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無線數據傳輸范文1
改革開放以來，我國的ZigBee無線傳感技術得到了前所未有的發展，使智能家居得以實現，為人們的生活帶來了極大的便利。然而，受無線網絡開放性的影響，網絡設備所發送的數據可由任意設備接收，導致智能家居無線傳輸存在一定的不安全性，因此，對智能家居無線數據傳輸的安全性分析有著重要的實踐意義與應用價值。
一、ZigBee技術的安全性能
1、ZigBee協議棧。通常，在ZigBee網絡體系中，PHY、MAC層均采用的是IEEE802.15.4相關標準，ZigBee聯盟下的NWK與APL層則建立在PHY與MAC層之上，通常，PHY層僅能夠提供基本的無線通信功能，而MAC層則提供的是設備間單跳與鏈路功能。NWK除了兼具多跳與路由功能外，還能夠建立多種拓撲結構網絡[1]。APL層主要包括APS層與ZigBee設備對象即ZDO層，兩者均能夠為應用程序提供相應的服務，APL能夠滿足ZDO與其他應用程序的建立、傳輸與設備管理需求。當前，我國智能家居普遍采用的是ZigBee安全體系結構，該系統采用的是IEEE802.15.4安全服務，在多種安全服務的支持下，數據傳輸能夠得到加密處理，并對要接入網絡的設備進行密匙與身份認證管理。MAC層、NWK層以及APS層等相互協作能夠確保各自幀的安全傳輸。
2、ZigBee加密算法模式。在ZigBee系統中，多通過高級加密標志實現對MAC的算法加密控制，其采用的參數是128位，在IEEE802.15.4協議及ZigBee的支持下實現MAC層幀的一致性與真實性。一般情況下，MAC會對自身進行相應的安全處理，其安全級別則由上層控制，其安全性主要包括三種模式，第一種為CTR模式，其采用的是AES加密，第二種為CBC-MAC模式，其通過AES確保一致性，第三種則為CCM模式，其是CTR與CBC-MAC芍幟J降慕岷[2]。為了確保數據安全性，在CCM技術的基礎上開發了CCM*模式，其不僅具備CCM模式的所有特點，而且能夠支持不同安全級別采用同一密匙，具有一定的優越性。
二、智能家居無線數據傳輸的安全實現
2.1 ZigBee安全網絡的建立
通常，在智能家居系統中，首先需通過協調器建立相應的網絡，然后根據需要對網絡進行相關設置，使其滿足ZigBee網絡安全的需要。協調器通過對NIB屬性的設置達到安全級別配置。本次研究將協調器作為信任中心，選取的是住宅模式，并將NIB進行相應的設置，建立成為安全的ZigBee網絡。當新設備要加入此網絡時，需要先發送原語，并進行主動或被動掃描操作。需要注意的是在掃描操作中，需采用相關設備接收協調器網絡信息，再將原語與網絡進行連接。當協調器接收到命令幀后，向上級發送并確認原語。每加入一個新的設備均需要安全認證，具體見圖1。
2.2無線數據安全傳輸的實現
當前，CC2430無線收發芯片在ZigBee無線模塊中應用最為普遍，在AES協的支持下，其內置CPU負擔也得到了大大減輕。作為不同層次的共享通用源，AES協處理器每次只能夠處理1個實例，其能夠對數據進行加密、解密處理，具體見圖2。首先對DMA進行初始化，然后將Key置于AES協處理器，數據傳輸采用的是DMA法，需要設置相應的寄存器與源寄存器，代碼不同，其所采用的加密、解密模式也有所不同[3]。另外還可以通過對CBC-MAC對報文頭進行相應的保護，并對數據及MAC進行加密保護，以此實現無線數據安全傳輸。
三、結束語
智能家居系統中應用加密技術一方面能夠確保數據安全性，另一方面能夠有效避免外來設備的干擾，對智能家居信息的網絡通信形成了一定的保護作用，值得參考借鑒。
參 考 文 獻
[1]陳朝俊. 云計算與大數據下智能家居數據安全性分析[J]. 電子技術與軟件工程， 2015， 13（20）：206-206.
無線數據傳輸范文2
引言
nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年2月5日推出的系統級RF芯片，其內置nRF905 433/868/915MHz收發器、8051兼容微控制器和4輸入10位80ksps A/D轉換器，是真正的系統級芯片，如圖1所示。內置nRF905收發器與nRF905芯片的收發器一樣，可以工作于ShockBurst(自動處理前綴、地址和CRC)方式。內置電壓調整模塊，最大限度地抑制噪音，為系統提供1.9～3.6V的工作電壓，QFN5×5mm封裝，載波檢測。nRF9E5符合美國通信委員會和歐洲電信標準學會的相關標準。由于nRF905功耗低，工作可靠，因此很適用于無線數據傳輸系統的設計。
圖1
1 nRF9E5功能介紹
1.1 nRF9E5硬件
（1）微控制器
nRF9E5的片內微控制器與標準8051兼容，指令時序與標準8051稍有區別。典型的區別是：nRF9E5的片內微控制器的指令周期為4到20個指令周期。中斷控制器支持5個擴展中斷源：ADC中斷、SPI中斷、RADIO1中斷、RADIO2中斷和喚醒定時器中斷。片內控制器還有3個與8052相同的定時器。1個和8051相同的串口，可以用定時器1和定時器2來作為異步通信的波特率產生器。此外，還擴展了2個數據指針，以方便于從XRAM區讀取數據。微處理器中有256B的數據RAM和512B的ROM。上電復位或軟件復位后，處理器自動執行ROM引導區中的代碼。用戶程序通常是在引導區的引導下，從EEROM加載到1個4KB的RAM中，這個4KB的RAM也可作存儲數據用。NRF9E5的大部分寄存器和標準8051相同，只是增加了一些特殊功能寄存器，如RADIO（P2）、ADCCON、ADCDATAH、ADCDATAL、ADCSTATIC、PWMCON、PWMDUTY、RCAP2L、RCAP2H、CKLFCON等。nRF9E5中的P0、P1和P2口寄存器地址和標準8051中的相同，都是0x80、0x90、0xA0,但功能和標準8051中的有所不同。
（2）CKLF時鐘、RTC喚醒定時器、GPIO喚醒和WTD
nRF9E5內有一個低頻的時鐘CKLF，該時鐘常開。當晶振開始工作后，CKLF頻率為4Hz；晶振不工作時，CKLF是一個低功耗RC晶振器，只要VDD≥1.8V，其連續工作。RTC喚醒定時器、WTD（看門狗）和GPIO喚醒全都工作在CKLF頻率，以保證芯片功耗工作時能夠完成這三個功能。RTC喚醒定時器是一個24位可編程控制的遞減計數器，WTD則是一個16位可編程控制遞減計數器。RTC喚醒定時器和WTD的循環周期一般在300μs～80ms，默認為1ms。RTC喚醒定時器也能作GPIO的輸出源，也就是說，當RTC喚醒定時器初始化時間發生溢出時，能夠產生一個用作GPIO輸出的程序脈沖。
（3）SPI接口和A/D轉換器
SPI（串行外設接口）的接口引腳有MISO（接收EEPROM的SDO送來的數據）、SCK（給EEPROM的SCK提供時鐘信號）、MOSI（送數據到EEPROM的SDI）、EECSN（給EEPROM的CSN送使能信號）。SPI口的MISO、SCK和MOSI與P1口的低3位重用，通過寄存器SPI_CTRL控制來控制功能間的撤換。SPI硬件不產生任何片選信號，可以用GPIO口來進行片選。通常，系統上電時，SPI自動和片外25320相連。當程序加載完成后，MISO（P1.2）、MOSI（P1.0）可能會用作其它用途，比如其它的SPI器件或GPIO。
nRF9E5片內有10位ADC，A/D轉換參考電壓可以通過軟件設置在AREF和1.22V之間（內部參考電壓）。A/D轉換器的4個輸入可通過軟件進行選擇，通道0～3可以把對應引腳AIN0～AIN3上的電壓值分別轉換為數字值，通道4用于對nRF9E5工作電壓的監控。A/D轉換器默認工作于10位方式，可通過軟件使其工作于6位、8位或12位方式。
圖3
（4）射頻收發器
nRF9E5收發器通過內部并行口或內部SPI口與其它模塊進行通信 ，具有同單片射頻收發器nRF905相同的功能。收發器通過片內MCU的并行口或SPI口與微控制器通信，數據準備好，載波檢測和地址匹配信號能夠作為微控制器和中斷。
nRF905工作于433/868/915MHz ISM頻段。收發器由1個完事的頻率合成器、1個功率放大器、1個調節呂和2個接收器組成。輸出功率、頻道和其它射頻參數可通過對特殊功能寄存器RADIO（0xA0）編程進行控制。發射模式下，射頻電流消耗為11mA,接收模式下為12.5mA。為了節能，可通過程序控制收發器的開/關。
1.2 nRF9E5的收發方式
不同于nRF401和nRF903，nRF9E5使用SPI接口進行單片機與無線模塊間的數據傳輸。這部分在nRF9E5片內的8051內核與nRF905射頻收發器之間完成。nRF9E5片內的8051內核與nRF905射頻收發器之間完成。nRF905片內的8051內核與nRF905射頻收發器之間完成。nRF9E5的收發器有三種工作方式，ShockBurst接收（RX）方式、ShockBurst發送（TX）方式和空閑方式。當收發器在空閑方式下，微控器依然在運行。
nRF9E5使用Nordic VLSI公司的ShockBurst的特性，進行高速的數據傳輸。與射頻數據相關的協議由nRF9E5片內的nRF9E5收發器自動處理。nRF9E5只用簡單的SPI接口便能和nRF9E5進行數據傳輸，數據傳輸的速度取決于SPI接口的速度，這個可以在nRF9E5片內8051內核中進行配置。ShockBurst實現低速數據輸入，高速數據輸出，從而降低了系統的平均能耗。在ShockBurst接收方式下，當收到一個有效地址的射頻數據包時，地址匹配寄存器位（AM）和數據準備好寄存器位（DR）通知片內MCU把數據讀出。在ShockBurst發送方式下，nRF9E5自動給要發送的數據加上前綴和CRC校驗。當數據發送完后，數據準備好寄存器位（DR）會通知MCU數據已經處理完畢。
當系統沒有發送和任務時，其進入空閑方式，nRF9E5在空閑方式下，一旦有任務要處理時，其能夠在很短的時間內就進入ShockBurst接收方式和ShockBurst發送方式?？臻e方式下，晶體振蕩器依然工作，配置字中的內容不至于丟失。
1.3 載波檢測
在ShockBurst接收方式下，當出現nRF9E5工作信道內的射頻載波時，載波檢測引腳（CD）被置高，這個特性很好的避免了同一工作頻率下不同發射器數據包之前的碰撞。當收發器準備發射數據時，它首先進入接收方式并探測所工作的信道是否空閑。載波檢測的標準一般比靈敏度低5dB，比如，靈敏度為-100dBm，載波檢測功能探測低至-105dBm的載波。也就是說，載波低于-105dBm，載波檢測信號為低（一般為0），高于-95dBm，則載波檢測信號為高（一般為VDD），介于-105～95dBm之間，載波檢測信號可能為低也可能為高。
2 無線數據傳輸系統
2.1 系統組成
無線數據傳輸系統有點對點，點對多點和多點對多點三種。本系統由于實際應用的需要，由于位PC機，主接收器和多臺數據終端組成。主接收器和數據終端之前的數據傳輸通過nRF9E5進行，構成點對多點多無線數據傳輸系統。整個系統中，PC機和數據終端之間的無線通信采用433MHz的頻段作為載波頻率。為了避免同頻干擾的問題，系統采用TDMA（Time Division Multiple Access）通信技術。主接收器采用逐一掃描的方式探測各個數據終端有沒有收發通信請求或其它任務；數據終端則采用中斷方式，對主接收器發出的地址信息進行處理，若與本機地十相符則執行命令。由此可見，上位PC機與數據終端的通信轉化為主接收器與數據終端間的通信，以及PC機與主接收通過串口（USB或UART）間的通信。整個無線數據傳輸系統的結構如圖2所示。
2.2 通信協議
通信協議是通信雙方為實現信息交換而制定的規則。本系統采用時分多路訪問通信技術（TDMA），將點對多點的通信方式轉化為點對點的通信，因此必然涉及信源與信宿之間建立通信連接時的地址匹配問題。由于主接收器與數據終端之間的通信可能會受到其它數據終端或外界環境的干擾而發生錯誤，因此，需要通信協議來保證數據傳輸的可靠性。
nRF9E5只有一種協議格式，其中的前綴也就是數據，設備地址包括本機的地址和主接收器的地址，CRC校驗可進行選8位或16位。
3 無線數據傳輸系統的實現
3.1 系統硬件
圖3為無線數傳系統中主要接收器的硬件原理圖。數據終端的硬件原理與圖3類似，只不過沒有與PC機相接的串口部分，并且GPIO口和A/D轉換口號相應的數據輸入端相連，如溫度傳感器和中斷信號等。ANT1和ANT2為天線連接引腳，可采用PCB環形差分天線，晶振工作頻率為16MHz。25AA320為EEPROM，在nRF9E5上電后，系統根據引導程序，把25AA320中和程序代碼拷貝到nRF9E5的4KB RAM中。LM1117為電源管理模塊，把5V電平轉化為nRF9E5可用的3.3V。MAX3232CSE為nRF9E5串口與PC串口間通信的電平轉換芯片。由圖3可知，用nRF9E5進行無線數據傳輸系統設計非常方便。nRF9E5的外形尺寸非常小，在對外形尺寸要求很嚴格的場合，nRF9E5更使用。
3.2 系統軟件
無線數據傳輸主要由無線數據終端、主接收器和PC機組成，PC機與主接收器間用串行口通信。整個系統的各個部分都是服務于無線數據傳輸這個目的。所以，在整個系統的軟件設計中，無線數據的傳輸為最主要部分。如圖4和圖5所示，是無線數據傳輸的接收和發送流程。軟件設計應根據通信協議并考慮數據的糾錯，檢錯可采用CRC校驗8位或16位方式。在圖4、圖5中，TRX_CE發送和接收使能寄存器位，DR為數據準備寄存器位，AM為地址匹配寄存器位，AUTO_RETRAN為自動重發寄存器位。
無線數據傳輸范文3
本文介紹以PIC16C73和CC1000為基本部件，設計并實現無線數據傳輸發射機的過程。
1 PIC16C73及CC1000簡介
PIC16C73是Microchip公司生產的一種高性價比的8位嵌入式微控制器。CC1000是為在無線條件下應用所設計的一種極低功率單芯片射頻收發器。它主要是為315、433、868和915MHz的ISM和SRD設備所設計，可以編程工作在300～1000MHz范圍之間的任一頻率上。它具有極低的電流消耗、高靈敏度、體積小、低供電電壓、FSK數據傳輸率可達76.8kbps、FSK調制頻譜修正等特點，它還為用戶提供了簡單易用的開發包。使用CC1000芯片設計電路簡單，不需要使用極少的外部元件、不需要外部射頻轉換和中頻濾波器。
2 系統設計
本無線數據傳輸發射機框圖如圖1所示。
圖中，PIC16C73接收數字或模擬信號，經過緩存、組幀后，將數據傳送到射頻發射機，由CC1000實現FSK調制后發射出去。
本設計中PIC16C73的振蕩周期為4MHz，指令周期為1μs。CC1000工作在發射狀態，發射頻率306.874457MHz，頻偏64kHz，速率7638Kbps，發射功率10dBm。發射數據采用自定義幀格式，其格式為：
4字節位同步字—0AAH，0AAH，0AAH，0AAH；
2字節幀同步字（3位0加13位巴克碼）—1FH，35H；
1字節地址或命令；
50字節數據。
上述57字節組成一幀，每兩幀之間間隔為8.25ms。
3 硬件設計
單片機PCI16C73與CC1000的連接如圖2所示。
單片機通過對3-wire串行設置接口（PDATA，PCLK和PALE）編程，使CC1000處在不同工作模式下。為實現數據回讀，PDATA必須使能雙向引腳，另一個雙向引腳被用來實現數據（DIO）的發送和接收。提供數據定位的位置寄存器，完全設置CC1000需要發送29個16位的數據幀（7位地址位、1位讀/寫位和8位數據位）。
在每個寫循環中，編程數據PDATA線上都發送16位數據，每個數據幀中前7位為地址位，下一位是讀/寫位（高電平寫，低電平讀），后8位是數據。在地址和讀/寫位傳送過程中，程序地址鎖存器使能PALE線必須保持低電平，然后傳送8位數據位。PDATA上的數據同步在編程時鐘PCLK的負沿完成。當D0，即8位數據位的最后一位已經載入時，數據就會被載入內部設置寄存器，時序如圖3所示。
這些設置寄存器也可被單片機通過同樣的設置接口讀取。7位地址首先被發送，然后讀/寫位被置為低來，開始數據回讀，時序如圖4所示。
4 軟件設計
4.1 總體流程圖
軟件采用模塊化程序設計方法，圖5是總體流程。
4.2 初始化
初始化是一項十分重要的工作，需要分別對PIC16C73和CC1000兩個芯片進行初始化。由于本設計中要完成PC機與PIC之間的異步通信和PIC的模/數據換功能，所以除了PIC16C73的各個PORT端口外，還應對串行通信接口SCI部件和A/D轉換部件等進行初始化。在單片機初始化完成后，通過它對CC1000進行初始化，使其工作在發射模式，其流程如圖6所示。
4.3 中斷服務子程序設計
PIC16C73有多達11種中斷源，本設計使用了其中的SCI異步接收中斷和A/D轉換完成中斷。初始化工作完成后，當單片機通過SCI接收完一字節數據后就會產生SCI接收中斷，另外，當單片機完成一次A/D后也會產生中斷。在產品中斷后，程序即進入中斷服務子程序，要完成數據的緩存、緩存管理及組幀、數據傳送工作。
圖6
無線數據傳輸范文4
【關鍵詞】Microchip PIC24F單片機；無線數據傳輸；Zigbee CC2530；串口通信
1.引言
隨著科學技術的不斷進步，傳感器技術、數據采集技術、數字信號處理技術以及無線通信技術都得到了長足的發展，并已成為了國內外重點發展的科技領域之一[1]。傳感器技術在工業、醫療、軍事等眾多領域中得到了廣泛應用。傳感器通過感知被測量，按照某一規律完成轉換并輸出信號。利用數據采集技術實現對信號的采集并進行相應的信號處理。當在一些現場環境復雜、惡劣或者是地處偏遠的情況下，有限傳輸方式無法適應時，就需要采用無線傳輸方式來解決問題。
目前，無線傳輸的實現方案有多種，例如：無線局域網（WLAN）、ZigBee、紅外線技術、藍牙（Bluetooth）技術、RFID等[2]。WLAN技術主要特點是上下行速率高、建網快速、組網方式多、移動性強、組網成本低等；紅外線技術實現的是點對點的通信，具有功耗低、體積小、簡單易用等特點，但點對點之間不能有障礙物的阻擋；藍牙技術具有多點連接、功耗小、高速率的特點[3]。
本文設計了一種基于Microchip PIC24F單片機的無線數據傳輸系統，該系統采用了Microchip PIC24F單片機作為CPU，采用Zigbee CC2530作為無線數據收發模塊，具有電路結構設計簡單、實用性強的特點。
2.無線傳輸系統設計
本文設計了一種基于Microchip PIC24F單片機的無線數據傳輸系統，該系統采用Zigbee CC2530作為無線數據收發模塊，實現下位機和上位機之間的數據通信；采用Microchip PIC24F單片機作為系統CPU，一方面可以通過Microchip PIC24F單片機內部自帶的A/D轉換器實現數據的采集，另一方面通過SPI接口實現對Zigbee CC2530的控制。Microchip PIC24F單片機作為系統的CPU，還擔負著信號處理的功能。當接收傳感器的輸出信號時，Microchip PIC24F單片機便可以實現數據的采集和處理，并將處理后的數據通過無線數據收發模塊Zigbee CC2530進行無線數據的發送。在接收端依然采用無線數據收發模塊Zigbee CC2530進行數據的接收，并送到Microchip PIC24F單片機中。為了可以利用PC機顯示發送端上報的數據，采用了串口通信技術，實現了Microchip PIC24F單片機與PC機的數據通信。具體的系統設計方案如圖1所示，包括了圖1（a）無線傳輸系統發送端，圖1（b）無線傳輸系統接收端。
2.1 Microchip PIC24F單片機電路
Microchip PIC24F單片機是美國微芯科技公司推出的16位單片機，采用nanoWatt XLP超低功耗技術，在深度休眠模式下，功耗低至20nA，具備16 MIPS的性能、電容觸摸傳感外設、8 KB RAM、32或64 KB閃存、10位A/D以及實時時鐘和日歷（RTCC）。該單片機還能夠通過外設引腳選擇重新配置數字I/O引腳。此外，該單片機具有44引腳QFN和TQFP封裝和28引腳QFN、SOIC和PDIP封裝。
2.2 無線收發模塊CC2530電路
CC2530是TI公司推出的2.4GHz ISM頻帶的一款芯片，該芯片支持Zigbee/IEEE 802.15.4協議，并且該芯片內部集成了具有高性能射頻收發器、工業標準的增強型8051MCU內核。該芯片內部具有8位和16位的定時器，256KB Flash ROM和8KB RAM，具有8個輸入可配置的12位ADC，同時具備強大的DMA功能，支持5種工作模式，具備超低功耗系統，在接收和發送模式下，電流損耗分別為24mA。
2.3 串口通信電路
本設計中上位機部分為了實現Microchip PIC24F單片機與PC機之間的通信，采用了串口方式實現通信，即采用了MAX232實現。MAX232芯片是美信公司的一款電平轉換芯片，按照RS-232標準串口設計，采用+5V單電源供電。
2.4 電源模塊電路
本設計中系統外部供電電壓為+5V，而Microchip PIC24F單片機和無線收發模塊Zigbee CC2530都工作在+3.3 V，因此需要采用電源模塊實現電壓轉換，采用了低壓差線性穩壓器TPS7333實現電壓轉換。
3.系統軟件設計
系統軟件設計包括下位機軟件設計和上位機軟件設計。前者主要是Microchip PIC24F單片機通過SPI口對Zigbee CC2530的控制，后者包括串口通信和主界面設計。
Zigbee CC2530片上集成的命令選通協處理器（CSP）提供了Microchip PIC24F單片機與無線電直接的接口，可以處理Microchip PIC24F單片機發出的命令。有程序執行和立即選通命令兩種模式[7,8]。其中24字節的程序存儲器用以存儲軟件算法，充當Microchip PIC24F單片機的協處理器。當命令選通協處理器（CSP）復位后，指令寫指針復位到位置0，每次RFST寫入期間指令寫指針累加1，直到程序存儲器的終點。命令選通協處理器（CSP）還具備4個寄存器，分別是CSPX、CSPY、CSPT和CSPZ。Microchip PIC24F單片機對他們可以讀寫，設置命令選通協處理器（CSP）運行所需的參數。程序執行模式下運行一個命令選通協處理器（CSP）的流程如圖2所示。
4.結論
本文介紹了一種基于Microchip PIC24F單片機的無線數據傳輸系統，該系統采用了無線收發模塊Zigbee CC2530實現無線數據的傳輸，采用了低功耗單片機Microchip PIC24FF449實現無線數據收發模塊的SPI接口配置。該系統可以利用Microchip PIC24FF449單片機對多個傳感器輸出的信息量進行采集，并通過無線收發模塊Zigbee CC2530實現無線數據傳輸。上位機部分接收數據后可通過串口通信方式將數據上傳至PC機，并通過上位機主界面顯示所需數據。由于采用了無線傳輸方式，該系統適用于各種條件復雜、惡劣或是偏遠的安裝場合，因此具有較高的應用價值。
參考文獻
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無線數據傳輸范文5
[關鍵詞]GPRS;SMS;遠程數據傳輸;橋梁檢測
一、GPRS技術簡介
通用分組無線業務(General Packet Radio Service, GPRS)是在現有GSM系統上發展起來的一種承載業務,目的是為GSM用戶提供分組形式的數據業務。GPRS拋棄了傳統的獨占電路交換模式,采用分組交換技術,每個用戶可同時占用多個無線信道,同一無線信道又可以有多個用戶共享,有效地利用了信道資源,帶寬最高可達171.2Kb/s。目前中國移動的GPRS覆蓋范圍在中心城市幾乎達到了100%,在邊遠地區也達到了80%以上,實際應用帶寬大約在20～40Kb/s,特別適合遠程檢測行業的通信需求,能夠完全取代過去傳統的有線MODEM.X.25、數傳電臺、短信等通信方式。
GPRS通信方式更適合于橋梁數據采集傳輸業務,目前各橋梁檢測站與各采集點采用電話線傳送數據或手工抄錄,實時性差、誤差大、費用也不便宜。GPRS無線傳輸數據有以下優勢:(1)GPRS用戶可隨意分布和移動自己的網點,無需擔心線路的維護或線路在移機時導致的通訊中斷。建設新的監測點無需進行拉線、埋線等工作。較光纖或專線系統投資較少,設備安裝方便。(2)終端價格比較低,與DDN相比較DTU或DDN專線Modem其終端價格便宜。(3)GPRS資費便宜,計費合理。GPRS數據業務資費包月比有線電話網絡資費還便宜。GPRS還可根據通信的數據量和提供的服務質量進行計費。在GPRS網中,用戶只需與網絡建立一次連接,就可長時間的保持這種連接,并只在傳輸數據時才占用信道并被計費,保持時不占用信道不計費。這樣,檢測點既不用頻繁建立連接,也不必支付傳輸間隙時的費用。(4)GPRS能最好地支持頻繁的、少量突發型數據業務。通信質量穩定可靠,永不掉線。(5)GPRS網絡接入速度快,提供了與現有數據網的無縫連接。由于GPRS網本身就是一個分組型數據網,支持TCP/IP.X.25協議,因此無須經過PSTN等網絡的轉接,直接與分組數據網(IP網或X.25網)互通,接入速度僅幾秒鐘,快于電路型數據業務。采用TCP/IP協議,較以前的無線數據網絡(集群、雙向傳呼、GSM短信息)而言,網絡接入更加直接方便、覆蓋更好。
二、系統的組成和設計
1.系統組成。在整個系統中由于外部環境因素,數據傳輸系統安裝在橋梁上會對數據傳輸的準確性帶來很多不利因素,為此先將橋梁檢測數據通過近距離無線傳輸設備,將采集的數據傳輸到附近的監測站,再將其通過串口連接到GPRS數據傳輸終端,GPRS數據傳輸終端按照專用協議進行解析得到橋梁檢測設備傳來的數據后,將數據依次進行TCP封裝->IP封裝->PPP封裝,然后將數據發送到GPRS網絡,最終通過各種網關和路由到達監控中心。當GPRS網絡出現故障時,GPRS數據傳輸終端切換到使用短消息傳送數據的模式,將采集到的數據和網絡故障的信息發送到短信報警/數據接收中心,再由短信報警/數據接收中心將數據發送到數據監控中心。這樣充分保證了重要的采集數據不會丟失,極大地提高了系統的可靠性和穩定性。
2.系統設計。整個系統的設計內容包括近距離數據無線傳輸、GPRS終端的硬件與軟件的選擇與設計、傳輸終端與用戶設備的接口、TCP/IP協議處理、GPRS終端與數據中心的互聯、數據中心的網絡接入與軟件設置。橋梁檢測設備為傳統的具有RS232/485接口的設備,如位移計、傾角儀、壓電加速度計等檢測設備。橋梁檢測設備有兩種工作方式:一是按事先設定好的時間間隔,周期性的采集橋梁狀態數據,實時地傳送到監控中心;二是實時的響應監控中心的控制命令,按照監控中心發來的命令進行特定的數據采集任務。這就要求作為數據傳輸模塊和終端設備控制模塊的GPRS終端能夠實時地解析,處理各種控制命令并向數據傳輸服務提供盡可能大的吞吐率。近距離無線傳輸用nRF401組成數字收發電路,nRF401是一個單片RF收發芯片,工作在433MHzISM頻段和315MHz頻段,具有FSK調制和解調能力,抗干擾能力強,適合工業控制應用,采用PLL合成技術,頻率穩定性好。
三、遠程數據傳輸
1.模塊設置。要實現微處理器通過GPRS模塊上網,必須先對GPRS模塊進行一系列的設置。微處理器與GPRS模塊之間使用AT命令進行通訊,遵循“AT command set for GSM Mobile Equipment(ME)(GSM07.07 version 6.4.0 Release1997)”協議規范。對模塊的初始化設置工作在系統加電、操作系統完成各項初始化工作之后進行。主要的步驟和命令有:(1)AT+CGCLASS=“B”:設置移動終端的類別為“B”類,即同一時間只能運行一種業務,要么使用GPRS上網,要么收發短消息或使用GSM的語音通信。(2)AT+CGDCONT=1,“IP”,“CMNET”:設置接入網關為中國移動的網絡。(3)AT+CSQ:檢測信號強度,若返回值為“99,99”,表示檢測不到網絡信號,重復用戶設定的檢測次數,如果仍然檢測不到,則軟件復位重啟該傳輸終端。(4)AT+CGACT=1,1:測試終端是否已經附著到GPRS網絡上,如果返回值為“OK”,表示附著成功,可以使用GPRS網絡傳輸數據了;若返回值為“ERROR”,表示附著網絡失敗,通過串口給出提示信息。這是用戶應該檢查SIM卡的GPRS業務是否已經開通。對GPRS模塊設置完成之后,就可以使用GPRS模塊進行數據傳輸了。
2.數據傳輸。GPRS網絡物理層提供了數據傳輸的途徑,需要一種數據鏈路層的協議對上層即網絡層協議進行封裝。由GPRS是基于IP協議,數據以IP分組的形式在終端與GPRS服務器群之間進行傳輸,為了保證傳輸的可靠性和實現對終端的身份驗證,中國移動采用了PPP協議作為數據鏈路層使用的協議。PPP協議在網絡組件中實現,在這不做討論。使用PPP撥號時,接入電話號碼為“*999*1#”,用戶名和密碼都為空,開始PPP撥號后,不斷的輪PPP狀態機的狀態,當狀態為OPENED時,表示PPP協商成功、連接建立,可以使用GPRS網絡進行TCP/UDP傳輸。由于通過GPRS撥號上網的終端連接上的是中國移動的GPRS內網,它獲得的IP地址屬于GPRS內網址,初始狀態下,數據中心不能直接用這個IP地址主動與終端設備進行通訊,所以通訊過程一般為:(1)終端設通過PPP撥號登錄GPRS網絡,獲得GPRS內網的IP地址;(2)終端設備使用數據中心服務器的Internet上的IP地址或HTTP地址與數據中心建立TCP連接,這時TCP握手請求的IP封包通過GPRS內網與Internet連接的網關路由至數據中心;(3)數據中心收到握手請求后,發送的同步響應報文經過上述GPRS網關的NAT轉換遞交到終設備;(4)完成握手后,連接建立,開始數據傳輸。
3.可靠性保證。由于GPRS網絡目前存在掉包率偏高、經常掉線、鏈路不穩定的特點,終端在設計時采取了以下幾點措施保證數據傳輸的穩定性:(1)當通訊過程中,TCP重傳次數大于3次時,認為GPRS網絡出錯,若能使用短信備份功能,切換到定時按事先設定好的命令采集數據以短信發送的工作模式。切換時,首先向GPRS模塊發送“+++”命令,從在線傳輸模式切換到在線命令模式以響應短信發送的AT命令。在短信工作模式下,每隔一段時間,開始PPP撥號,若撥號成功,則將工作模式切換回使用GPRS網絡傳輸。若不具備短消息備份功能,則將終端重新啟動。(2)為了保證永遠在線,避免在應用環境中由于鏈路空閑而被服務器強制斷連,設備提供心跳功能,主動發送心跳數據,維持鏈路。具體做法是,設置一個心跳中心(可與數據中心使用相同的服務器),終端每隔一段時間,向心跳中心發送稱為心跳的特定UDP報文,該報文不包含有意義的數據,僅表示模塊在線。當中心一段時間后收不到心跳信息時,可知模塊已經脫離GPRS網絡,此時工作人員可以通過撥打終端電話的形式,將傳輸終端軟復位,本工作過程為遠程喚醒。遠程喚醒的設置為用戶提供了更為完善的使用功能。
四、結論
GPRS鏈路雖然理論速度高達171.2Kb/s,但是實際應用中的帶寬一般只有20～40Kb/s,是系統性能提升的瓶頸,因此,如何提高信道的利用率,是建立高性能的數據傳輸系統的關鍵。由于遠程監控過程有突發性高、數據量不大的特點,導致了有大量的小數據包在鏈路傳輸,這意味著鏈路上的數據傳輸效率不高。為避免鏈路上大量小數據包的傳輸,系統進行了優化,指定串口接收的應用數據緩沖大小(缺省為512字節),只有當緩沖被填滿或接收超時(缺省為200ms)才會發送,大大提高了數據傳輸性能。目前在網絡穩定的情況下,系統能以35Kb/s左右的速率發送/接收TCP數據包,對信道的利用率達到了87.5%。
無線數據傳輸范文6
關鍵詞：船舶系統；無線通信；數據鏈測試
0引言
當前隨著海洋航行活動的日益增多，以及海上軍事力量的迅速發展，船舶與船舶、船舶與港口的通信日益頻繁。船舶工業的進步與通信技術的發展為船舶件的信息傳遞提供了理論保障和技術支持。由于船舶長期處于移動狀態，并且船舶與船舶、船舶與陸地之間相互獨立，因此無法使用傳統的有線通信。近年來3G、4G技術的發展為船舶間的無線通信提供了可能，船舶間的信息交互能力得到了大幅度提升。在無線通信中，所有通信設備需要遵循特定的通信協議。在船舶通信中，由于對信息傳輸的實時性、穩定性以及保密性具有較高要求，目前采用數據鏈通信協議。該協議是以無線通信為載體，按照統一的數據格式實現準確、高效、實時的信息傳輸。在船舶的電子信息系統、作戰系統、電氣系統中，數據鏈是重要的組成部分，并且可以實現傳感器與控制系統的交互。按照無線通信中數據傳輸的過程，數據鏈可以劃分為戰術數據系統、接口控制處理器、數據鏈終端設備以及無線收發裝置。其中戰術數據系統是船舶的戰術控制中心，作為無線數據傳輸的控制中心；接口控制處理器在通信系統中負責數據的傳輸控制，在軟件層與數據層之間處理數據的編解碼；數據鏈終端設備是無線通信的數據接收單元，分布在數據鏈的兩端，用于不同船舶之間的數據收發；無線收發裝置是數據發射設備。由于無線通信存在多層協議，并且在數據傳輸過程中系統軟件層與硬件層之間始終存在數據交互，因此為了保證系統的穩定，需要對數據鏈系統進行實時檢測，保證其功能完備。本文首先分析了船舶無線通信系統中數據鏈的功能原理，并對其系統結構進行分析。最后依據數據鏈中使用的協議棧，從軟件和硬件角度設計了測試技術，保證數據鏈的功能完備性以及無線通信系統的穩定性。
1船舶無線通信數據鏈
1.1船舶無線通信系統
船舶無線通信是指利用無線電波在空間內進行信息傳遞，在多系統間的信息傳遞可以滿足即時通信需求。無線通信系統可以使得船舶獲取海洋航行環境、臨岸港口的實時狀態，并且通過雙向傳遞向其他相關設備傳遞自身航行狀態等，保證船舶的航行調度，使得海洋航行可以有序進行。無線通信按照其原理可以分為3個部分：信源、發送設備以及接收設備[1]。其中信源是船舶中的信號處理系統，負責將數據轉換為離散信號及模擬信號；發送設備是接入離散信號和模擬信號，通過載波及信號方法設備將信號發出，在特定情況下需要對信號進行加密處理；接收設備是目標船舶（及港口）中負責接收信號并通過解碼、解調還原數據的設備。在該系統中，最重要的是信道頻率合成系統.該系統是與信號收發天線相連接，并且使用標準IO信號和J5信號與業務處理系統進行數據傳輸。該系統中AD/DA模塊負責原始數據向模擬信號轉換，FPGA與鏈路DSP的功能是對模擬信號進行傅里葉變換，經過路由DSP轉換模態，最后由控制信號和射頻信號發送至收發信道單元經過天線向外傳輸信號。該系統的優點在于：1）使用跳頻技術，可以實現2.4～5GHz的多頻率發射，保證了發射的高帶寬特點；2）在多系統的協同設計中，可以使用星形拓撲結構，使得該系統具有自組織、可協調特點；3）在保證性能的前提下，通過引入FPGA模塊和雙重DSP模塊，降低系統成本。
1.2數據鏈系統結構
數據鏈系統是由多個無線節點組成的網絡拓撲結構，其中每個節點是自組織AdHoc節點，主要負責數據的控制、分發與實時更新[3]。當前，各國已經在研發并裝備的數據鏈種類繁多，按照其時間發展可以分為IFDL，MADL，TINT，TCDL及LINK22。根據節點的不同可以將數據鏈裝備分為單工、半雙工和全雙工模式數據鏈系統的核心技術可以分為2個部分：基于定向天線的定向通信技術和跳頻同步技術。定向天線是指在單個方向上具有很強的發射增益，可以實現數據定向傳播的天線技術。使用基于定向天線的定向通信可以在2個固定設備間實現高抗噪實時傳播，并且可以避免其他設備的信息截取，保證了信道傳輸的保密性和安全性。目前通常使用機械掃描天線和電掃描相控天線作為數據鏈系統的定向天線。機械掃描天線使用機械馬達控制控制天線方向實現定向通信；電掃描相控天線是在全方向雷達中通過內部電信號控制，實現對特定方向的信號增強，進而實現定向通信。跳頻同步技術是擴頻技術的一種特殊實現方式，其全稱是跳變頻率變頻（FrequencyHoppingSpreadSpectrum），指的是數字信息與二進制偽碼序列相加后，高頻載波控制器動態調節輸出頻率，使發射信號頻率隨數據的二進制偽碼實時變化[5]。跳頻通信系統使用以下5個參數衡量：擴頻增益、跳頻速率、跳頻圖案、跳頻帶寬以及跳頻頻率集。其中擴頻增益的公式如下所示，其中W，ΔF和N分別為擴頻信號帶寬、信息帶寬以及可用載波數。跳變頻率是指每秒內載波頻率的跳轉次數，跳轉圖案是指在載波跳變過程中呈現的規律，跳變帶寬是指跳變頻率的波動范圍，跳頻頻率集是指所有跳變頻率在時間上采樣點的集合。通過以上幾個參數，可以確定整個跳變同步技術的狀態。
2數據鏈設計與測試系統
2.1數據鏈系統設計
船舶無線通信中的數據鏈系統設計可以分為兩個部分：協議棧的設計和軟件系統設計。在系統設計過程中，首先依據協議棧類型構建數據鏈系統模型，接著使用軟件系統實現數據鏈的相關功能。數據鏈系統是用于船舶無線通信，因此該系統必然依據網絡協議[6]。傳統的網絡協議使用四層協議棧：物理層、鏈路層、處理層和應用層.其中物理層用于硬件適配，完成數字信號的傳輸功能；鏈路層充當路由器，完成傳輸信號在網絡中的尋路功能；處理層用于信息的發送端和接收端，用于數據的編解碼與載波處理；應用層用于生成和使用無線傳輸的數據。在確定了數據鏈的協議棧之后，需要設計實現其軟件系統。該軟件系統主要實現3個功能：網絡資源控制、邏輯信道控制以及介質接入層，每個功能需要設計單獨的接口。為了去除不同功能之間的耦合性，本文將數據鏈系統劃分為PowerPC系統和DSP系統，其中PowerPC系統用于控制數據鏈結構，DSP系統負責傳輸信號的處理。
2.2數據鏈測試技術
在依據數據鏈系統設計方法實現數據鏈后，需要對數據鏈的穩定性、安全性等進行測試。當前主流的測試方法均以軟件系統為基礎，使用ASIC硬件模擬仿真，得到數據鏈系統的重要指標。當前確定的指標包括：系統延時、編碼保密度以及系統穩態特性。在檢測系統延時時，通過以下公式計算延時，其中Li和S分別為數據鏈長度和指數常量。為了檢測系統的編碼保密度，在發送端通過隨機方法選取編碼密文，在接收端使用密碼庫進行撞庫操作，將時間按照以下公式處理，作為編碼保密度的衡量標準，其中N和A分別為發送端和接收端加密等級。對于系統的穩態特性，本文采用的方法是：在發送端選取Benchmark作為標準原始信號發送，在接收端使用數據鏈系統進行解碼，通過與Benchmark信號比對，得到系統穩態特定。當比例越高時，表明系統穩定性越強。
3結論
本文針對船舶無線通信網絡，設計了數據鏈系統及數據鏈測試技術。首先根據網絡系統結構，設計了頻率合成系統。并依據數據鏈系統中的四層協議棧模型，使用ASIC硬件模擬了對數據鏈系統的延時、編碼保密度和穩定性的測試技術。
參考文獻：
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