如何實現(xiàn)計算機之間的無線數(shù)據(jù)傳輸

引言

隨著我國信息化進程的全面推進，各行業(yè)對信息化也提出了較高的要求。對傳輸信息化的認識也從單純的數(shù)字化提升到數(shù)字化與網(wǎng)絡化、無線化相統(tǒng)一的高度。針對目前的信息化要求，原有的有線傳輸系統(tǒng)雖可完成數(shù)字化與網(wǎng)絡化，但復雜的布線、高昂的維護成本都使得網(wǎng)絡節(jié)點的分布范圍受到了很大的限制，這在很大程度上阻礙了數(shù)據(jù)傳輸信息化的深入和普及。移動監(jiān)測系統(tǒng)可以很好的解決上述問題，移動監(jiān)測系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集設備、終端管理計算機、監(jiān)控中心組成，它可將數(shù)據(jù)采集設備安裝于可移動載體，從而將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)終端管理計算機處理后，通過無線數(shù)據(jù)傳輸通道傳送到監(jiān)控中心，以便監(jiān)控中心隨時了解現(xiàn)場的狀況，從而實現(xiàn)遠程無線移動監(jiān)測?？紤]到實際應用的需要，本文設計了一種基于CDMA或GPRS的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)傳輸要求的不同更換相應模塊，從而完成更多功能。

1 無線數(shù)據(jù)傳輸方式

目前，移動無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ㄖ饕℅SM短消息、CDMA、GPRS和其它方式（如wifi、紅外、藍牙、ZigBee等），他們各自具有的特點如下所示：

GSM（Global System of Mobile communication，全球移動通信系統(tǒng)全球移動通信系統(tǒng)）短消息傳輸用的是信令信道，采用存儲轉發(fā)的方式，傳輸延時不固定，具體視當前的短消息業(yè)務使用情況而定。該方式的最為主要的缺點是數(shù)據(jù)傳輸速率低、具有延遲性且時間不定。

CDMA （Code Division Multiple Access）又稱碼分多址，是一種無線通訊技術，系統(tǒng)可為每個用戶分配各自特定的地址碼。地址碼之間具有相互準正交性，從而在時間、空間和頻率上都可以重疊。CDMA 1X的理論傳輸速率可達300 kbps，目前的實際傳輸速率大約在100 kbps左右，并可支持移動IP業(yè)務，可用于Intemet連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。CDMA允許所有使用者同時使用全部頻帶（1.2288Mhz），且把其他使用者發(fā)出訊號視為雜訊，完全不必考慮到訊號碰撞 （collision） 問題。CDMA中所提供語音編碼技術，通話品質比目前GSM好，且可把用戶對話時周圍環(huán)境噪音降低，使通話更清晰。就安全性能而言，CDMA不但有良好的認證體制，更因其傳輸特性，用碼來區(qū)分用戶，防止被人盜聽的能力大大增強。 Wideband CDMA（WCDMA）寬帶碼分多址傳輸技術，為IMT-2000的重要基礎技術，將是第三代數(shù)字無線通信系統(tǒng)標準之一。

GPRS （General Packet Radio Service）是通用分組無線業(yè)務的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS可說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）式來傳輸，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps。它經(jīng)常被描述成“2.5G”，也就是說，這項技術位于第二代（2G）和第三代（3G）移動通訊技術之間。GPRS采用分組交換技術。可高效傳輸高速或低速數(shù)據(jù)和信令，GPRS的理論傳輸速率可達171.2 kbps，實際傳輸速率大約在40 kbps。

藍牙技術是1994年由愛立信公司首先提出的一種短距離通信技術規(guī)范，它采用Ad hoc方式工作，可以在網(wǎng)絡中實現(xiàn)路由選擇功能。藍牙標準主要定義的是底層協(xié)議，也定義了一些高層協(xié)議和接口，具體包括核心協(xié)議、藍牙電纜替代協(xié)議RFCOMM、電話傳送控制協(xié)議、與Internet應用相關的一些高層協(xié)議等。藍牙是一種尖端的開放式無線通信標準，能夠在10m的范圍內無線連接桌面型電腦、PDA便攜設備等。藍牙技術實際上是一種短距離的無線通信技術，是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范。藍牙系統(tǒng)一般由無線單元、鏈路控制（固件）單元、鏈路管理（軟件）單元和藍牙軟件（協(xié)議棧）單元4個功能單元組成。藍牙的傳輸距離為10 cm～10 m，如果增加功率或者是加上某些外設，則可達到100 m的傳輸距離。它采用2.4 GHzISM頻段和調頻、跳頻技術，使用權向糾錯編碼、ARQ、IDD和基帶協(xié)議。

ZigBee無線通信技術是最近幾年涌現(xiàn)的一項熱門，目前全球已有350多家國際知名企業(yè)加入ZigBee聯(lián)盟組織，以推廣ZigBee技術，使其成為領先的無線網(wǎng)絡、傳感、控制標準并在全球范圍內應用于消費電子、能源、家庭、商業(yè)和工業(yè)等各個領域［24］。ZigBee的基礎是IEEE 802.15.4標準，這是IEEE無線個人局域網(wǎng)（PAN， personal area network）工作組的一項標準。ZigBee網(wǎng)絡類似移動通信網(wǎng)絡的CDMA或GSM網(wǎng)，一個ZigBee網(wǎng)絡理論上最多可支持65535個ZigBee節(jié)點，節(jié)點間的通信距離可以從75m開展到數(shù)百米甚至幾公里。ZigBee是一組基于IEEE批準的802.15.4無線標準研制開發(fā)的、有關組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術標準。它的有效覆蓋范圍是10～75 m。當網(wǎng)絡速率降低到28 kbps時，傳輸范圍甚至可以擴大到134 m，因而具有更高的可靠性。

本文采用的是高性能的飛利浦公司的微處理器LPC2210，LPC2210是基于一個支持實時仿真和嵌入跟蹤的32/16位ARM7TDMI-S CPU。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。

LPC2210可以廣泛應用在工業(yè)、民用無線數(shù)據(jù)傳輸領域，特別適用于一些難于布線的地區(qū)和邊遠地區(qū)。設計采用的CDMA無線數(shù)據(jù)傳輸模塊采用華為EM200，并通過標準RS232接口與處理器相連。本文介紹的是如何傳送用戶數(shù)據(jù)信息。實際上，用戶數(shù)據(jù)信息只是整個信息傳輸管理系統(tǒng)的一個應用，通過更換不同的數(shù)據(jù)源模塊可實現(xiàn)不同的信息傳輸，從而構成不同的信息傳輸管理系統(tǒng)，如遠程抄表系統(tǒng)、水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等等。

2 組網(wǎng)方案

M2M（Machine to Machine）是通過移動通訊對設備進行有效控制，從而將商務的邊界大幅度擴展或創(chuàng)造出較傳統(tǒng)方式更高效率的經(jīng)營方式亦或創(chuàng)造出完全不同于傳統(tǒng)方式的全新服務。M2M以設備通訊控制為核心，將原來低效率或甚至不可能的信息傳輸應用于商業(yè)中以獲得更強的競爭力。M2M的商務模式目前應用方興未艾，主要有移動物流管理（M-logistic management）、移動支付（M-POS）、移動監(jiān)控（M-monitoring）等。

M2M（機器到機器）數(shù)據(jù)傳輸方式目前在多個行業(yè)中都有著廣泛的應用，它可通過數(shù)據(jù)采集終端對分布于各地的數(shù)據(jù)進行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過通用接口鏈接到CDMA無線傳輸模塊，再通過它對數(shù)據(jù)進行透明傳輸，將相應數(shù)據(jù)發(fā)送到相應的數(shù)據(jù)中心。圖1所示是基于CDMA的移動無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的結構原理圖。無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與用戶的數(shù)據(jù)中心之間一般可通過TCP／UDP建立數(shù)據(jù)連接。用戶的數(shù)據(jù)中心作為通信的服務端，具有公用的固定IP，并指定偵聽端口。無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸模塊可設定為上電自動撥號，如果無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與用戶的數(shù)據(jù)中心之間采用TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，則自動與服務器建立TCP連接。

3 無線數(shù)傳終端的硬件組成

無線數(shù)傳終端的硬件部分主要包括ARM CPU控制模塊LPC2210、CDMA Modem模塊及電源三部分，其硬件連接關系和結構框圖如圖2所示。

LPC2210是Philips公司的一款16／32位ARM7TDMI-S CPU微控制器。它是基于ARM通用體系結構的RISC微處理器，具有低成本、低功耗、高性能等優(yōu)點。通常通過RS232／485口接收到用戶數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)打成IP包后，可利用EM200模塊接入CDMA網(wǎng)絡，然后通過各種網(wǎng)關和路由將數(shù)據(jù)發(fā)送到外部網(wǎng)絡或者數(shù)據(jù)處理中心。嵌入式CPU芯片是整個數(shù)據(jù)采集終端的核心部分，它不僅要能支持嵌入式操作系統(tǒng)，而且要提供Modem接口用于對CDMA的控制；EM200模塊主要完成無線上網(wǎng)功能，它可通過RS232接口與ARM CPU的Modem接口進行連接，以完成對模塊的控制（比如撥號和切換模式等）。一旦通過模塊連接上Internet，那么，采集到的數(shù)據(jù)就可以用TCP／IP傳輸方式發(fā)送到任意一個具有公網(wǎng)IP地址的主機上去，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

3.1 UIM卡接口設計

EM200型CDMA無線數(shù)據(jù)傳輸模塊集成有符合IS07816-3標準的UIM卡接口，通過PCB的走線可以連接到模塊B2B連接器上。從而為外部UIM卡座提供UIM卡接口信號。EM200型CDMA無線數(shù)據(jù)傳輸模塊可支持并能夠自動檢測3.0V和1.8V的UIM卡，本設計用到的是3.0V的UIM卡。表1所列是系統(tǒng)連接器上的UIM卡針的接口定義。

在射頻系統(tǒng)的設計中，EMC是一個必須考慮的問題?？紤]到EMC（Electromagnetic Compatibility電磁兼容性）的要求，在設計中可將UIM卡座盡量設計到離EM200無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接口較近的位置，這樣可以避免因為走線過長而引起的波形變形，降低對信號通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?。在實際設計中，可在UIM-VCC和UIM-GND之間并聯(lián)一個0．1μF的電容，并在UIM-CLK、UIM-IO、UIM-RST與UIM-GND之間并聯(lián)一個33p的電容，這樣可以濾除射頻信號的干擾。同時應在UIMCL-K、UIM-IO、UIM-RST走線上串聯(lián)33Ω的電阻。UIM與EM200模塊的接口電路連接關系圖如圖3所示。

3．2 系統(tǒng)音頻部分設計

EM200模塊提供有完整的音頻接口，設計時只需要增加少量外圍輔助元器件即可。音頻分為主通道和輔助通道兩部分。此外，為了音頻信號傳輸?shù)目煽啃裕纛l設計也應該盡量遠離模塊的射頻部分，以降低射頻對于音頻的干擾。由于第一路音頻輸入輸出通道（MICI-P、MICI-N；EARl-P、EARl-N）全部為差分信號，所以在具體的PCB布線時，必須滿足差分信號（差分信號是用一個數(shù)值來表示兩個物理量之間的差異）走線的要求，并且走線要盡可能的短，以避免射頻信號對音頻產(chǎn)生干擾。如果僅使用一路音頻通道，那么，最好使用第一路主音頻通道。其主音頻輸入輸出通道的設計電路如圖4所示。

3．3 系統(tǒng)狀態(tài)指示燈設計

由于無線通信過程看不見摸不著，這在某種程度上加大了程序調試的難度，為了更直觀的了解無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)設計了由EM200 CDMA無線數(shù)據(jù)傳輸模塊LPG管腳控制的LED燈來作為指示網(wǎng)絡狀態(tài)的標志。并通過轉臺指示燈閃爍模式的不同來表示不同的網(wǎng)絡狀態(tài)。實際設計中，由于LPG管腳的驅動能力有限，不足與直接驅動LED，因此需要加一級三極管放大電路，具體的狀態(tài)指示燈電路如圖5所示。

4 移動終端軟件設計

本系統(tǒng)的軟件由上位機和下位機軟件、服務器應用界面和數(shù)據(jù)庫三部分構成，下位機軟件負責ARM微控制器與CDMA模塊之間的串口通信，其程序流程圖如圖6所示。

要使得無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠正確的傳送數(shù)據(jù)，就必須順利接入網(wǎng)絡。無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要登陸CDMA網(wǎng)絡并與PDSN網(wǎng)關通過LCP、PA-P、IPCP協(xié)議進行協(xié)商。其中LCP、PAP和IPCP協(xié)議的幀結構大同小異，最常用的是請求REQ、響應ACK和拒絕NAK三種幀。LPC2210微控制器與PDSN各為一方進行協(xié)商，任何一方都可以發(fā)送REQ幀來請求某方面的配置，另一方認為不能接受配置，則會回應NAK幀；如果可以接受，則回應ACK幀。

5 結束語

根據(jù)近年來監(jiān)控系統(tǒng)、CDMA數(shù)據(jù)通信技術的發(fā)展趨勢，本文介紹了一種移動終端在計算機之間進行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法。在此基礎上，如果在監(jiān)控端建立數(shù)據(jù)接收軟件和數(shù)據(jù)庫，以用來接收來自CDMA網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)并存儲，以備查詢，則可以方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實施傳輸和歷史查詢。而如果用ARM控制器直接讀取監(jiān)控器或傳感器的數(shù)據(jù)以完成數(shù)據(jù)采集，則可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸控制。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在出租、氣象、公安、運輸、水利等方面具有廣泛的應用。