换过程中鉴权阶段的时延主要来自于身份验证过程中的耗时。（4）接入在结束认证之后，移动终端就会给新的AP发送一个关联请求，AP接收到请求后通过IAPP协议，就会从原来的AP得到该STA的相关信息，之后应答一个重关联给STA，这时，整个切换流程结束。虽然802.11中规定，触发切换阶段所产生的时延并不包含在切换时延之，但切换触发是整个切换过程的基础，会对切换算法产生一定的影响，目前的研究表明：造成时延最长的是扫描阶段，扫描阶段的时延占整个切换时延的90%左右，时延最短的阶段是认证阶段，受IAPP时延影响较大的是关联阶段33。因此，本文的研究主要是如何尽可能的降低扫描阶段的时

59、延。2.4切换过程分析在基于IEEE802.11协议的无线局域网WLAN中，目前的切换时延平均在数百毫秒左右，其部分的时延是由扫描阶段产生的，主动扫描和被动扫描两种扫描方式在上面已经做出了简要的介绍。发生主动扫描时，无线站点主动向所有接入点AP发送探寻帧，接入点AP在收到探寻帧后，会向此无线站点发送一个探寻响应帧，该探寻响应帧中包含有自身的信息，当站点接收到回复后，就能够知道在站点附近存在可用AP的信息。通常情况下，工作站发送请求帧后，必须等待一段时间才能收到响应帧。即使在工作站收到响应帧后，也只能代表存在有活动的AP，要想收集到该频段上所有AP的信息，还要等待一定的时间，在IEEE802.1

60、1系列标准中最少的也含有11个信道。一般实际操作中，都将信道等待时间设置为30ms左右，这样，主动扫描的时延就会达到300-400ms34。在被动扫描方式中，无线站点需要接收到无线AP的Beacon信号，但是无线站点STA不知道Beacon信号什么时候会到达，所以必须等待Beacon信号的到来，通常情况下，AP的Beacon信号是每隔100ms封包广播一次，因此要想得到某一频段上所有的无线接入点AP信息，站点必须等待100ms。在IEEE802.11b中，要扫描完所有11个信道上的无线接入点AP，所消耗的时间将会达到秒级，所以不管采用哪种扫描方式，带来的时延都是不可忽略的。较高的切换时延会影响