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无线数据传输范文1
改革开放以来，我国的ZigBee无线传感技术得到了前所未有的发展，使智能家居得以实现，为人们的生活带来了极大的便利。然而，受无线网络开放性的影响，网络设备所发送的数据可由任意设备接收，导致智能家居无线传输存在一定的不安全性，因此，对智能家居无线数据传输的安全性分析有着重要的实践意义与应用价值。
一、ZigBee技术的安全性能
1、ZigBee协议栈。通常，在ZigBee网络体系中，PHY、MAC层均采用的是IEEE802.15.4相关标准，ZigBee联盟下的NWK与APL层则建立在PHY与MAC层之上，通常，PHY层仅能够提供基本的无线通信功能，而MAC层则提供的是设备间单跳与链路功能。NWK除了兼具多跳与路由功能外，还能够建立多种拓扑结构网络[1]。APL层主要包括APS层与ZigBee设备对象即ZDO层，两者均能够为应用程序提供相应的服务，APL能够满足ZDO与其他应用程序的建立、传输与设备管理需求。当前，我国智能家居普遍采用的是ZigBee安全体系结构，该系统采用的是IEEE802.15.4安全服务，在多种安全服务的支持下，数据传输能够得到加密处理，并对要接入网络的设备进行密匙与身份认证管理。MAC层、NWK层以及APS层等相互协作能够确保各自帧的安全传输。
2、ZigBee加密算法模式。在ZigBee系统中，多通过高级加密标志实现对MAC的算法加密控制，其采用的参数是128位，在IEEE802.15.4协议及ZigBee的支持下实现MAC层帧的一致性与真实性。一般情况下，MAC会对自身进行相应的安全处理，其安全级别则由上层控制，其安全性主要包括三种模式，第一种为CTR模式，其采用的是AES加密，第二种为CBC-MAC模式，其通过AES确保一致性，第三种则为CCM模式，其是CTR与CBC-MAC芍帜J降慕岷[2]。为了确保数据安全性，在CCM技术的基础上开发了CCM*模式，其不仅具备CCM模式的所有特点，而且能够支持不同安全级别采用同一密匙，具有一定的优越性。
二、智能家居无线数据传输的安全实现
2.1 ZigBee安全网络的建立
通常，在智能家居系统中，首先需通过协调器建立相应的网络，然后根据需要对网络进行相关设置，使其满足ZigBee网络安全的需要。协调器通过对NIB属性的设置达到安全级别配置。本次研究将协调器作为信任中心，选取的是住宅模式，并将NIB进行相应的设置，建立成为安全的ZigBee网络。当新设备要加入此网络时，需要先发送原语，并进行主动或被动扫描操作。需要注意的是在扫描操作中，需采用相关设备接收协调器网络信息，再将原语与网络进行连接。当协调器接收到命令帧后，向上级发送并确认原语。每加入一个新的设备均需要安全认证，具体见图1。
2.2无线数据安全传输的实现
当前，CC2430无线收发芯片在ZigBee无线模块中应用最为普遍，在AES协的支持下，其内置CPU负担也得到了大大减轻。作为不同层次的共享通用源，AES协处理器每次只能够处理1个实例，其能够对数据进行加密、解密处理，具体见图2。首先对DMA进行初始化，然后将Key置于AES协处理器，数据传输采用的是DMA法，需要设置相应的寄存器与源寄存器，代码不同，其所采用的加密、解密模式也有所不同[3]。另外还可以通过对CBC-MAC对报文头进行相应的保护，并对数据及MAC进行加密保护，以此实现无线数据安全传输。
三、结束语
智能家居系统中应用加密技术一方面能够确保数据安全性，另一方面能够有效避免外来设备的干扰，对智能家居信息的网络通信形成了一定的保护作用，值得参考借鉴。
参 考 文 献
[1]陈朝俊. 云计算与大数据下智能家居数据安全性分析[J]. 电子技术与软件工程， 2015， 13（20）：206-206.
无线数据传输范文2
引言
nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年2月5日推出的系统级RF芯片，其内置nRF905 433/868/915MHz收发器、8051兼容微控制器和4输入10位80ksps A/D转换器，是真正的系统级芯片，如图1所示。内置nRF905收发器与nRF905芯片的收发器一样，可以工作于ShockBurst(自动处理前缀、地址和CRC)方式。内置电压调整模块，最大限度地抑制噪音，为系统提供1.9～3.6V的工作电压，QFN5×5mm封装，载波检测。nRF9E5符合美国通信委员会和欧洲电信标准学会的相关标准。由于nRF905功耗低，工作可靠，因此很适用于无线数据传输系统的设计。
图1
1 nRF9E5功能介绍
1.1 nRF9E5硬件
（1）微控制器
nRF9E5的片内微控制器与标准8051兼容，指令时序与标准8051稍有区别。典型的区别是：nRF9E5的片内微控制器的指令周期为4到20个指令周期。中断控制器支持5个扩展中断源：ADC中断、SPI中断、RADIO1中断、RADIO2中断和唤醒定时器中断。片内控制器还有3个与8052相同的定时器。1个和8051相同的串口，可以用定时器1和定时器2来作为异步通信的波特率产生器。此外，还扩展了2个数据指针，以方便于从XRAM区读取数据。微处理器中有256B的数据RAM和512B的ROM。上电复位或软件复位后，处理器自动执行ROM引导区中的代码。用户程序通常是在引导区的引导下，从EEROM加载到1个4KB的RAM中，这个4KB的RAM也可作存储数据用。NRF9E5的大部分寄存器和标准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口寄存器地址和标准8051中的相同，都是0x80、0x90、0xA0,但功能和标准8051中的有所不同。
（2）CKLF时钟、RTC唤醒定时器、GPIO唤醒和WTD
nRF9E5内有一个低频的时钟CKLF，该时钟常开。当晶振开始工作后，CKLF频率为4Hz；晶振不工作时，CKLF是一个低功耗RC晶振器，只要VDD≥1.8V，其连续工作。RTC唤醒定时器、WTD（看门狗）和GPIO唤醒全都工作在CKLF频率，以保证芯片功耗工作时能够完成这三个功能。RTC唤醒定时器是一个24位可编程控制的递减计数器，WTD则是一个16位可编程控制递减计数器。RTC唤醒定时器和WTD的循环周期一般在300μs～80ms，默认为1ms。RTC唤醒定时器也能作GPIO的输出源，也就是说，当RTC唤醒定时器初始化时间发生溢出时，能够产生一个用作GPIO输出的程序脉冲。
（3）SPI接口和A/D转换器
SPI（串行外设接口）的接口引脚有MISO（接收EEPROM的SDO送来的数据）、SCK（给EEPROM的SCK提供时钟信号）、MOSI（送数据到EEPROM的SDI）、EECSN（给EEPROM的CSN送使能信号）。SPI口的MISO、SCK和MOSI与P1口的低3位重用，通过寄存器SPI_CTRL控制来控制功能间的撤换。SPI硬件不产生任何片选信号，可以用GPIO口来进行片选。通常，系统上电时，SPI自动和片外25320相连。当程序加载完成后，MISO（P1.2）、MOSI（P1.0）可能会用作其它用途，比如其它的SPI器件或GPIO。
nRF9E5片内有10位ADC，A/D转换参考电压可以通过软件设置在AREF和1.22V之间（内部参考电压）。A/D转换器的4个输入可通过软件进行选择，通道0～3可以把对应引脚AIN0～AIN3上的电压值分别转换为数字值，通道4用于对nRF9E5工作电压的监控。A/D转换器默认工作于10位方式，可通过软件使其工作于6位、8位或12位方式。
图3
（4）射频收发器
nRF9E5收发器通过内部并行口或内部SPI口与其它模块进行通信 ，具有同单片射频收发器nRF905相同的功能。收发器通过片内MCU的并行口或SPI口与微控制器通信，数据准备好，载波检测和地址匹配信号能够作为微控制器和中断。
nRF905工作于433/868/915MHz ISM频段。收发器由1个完事的频率合成器、1个功率放大器、1个调节吕和2个接收器组成。输出功率、频道和其它射频参数可通过对特殊功能寄存器RADIO（0xA0）编程进行控制。发射模式下，射频电流消耗为11mA,接收模式下为12.5mA。为了节能，可通过程序控制收发器的开/关。
1.2 nRF9E5的收发方式
不同于nRF401和nRF903，nRF9E5使用SPI接口进行单片机与无线模块间的数据传输。这部分在nRF9E5片内的8051内核与nRF905射频收发器之间完成。nRF9E5片内的8051内核与nRF905射频收发器之间完成。nRF905片内的8051内核与nRF905射频收发器之间完成。nRF9E5的收发器有三种工作方式，ShockBurst接收（RX）方式、ShockBurst发送（TX）方式和空闲方式。当收发器在空闲方式下，微控器依然在运行。
nRF9E5使用Nordic VLSI公司的ShockBurst的特性，进行高速的数据传输。与射频数据相关的协议由nRF9E5片内的nRF9E5收发器自动处理。nRF9E5只用简单的SPI接口便能和nRF9E5进行数据传输，数据传输的速度取决于SPI接口的速度，这个可以在nRF9E5片内8051内核中进行配置。ShockBurst实现低速数据输入，高速数据输出，从而降低了系统的平均能耗。在ShockBurst接收方式下，当收到一个有效地址的射频数据包时，地址匹配寄存器位（AM）和数据准备好寄存器位（DR）通知片内MCU把数据读出。在ShockBurst发送方式下，nRF9E5自动给要发送的数据加上前缀和CRC校验。当数据发送完后，数据准备好寄存器位（DR）会通知MCU数据已经处理完毕。
当系统没有发送和任务时，其进入空闲方式，nRF9E5在空闲方式下，一旦有任务要处理时，其能够在很短的时间内就进入ShockBurst接收方式和ShockBurst发送方式。空闲方式下，晶体振荡器依然工作，配置字中的内容不至于丢失。
1.3 载波检测
在ShockBurst接收方式下，当出现nRF9E5工作信道内的射频载波时，载波检测引脚（CD）被置高，这个特性很好的避免了同一工作频率下不同发射器数据包之前的碰撞。当收发器准备发射数据时，它首先进入接收方式并探测所工作的信道是否空闲。载波检测的标准一般比灵敏度低5dB，比如，灵敏度为-100dBm，载波检测功能探测低至-105dBm的载波。也就是说，载波低于-105dBm，载波检测信号为低（一般为0），高于-95dBm，则载波检测信号为高（一般为VDD），介于-105～95dBm之间，载波检测信号可能为低也可能为高。
2 无线数据传输系统
2.1 系统组成
无线数据传输系统有点对点，点对多点和多点对多点三种。本系统由于实际应用的需要，由于位PC机，主接收器和多台数据终端组成。主接收器和数据终端之前的数据传输通过nRF9E5进行，构成点对多点多无线数据传输系统。整个系统中，PC机和数据终端之间的无线通信采用433MHz的频段作为载波频率。为了避免同频干扰的问题，系统采用TDMA（Time Division Multiple Access）通信技术。主接收器采用逐一扫描的方式探测各个数据终端有没有收发通信请求或其它任务；数据终端则采用中断方式，对主接收器发出的地址信息进行处理，若与本机地十相符则执行命令。由此可见，上位PC机与数据终端的通信转化为主接收器与数据终端间的通信，以及PC机与主接收通过串口（USB或UART）间的通信。整个无线数据传输系统的结构如图2所示。
2.2 通信协议
通信协议是通信双方为实现信息交换而制定的规则。本系统采用时分多路访问通信技术（TDMA），将点对多点的通信方式转化为点对点的通信，因此必然涉及信源与信宿之间建立通信连接时的地址匹配问题。由于主接收器与数据终端之间的通信可能会受到其它数据终端或外界环境的干扰而发生错误，因此，需要通信协议来保证数据传输的可靠性。
nRF9E5只有一种协议格式，其中的前缀也就是数据，设备地址包括本机的地址和主接收器的地址，CRC校验可进行选8位或16位。
3 无线数据传输系统的实现
3.1 系统硬件
图3为无线数传系统中主要接收器的硬件原理图。数据终端的硬件原理与图3类似，只不过没有与PC机相接的串口部分，并且GPIO口和A/D转换口号相应的数据输入端相连，如温度传感器和中断信号等。ANT1和ANT2为天线连接引脚，可采用PCB环形差分天线，晶振工作频率为16MHz。25AA320为EEPROM，在nRF9E5上电后，系统根据引导程序，把25AA320中和程序代码拷贝到nRF9E5的4KB RAM中。LM1117为电源管理模块，把5V电平转化为nRF9E5可用的3.3V。MAX3232CSE为nRF9E5串口与PC串口间通信的电平转换芯片。由图3可知，用nRF9E5进行无线数据传输系统设计非常方便。nRF9E5的外形尺寸非常小，在对外形尺寸要求很严格的场合，nRF9E5更使用。
3.2 系统软件
无线数据传输主要由无线数据终端、主接收器和PC机组成，PC机与主接收器间用串行口通信。整个系统的各个部分都是服务于无线数据传输这个目的。所以，在整个系统的软件设计中，无线数据的传输为最主要部分。如图4和图5所示，是无线数据传输的接收和发送流程。软件设计应根据通信协议并考虑数据的纠错，检错可采用CRC校验8位或16位方式。在图4、图5中，TRX_CE发送和接收使能寄存器位，DR为数据准备寄存器位，AM为地址匹配寄存器位，AUTO_RETRAN为自动重发寄存器位。
无线数据传输范文3
本文介绍以PIC16C73和CC1000为基本部件，设计并实现无线数据传输发射机的过程。
1 PIC16C73及CC1000简介
PIC16C73是Microchip公司生产的一种高性价比的8位嵌入式微控制器。CC1000是为在无线条件下应用所设计的一种极低功率单芯片射频收发器。它主要是为315、433、868和915MHz的ISM和SRD设备所设计，可以编程工作在300～1000MHz范围之间的任一频率上。它具有极低的电流消耗、高灵敏度、体积小、低供电电压、FSK数据传输率可达76.8kbps、FSK调制频谱修正等特点，它还为用户提供了简单易用的开发包。使用CC1000芯片设计电路简单，不需要使用极少的外部元件、不需要外部射频转换和中频滤波器。
2 系统设计
本无线数据传输发射机框图如图1所示。
图中，PIC16C73接收数字或模拟信号，经过缓存、组帧后，将数据传送到射频发射机，由CC1000实现FSK调制后发射出去。
本设计中PIC16C73的振荡周期为4MHz，指令周期为1μs。CC1000工作在发射状态，发射频率306.874457MHz，频偏64kHz，速率7638Kbps，发射功率10dBm。发射数据采用自定义帧格式，其格式为：
4字节位同步字—0AAH，0AAH，0AAH，0AAH；
2字节帧同步字（3位0加13位巴克码）—1FH，35H；
1字节地址或命令；
50字节数据。
上述57字节组成一帧，每两帧之间间隔为8.25ms。
3 硬件设计
单片机PCI16C73与CC1000的连接如图2所示。
单片机通过对3-wire串行设置接口（PDATA，PCLK和PALE）编程，使CC1000处在不同工作模式下。为实现数据回读，PDATA必须使能双向引脚，另一个双向引脚被用来实现数据（DIO）的发送和接收。提供数据定位的位置寄存器，完全设置CC1000需要发送29个16位的数据帧（7位地址位、1位读/写位和8位数据位）。
在每个写循环中，编程数据PDATA线上都发送16位数据，每个数据帧中前7位为地址位，下一位是读/写位（高电平写，低电平读），后8位是数据。在地址和读/写位传送过程中，程序地址锁存器使能PALE线必须保持低电平，然后传送8位数据位。PDATA上的数据同步在编程时钟PCLK的负沿完成。当D0，即8位数据位的最后一位已经载入时，数据就会被载入内部设置寄存器，时序如图3所示。
这些设置寄存器也可被单片机通过同样的设置接口读取。7位地址首先被发送，然后读/写位被置为低来，开始数据回读，时序如图4所示。
4 软件设计
4.1 总体流程图
软件采用模块化程序设计方法，图5是总体流程。
4.2 初始化
初始化是一项十分重要的工作，需要分别对PIC16C73和CC1000两个芯片进行初始化。由于本设计中要完成PC机与PIC之间的异步通信和PIC的模/数据换功能，所以除了PIC16C73的各个PORT端口外，还应对串行通信接口SCI部件和A/D转换部件等进行初始化。在单片机初始化完成后，通过它对CC1000进行初始化，使其工作在发射模式，其流程如图6所示。
4.3 中断服务子程序设计
PIC16C73有多达11种中断源，本设计使用了其中的SCI异步接收中断和A/D转换完成中断。初始化工作完成后，当单片机通过SCI接收完一字节数据后就会产生SCI接收中断，另外，当单片机完成一次A/D后也会产生中断。在产品中断后，程序即进入中断服务子程序，要完成数据的缓存、缓存管理及组帧、数据传送工作。
图6
无线数据传输范文4
【关键词】Microchip PIC24F单片机；无线数据传输；Zigbee CC2530；串口通信
1.引言
随着科学技术的不断进步，传感器技术、数据采集技术、数字信号处理技术以及无线通信技术都得到了长足的发展，并已成为了国内外重点发展的科技领域之一[1]。传感器技术在工业、医疗、军事等众多领域中得到了广泛应用。传感器通过感知被测量，按照某一规律完成转换并输出信号。利用数据采集技术实现对信号的采集并进行相应的信号处理。当在一些现场环境复杂、恶劣或者是地处偏远的情况下，有限传输方式无法适应时，就需要采用无线传输方式来解决问题。
目前，无线传输的实现方案有多种，例如：无线局域网（WLAN）、ZigBee、红外线技术、蓝牙（Bluetooth）技术、RFID等[2]。WLAN技术主要特点是上下行速率高、建网快速、组网方式多、移动性强、组网成本低等；红外线技术实现的是点对点的通信，具有功耗低、体积小、简单易用等特点，但点对点之间不能有障碍物的阻挡；蓝牙技术具有多点连接、功耗小、高速率的特点[3]。
本文设计了一种基于Microchip PIC24F单片机的无线数据传输系统，该系统采用了Microchip PIC24F单片机作为CPU，采用Zigbee CC2530作为无线数据收发模块，具有电路结构设计简单、实用性强的特点。
2.无线传输系统设计
本文设计了一种基于Microchip PIC24F单片机的无线数据传输系统，该系统采用Zigbee CC2530作为无线数据收发模块，实现下位机和上位机之间的数据通信；采用Microchip PIC24F单片机作为系统CPU，一方面可以通过Microchip PIC24F单片机内部自带的A/D转换器实现数据的采集，另一方面通过SPI接口实现对Zigbee CC2530的控制。Microchip PIC24F单片机作为系统的CPU，还担负着信号处理的功能。当接收传感器的输出信号时，Microchip PIC24F单片机便可以实现数据的采集和处理，并将处理后的数据通过无线数据收发模块Zigbee CC2530进行无线数据的发送。在接收端依然采用无线数据收发模块Zigbee CC2530进行数据的接收，并送到Microchip PIC24F单片机中。为了可以利用PC机显示发送端上报的数据，采用了串口通信技术，实现了Microchip PIC24F单片机与PC机的数据通信。具体的系统设计方案如图1所示，包括了图1（a）无线传输系统发送端，图1（b）无线传输系统接收端。
2.1 Microchip PIC24F单片机电路
Microchip PIC24F单片机是美国微芯科技公司推出的16位单片机，采用nanoWatt XLP超低功耗技术，在深度休眠模式下，功耗低至20nA，具备16 MIPS的性能、电容触摸传感外设、8 KB RAM、32或64 KB闪存、10位A/D以及实时时钟和日历（RTCC）。该单片机还能够通过外设引脚选择重新配置数字I/O引脚。此外，该单片机具有44引脚QFN和TQFP封装和28引脚QFN、SOIC和PDIP封装。
2.2 无线收发模块CC2530电路
CC2530是TI公司推出的2.4GHz ISM频带的一款芯片，该芯片支持Zigbee/IEEE 802.15.4协议，并且该芯片内部集成了具有高性能射频收发器、工业标准的增强型8051MCU内核。该芯片内部具有8位和16位的定时器，256KB Flash ROM和8KB RAM，具有8个输入可配置的12位ADC，同时具备强大的DMA功能，支持5种工作模式，具备超低功耗系统，在接收和发送模式下，电流损耗分别为24mA。
2.3 串口通信电路
本设计中上位机部分为了实现Microchip PIC24F单片机与PC机之间的通信，采用了串口方式实现通信，即采用了MAX232实现。MAX232芯片是美信公司的一款电平转换芯片，按照RS-232标准串口设计，采用+5V单电源供电。
2.4 电源模块电路
本设计中系统外部供电电压为+5V，而Microchip PIC24F单片机和无线收发模块Zigbee CC2530都工作在+3.3 V，因此需要采用电源模块实现电压转换，采用了低压差线性稳压器TPS7333实现电压转换。
3.系统软件设计
系统软件设计包括下位机软件设计和上位机软件设计。前者主要是Microchip PIC24F单片机通过SPI口对Zigbee CC2530的控制，后者包括串口通信和主界面设计。
Zigbee CC2530片上集成的命令选通协处理器（CSP）提供了Microchip PIC24F单片机与无线电直接的接口，可以处理Microchip PIC24F单片机发出的命令。有程序执行和立即选通命令两种模式[7,8]。其中24字节的程序存储器用以存储软件算法，充当Microchip PIC24F单片机的协处理器。当命令选通协处理器（CSP）复位后，指令写指针复位到位置0，每次RFST写入期间指令写指针累加1，直到程序存储器的终点。命令选通协处理器（CSP）还具备4个寄存器，分别是CSPX、CSPY、CSPT和CSPZ。Microchip PIC24F单片机对他们可以读写，设置命令选通协处理器（CSP）运行所需的参数。程序执行模式下运行一个命令选通协处理器（CSP）的流程如图2所示。
4.结论
本文介绍了一种基于Microchip PIC24F单片机的无线数据传输系统，该系统采用了无线收发模块Zigbee CC2530实现无线数据的传输，采用了低功耗单片机Microchip PIC24FF449实现无线数据收发模块的SPI接口配置。该系统可以利用Microchip PIC24FF449单片机对多个传感器输出的信息量进行采集，并通过无线收发模块Zigbee CC2530实现无线数据传输。上位机部分接收数据后可通过串口通信方式将数据上传至PC机，并通过上位机主界面显示所需数据。由于采用了无线传输方式，该系统适用于各种条件复杂、恶劣或是偏远的安装场合，因此具有较高的应用价值。
参考文献
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无线数据传输范文5
[关键词]GPRS;SMS;远程数据传输;桥梁检测
一、GPRS技术简介
通用分组无线业务(General Packet Radio Service, GPRS)是在现有GSM系统上发展起来的一种承载业务,目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS抛弃了传统的独占电路交换模式,采用分组交换技术,每个用户可同时占用多个无线信道,同一无线信道又可以有多个用户共享,有效地利用了信道资源,带宽最高可达171.2Kb/s。目前中国移动的GPRS覆盖范围在中心城市几乎达到了100%,在边远地区也达到了80%以上,实际应用带宽大约在20～40Kb/s,特别适合远程检测行业的通信需求,能够完全取代过去传统的有线MODEM.X.25、数传电台、短信等通信方式。
GPRS通信方式更适合于桥梁数据采集传输业务,目前各桥梁检测站与各采集点采用电话线传送数据或手工抄录,实时性差、误差大、费用也不便宜。GPRS无线传输数据有以下优势:(1)GPRS用户可随意分布和移动自己的网点,无需担心线路的维护或线路在移机时导致的通讯中断。建设新的监测点无需进行拉线、埋线等工作。较光纤或专线系统投资较少,设备安装方便。(2)终端价格比较低,与DDN相比较DTU或DDN专线Modem其终端价格便宜。(3)GPRS资费便宜,计费合理。GPRS数据业务资费包月比有线电话网络资费还便宜。GPRS还可根据通信的数据量和提供的服务质量进行计费。在GPRS网中,用户只需与网络建立一次连接,就可长时间的保持这种连接,并只在传输数据时才占用信道并被计费,保持时不占用信道不计费。这样,检测点既不用频繁建立连接,也不必支付传输间隙时的费用。(4)GPRS能最好地支持频繁的、少量突发型数据业务。通信质量稳定可靠,永不掉线。(5)GPRS网络接入速度快,提供了与现有数据网的无缝连接。由于GPRS网本身就是一个分组型数据网,支持TCP/IP.X.25协议,因此无须经过PSTN等网络的转接,直接与分组数据网(IP网或X.25网)互通,接入速度仅几秒钟,快于电路型数据业务。采用TCP/IP协议,较以前的无线数据网络(集群、双向传呼、GSM短信息)而言,网络接入更加直接方便、覆盖更好。
二、系统的组成和设计
1.系统组成。在整个系统中由于外部环境因素,数据传输系统安装在桥梁上会对数据传输的准确性带来很多不利因素,为此先将桥梁检测数据通过近距离无线传输设备,将采集的数据传输到附近的监测站,再将其通过串口连接到GPRS数据传输终端,GPRS数据传输终端按照专用协议进行解析得到桥梁检测设备传来的数据后,将数据依次进行TCP封装->IP封装->PPP封装,然后将数据发送到GPRS网络,最终通过各种网关和路由到达监控中心。当GPRS网络出现故障时,GPRS数据传输终端切换到使用短消息传送数据的模式,将采集到的数据和网络故障的信息发送到短信报警/数据接收中心,再由短信报警/数据接收中心将数据发送到数据监控中心。这样充分保证了重要的采集数据不会丢失,极大地提高了系统的可靠性和稳定性。
2.系统设计。整个系统的设计内容包括近距离数据无线传输、GPRS终端的硬件与软件的选择与设计、传输终端与用户设备的接口、TCP/IP协议处理、GPRS终端与数据中心的互联、数据中心的网络接入与软件设置。桥梁检测设备为传统的具有RS232/485接口的设备,如位移计、倾角仪、压电加速度计等检测设备。桥梁检测设备有两种工作方式:一是按事先设定好的时间间隔,周期性的采集桥梁状态数据,实时地传送到监控中心;二是实时的响应监控中心的控制命令,按照监控中心发来的命令进行特定的数据采集任务。这就要求作为数据传输模块和终端设备控制模块的GPRS终端能够实时地解析,处理各种控制命令并向数据传输服务提供尽可能大的吞吐率。近距离无线传输用nRF401组成数字收发电路,nRF401是一个单片RF收发芯片,工作在433MHzISM频段和315MHz频段,具有FSK调制和解调能力,抗干扰能力强,适合工业控制应用,采用PLL合成技术,频率稳定性好。
三、远程数据传输
1.模块设置。要实现微处理器通过GPRS模块上网,必须先对GPRS模块进行一系列的设置。微处理器与GPRS模块之间使用AT命令进行通讯,遵循“AT command set for GSM Mobile Equipment(ME)(GSM07.07 version 6.4.0 Release1997)”协议规范。对模块的初始化设置工作在系统加电、操作系统完成各项初始化工作之后进行。主要的步骤和命令有:(1)AT+CGCLASS=“B”:设置移动终端的类别为“B”类,即同一时间只能运行一种业务,要么使用GPRS上网,要么收发短消息或使用GSM的语音通信。(2)AT+CGDCONT=1,“IP”,“CMNET”:设置接入网关为中国移动的网络。(3)AT+CSQ:检测信号强度,若返回值为“99,99”,表示检测不到网络信号,重复用户设定的检测次数,如果仍然检测不到,则软件复位重启该传输终端。(4)AT+CGACT=1,1:测试终端是否已经附着到GPRS网络上,如果返回值为“OK”,表示附着成功,可以使用GPRS网络传输数据了;若返回值为“ERROR”,表示附着网络失败,通过串口给出提示信息。这是用户应该检查SIM卡的GPRS业务是否已经开通。对GPRS模块设置完成之后,就可以使用GPRS模块进行数据传输了。
2.数据传输。GPRS网络物理层提供了数据传输的途径,需要一种数据链路层的协议对上层即网络层协议进行封装。由GPRS是基于IP协议,数据以IP分组的形式在终端与GPRS服务器群之间进行传输,为了保证传输的可靠性和实现对终端的身份验证,中国移动采用了PPP协议作为数据链路层使用的协议。PPP协议在网络组件中实现,在这不做讨论。使用PPP拨号时,接入电话号码为“*999*1#”,用户名和密码都为空,开始PPP拨号后,不断的轮PPP状态机的状态,当状态为OPENED时,表示PPP协商成功、连接建立,可以使用GPRS网络进行TCP/UDP传输。由于通过GPRS拨号上网的终端连接上的是中国移动的GPRS内网,它获得的IP地址属于GPRS内网址,初始状态下,数据中心不能直接用这个IP地址主动与终端设备进行通讯,所以通讯过程一般为:(1)终端设通过PPP拨号登录GPRS网络,获得GPRS内网的IP地址;(2)终端设备使用数据中心服务器的Internet上的IP地址或HTTP地址与数据中心建立TCP连接,这时TCP握手请求的IP封包通过GPRS内网与Internet连接的网关路由至数据中心;(3)数据中心收到握手请求后,发送的同步响应报文经过上述GPRS网关的NAT转换递交到终设备;(4)完成握手后,连接建立,开始数据传输。
3.可靠性保证。由于GPRS网络目前存在掉包率偏高、经常掉线、链路不稳定的特点,终端在设计时采取了以下几点措施保证数据传输的稳定性:(1)当通讯过程中,TCP重传次数大于3次时,认为GPRS网络出错,若能使用短信备份功能,切换到定时按事先设定好的命令采集数据以短信发送的工作模式。切换时,首先向GPRS模块发送“+++”命令,从在线传输模式切换到在线命令模式以响应短信发送的AT命令。在短信工作模式下,每隔一段时间,开始PPP拨号,若拨号成功,则将工作模式切换回使用GPRS网络传输。若不具备短消息备份功能,则将终端重新启动。(2)为了保证永远在线,避免在应用环境中由于链路空闲而被服务器强制断连,设备提供心跳功能,主动发送心跳数据,维持链路。具体做法是,设置一个心跳中心(可与数据中心使用相同的服务器),终端每隔一段时间,向心跳中心发送称为心跳的特定UDP报文,该报文不包含有意义的数据,仅表示模块在线。当中心一段时间后收不到心跳信息时,可知模块已经脱离GPRS网络,此时工作人员可以通过拨打终端电话的形式,将传输终端软复位,本工作过程为远程唤醒。远程唤醒的设置为用户提供了更为完善的使用功能。
四、结论
GPRS链路虽然理论速度高达171.2Kb/s,但是实际应用中的带宽一般只有20～40Kb/s,是系统性能提升的瓶颈,因此,如何提高信道的利用率,是建立高性能的数据传输系统的关键。由于远程监控过程有突发性高、数据量不大的特点,导致了有大量的小数据包在链路传输,这意味着链路上的数据传输效率不高。为避免链路上大量小数据包的传输,系统进行了优化,指定串口接收的应用数据缓冲大小(缺省为512字节),只有当缓冲被填满或接收超时(缺省为200ms)才会发送,大大提高了数据传输性能。目前在网络稳定的情况下,系统能以35Kb/s左右的速率发送/接收TCP数据包,对信道的利用率达到了87.5%。
无线数据传输范文6
关键词：船舶系统；无线通信；数据链测试
0引言
当前随着海洋航行活动的日益增多，以及海上军事力量的迅速发展，船舶与船舶、船舶与港口的通信日益频繁。船舶工业的进步与通信技术的发展为船舶件的信息传递提供了理论保障和技术支持。由于船舶长期处于移动状态，并且船舶与船舶、船舶与陆地之间相互独立，因此无法使用传统的有线通信。近年来3G、4G技术的发展为船舶间的无线通信提供了可能，船舶间的信息交互能力得到了大幅度提升。在无线通信中，所有通信设备需要遵循特定的通信协议。在船舶通信中，由于对信息传输的实时性、稳定性以及保密性具有较高要求，目前采用数据链通信协议。该协议是以无线通信为载体，按照统一的数据格式实现准确、高效、实时的信息传输。在船舶的电子信息系统、作战系统、电气系统中，数据链是重要的组成部分，并且可以实现传感器与控制系统的交互。按照无线通信中数据传输的过程，数据链可以划分为战术数据系统、接口控制处理器、数据链终端设备以及无线收发装置。其中战术数据系统是船舶的战术控制中心，作为无线数据传输的控制中心；接口控制处理器在通信系统中负责数据的传输控制，在软件层与数据层之间处理数据的编解码；数据链终端设备是无线通信的数据接收单元，分布在数据链的两端，用于不同船舶之间的数据收发；无线收发装置是数据发射设备。由于无线通信存在多层协议，并且在数据传输过程中系统软件层与硬件层之间始终存在数据交互，因此为了保证系统的稳定，需要对数据链系统进行实时检测，保证其功能完备。本文首先分析了船舶无线通信系统中数据链的功能原理，并对其系统结构进行分析。最后依据数据链中使用的协议栈，从软件和硬件角度设计了测试技术，保证数据链的功能完备性以及无线通信系统的稳定性。
1船舶无线通信数据链
1.1船舶无线通信系统
船舶无线通信是指利用无线电波在空间内进行信息传递，在多系统间的信息传递可以满足即时通信需求。无线通信系统可以使得船舶获取海洋航行环境、临岸港口的实时状态，并且通过双向传递向其他相关设备传递自身航行状态等，保证船舶的航行调度，使得海洋航行可以有序进行。无线通信按照其原理可以分为3个部分：信源、发送设备以及接收设备[1]。其中信源是船舶中的信号处理系统，负责将数据转换为离散信号及模拟信号；发送设备是接入离散信号和模拟信号，通过载波及信号方法设备将信号发出，在特定情况下需要对信号进行加密处理；接收设备是目标船舶（及港口）中负责接收信号并通过解码、解调还原数据的设备。在该系统中，最重要的是信道频率合成系统.该系统是与信号收发天线相连接，并且使用标准IO信号和J5信号与业务处理系统进行数据传输。该系统中AD/DA模块负责原始数据向模拟信号转换，FPGA与链路DSP的功能是对模拟信号进行傅里叶变换，经过路由DSP转换模态，最后由控制信号和射频信号发送至收发信道单元经过天线向外传输信号。该系统的优点在于：1）使用跳频技术，可以实现2.4～5GHz的多频率发射，保证了发射的高带宽特点；2）在多系统的协同设计中，可以使用星形拓扑结构，使得该系统具有自组织、可协调特点；3）在保证性能的前提下，通过引入FPGA模块和双重DSP模块，降低系统成本。
1.2数据链系统结构
数据链系统是由多个无线节点组成的网络拓扑结构，其中每个节点是自组织AdHoc节点，主要负责数据的控制、分发与实时更新[3]。当前，各国已经在研发并装备的数据链种类繁多，按照其时间发展可以分为IFDL，MADL，TINT，TCDL及LINK22。根据节点的不同可以将数据链装备分为单工、半双工和全双工模式数据链系统的核心技术可以分为2个部分：基于定向天线的定向通信技术和跳频同步技术。定向天线是指在单个方向上具有很强的发射增益，可以实现数据定向传播的天线技术。使用基于定向天线的定向通信可以在2个固定设备间实现高抗噪实时传播，并且可以避免其他设备的信息截取，保证了信道传输的保密性和安全性。目前通常使用机械扫描天线和电扫描相控天线作为数据链系统的定向天线。机械扫描天线使用机械马达控制控制天线方向实现定向通信；电扫描相控天线是在全方向雷达中通过内部电信号控制，实现对特定方向的信号增强，进而实现定向通信。跳频同步技术是扩频技术的一种特殊实现方式，其全称是跳变频率变频（FrequencyHoppingSpreadSpectrum），指的是数字信息与二进制伪码序列相加后，高频载波控制器动态调节输出频率，使发射信号频率随数据的二进制伪码实时变化[5]。跳频通信系统使用以下5个参数衡量：扩频增益、跳频速率、跳频图案、跳频带宽以及跳频频率集。其中扩频增益的公式如下所示，其中W，ΔF和N分别为扩频信号带宽、信息带宽以及可用载波数。跳变频率是指每秒内载波频率的跳转次数，跳转图案是指在载波跳变过程中呈现的规律，跳变带宽是指跳变频率的波动范围，跳频频率集是指所有跳变频率在时间上采样点的集合。通过以上几个参数，可以确定整个跳变同步技术的状态。
2数据链设计与测试系统
2.1数据链系统设计
船舶无线通信中的数据链系统设计可以分为两个部分：协议栈的设计和软件系统设计。在系统设计过程中，首先依据协议栈类型构建数据链系统模型，接着使用软件系统实现数据链的相关功能。数据链系统是用于船舶无线通信，因此该系统必然依据网络协议[6]。传统的网络协议使用四层协议栈：物理层、链路层、处理层和应用层.其中物理层用于硬件适配，完成数字信号的传输功能；链路层充当路由器，完成传输信号在网络中的寻路功能；处理层用于信息的发送端和接收端，用于数据的编解码与载波处理；应用层用于生成和使用无线传输的数据。在确定了数据链的协议栈之后，需要设计实现其软件系统。该软件系统主要实现3个功能：网络资源控制、逻辑信道控制以及介质接入层，每个功能需要设计单独的接口。为了去除不同功能之间的耦合性，本文将数据链系统划分为PowerPC系统和DSP系统，其中PowerPC系统用于控制数据链结构，DSP系统负责传输信号的处理。
2.2数据链测试技术
在依据数据链系统设计方法实现数据链后，需要对数据链的稳定性、安全性等进行测试。当前主流的测试方法均以软件系统为基础，使用ASIC硬件模拟仿真，得到数据链系统的重要指标。当前确定的指标包括：系统延时、编码保密度以及系统稳态特性。在检测系统延时时，通过以下公式计算延时，其中Li和S分别为数据链长度和指数常量。为了检测系统的编码保密度，在发送端通过随机方法选取编码密文，在接收端使用密码库进行撞库操作，将时间按照以下公式处理，作为编码保密度的衡量标准，其中N和A分别为发送端和接收端加密等级。对于系统的稳态特性，本文采用的方法是：在发送端选取Benchmark作为标准原始信号发送，在接收端使用数据链系统进行解码，通过与Benchmark信号比对，得到系统稳态特定。当比例越高时，表明系统稳定性越强。
3结论
本文针对船舶无线通信网络，设计了数据链系统及数据链测试技术。首先根据网络系统结构，设计了频率合成系统。并依据数据链系统中的四层协议栈模型，使用ASIC硬件模拟了对数据链系统的延时、编码保密度和稳定性的测试技术。
参考文献：
[1]陆捷,张烁,许利刚,等.无线通信数据链协议栈软件设计与实现[J].中国新通信,2015,17(02):14.
[2]刘敏.软件无线电技术在无人机数据链系统中的应用[J].科技与企业,2012,(17):113-115.
[3]冷杰,张弘.基于HDLC的无线通信模块设计[J].控制工程,2012,19(S1):152–153,160.
[4]黄高阳,黄英君,骆志刚,等.数据链可靠传输协议的设计与仿真[J].系统仿真学报,2009,21(S2):218–221,225.
