【正文】 ....................................................... 17 MAX3232串口的電路連接圖 ................................................... 18 PCB設計 ...................................................................... 18 第 6章 模塊調試和參數(shù)測試 ..................................................... 19 .................................................................. 19 ........................................................... 22 電氣參數(shù)測試 .................................................................. 23 結 論 ..................................................................... 24 參考文獻 .................................................................... 26 謝辭 ....................................................................... 27 用于 物聯(lián)網的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設計 1 第 1 章 緒 論 無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋尘凹鞍l(fā)展趨勢 近年來，通信技術和網絡技術的迅速發(fā)展使得無線通信技術得到廣泛的應用 [1]，許多遠程控制系統(tǒng)也開始采用無線數(shù)據(jù)傳輸技術來實現(xiàn)信息的交流。無線數(shù)據(jù)傳輸技術指的是使用無線電波作 為數(shù)據(jù)傳輸媒介，通過將本地計算機以及其他通信設備的數(shù)據(jù)調制到載波頻率上進行發(fā)射，達到與遠程終端之間通訊的技術。這涉及到計算機技術、信息技術、以及網絡技術等多項學科領域。通過無線傳輸系統(tǒng)，人們可以獲取遠程設備的運行情況信息以及各種參數(shù)指標，然后通過對采集到的數(shù)據(jù)的分析從而實現(xiàn)遠程管理、遠程控制等的功能。和 有線數(shù) 據(jù) 傳 輸 相比 ，無線數(shù)據(jù)傳輸擁有 布線成本低、 易于安裝 、 易于 移動 等 優(yōu)點 ，現(xiàn)在無線數(shù)據(jù)傳輸已經廣泛地運用在車輛監(jiān)控、小型無線網絡、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、 無線遙控系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)通信等領域中 ,[2]。此外，在高科技領域方面，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽靡苍谘该桶l(fā)展，遠程導彈、遙控機器人的控制，高空飛機偵查等等的應用也越來越離不開無線數(shù)據(jù)傳輸技術。 無線通信技術第一階段的發(fā)展要追溯到 20 世紀 20 年代初期一直到 50 年代初期，當時的無線通信技術主要是應用在滿足軍方的需求上，在當時，無線通信技術有相當大的局限性，傳輸方式受到各種客觀環(huán)境的限制，同時，傳輸速率也是處在一個比較 低的水平上。從 20 世紀 50 年代到 20 世紀 60 年代，無線通信技術進入了發(fā)展的第二階段，當時的通訊設備已經開始在專用的通訊環(huán)境中使用了。半導體技術的過渡，解決了安裝公用電話在通信技術上的問題，在另一方面也實現(xiàn)了移動電話和公用電話在使用上的持續(xù)性。同時，傳輸速率有了一定的提高。從 20 世紀 70 年代初期到 20 世紀 80 年代初期，無線通信技術進入了發(fā)展的第三階段，當時的通信頻段大大得到了擴展，同時第一代的數(shù)字通信技術系統(tǒng)在當時也開始出現(xiàn)了。步入 20 世紀 80 年代以來一直持續(xù)到 20 世紀末期，無線通信技術進入了發(fā)展的第四階段， 當時的通信技術已經有了一定的發(fā)展和運用，第二代的數(shù)字移動通信系統(tǒng)也開始出現(xiàn)，這些改變都在一定程度上促進了各類電信系統(tǒng)的發(fā)展。從 20 世紀末期到現(xiàn)在，屬于無線通信技術發(fā)展的第五階段，如今，數(shù)字通信系統(tǒng)已經發(fā)展到了第三代，這不僅在通信領域內滿足技術逐步提高的發(fā)展需求，同時也促進了多媒體技術和移動通信技術的結合。全球化標準的制定，使得無線通信技術在多樣性和創(chuàng)新型方面越來越完善。 [3] 基于無線通信技術 目前的發(fā)展現(xiàn)狀，再考慮到不同接入網應滿足于不同的應用場合的需求，通信技術的發(fā)展將會具備以下幾個特點： 點與點之間通信過渡到多點之間的通信 多向控制 立體信息多元化的發(fā)展 高仿真地實現(xiàn)信息的再現(xiàn)。移動通信網在一福州大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 2 定范圍內存在的互補性使得 LET 技術將在無線通信技術上成為主導，以此來促進計算機技術和通信技術之間的融合，這樣，網絡環(huán)境的檢測不僅得到了提高，不同用戶之間互相通信的互相干擾也大大得到了控制。由此可見，未來無線通信技術的一個發(fā)展趨勢是實現(xiàn)網絡的融合。由于通信技術接入方式在不同系統(tǒng)中存在著差異，不同 的通信技術在覆蓋面、適用范圍以及接入速度等方面也有一定的差異，比如 WLAN 解決的問題是關于長距離中數(shù)據(jù)的傳輸，而 3G 是為了實現(xiàn)移動數(shù)據(jù)的漫游，所以，為了能夠促進無線通信技術往多元化發(fā)展，應不斷提高無線通信技術之間的互補性，來促使現(xiàn)代無線通信技術的不斷發(fā)展。鑒于無線通信技術在不同領域的應用不同，無線通信技術應該和其他相關學科進行交叉鏈接，以此來使得無線通信技術能夠滿足不同用戶的不同需求。這也使得無線通信技術在無形中實現(xiàn)了跨領域發(fā)展，同時也要適當?shù)厥篃o線通信技術往創(chuàng)新性方向發(fā)展，以此來促進現(xiàn)代無線通信技術的改革 和完善。 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設計的必要性 無線通信技術的不斷發(fā)展使得如今無論是智能手機還是計算機都到了廣泛的應用，iPhone、 iPad 等智能設備已經成為最受青少年歡迎的電子產品，無線數(shù)據(jù)傳輸技術的發(fā)展是響應市場發(fā)展的趨勢。信息化的社會使得很多企業(yè)飛速的發(fā)展，特別是高科技領域的企業(yè)，而無線數(shù)據(jù)傳輸技術又是在這方面給企業(yè)帶來前所未有的技術突破性、便利性以及靈活性。在個人方面，無線網絡的發(fā)展在一定程度上顯著地提高了人們的工作效率，改善了人們的生活水平，同時也減少了人們的工作壓力。 Wifi 等技術的廣泛使用正 是無線數(shù)據(jù)傳輸技術必須發(fā)展起來的體現(xiàn)。現(xiàn)有的無線數(shù)據(jù)傳輸所存在的缺點也使得技術改進、更新進程迫在眉睫。和有線數(shù)據(jù)傳輸相比，無線數(shù)據(jù)傳輸技術雖然解決了許多有線傳輸難以克服的困難，擁有很多的技術優(yōu)勢，但在一些方面仍然存在著技術缺陷。比如無線傳輸?shù)乃俣仁莻€弱項，通常速率都是比較慢的，而且容易受到干擾，且功率受限。并且，因為無線傳輸?shù)慕橘|存在易受影響和利用的缺點，使得它除了具有有線傳輸數(shù)據(jù)的不安全性外，還更容易受到干擾和竊聽、欺騙以及被冒充等形式的攻擊，所以安全性問題一直都是無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€軟肋，是一個迫切需要解 決的問題。目前情況下，無線傳輸還不能做到完全脫離有線數(shù)據(jù)傳輸，只能和有線傳輸形式相結合地共同使用。 用于 物聯(lián)網的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設計 3 第 2 章 設計要求 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的參數(shù)要求 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊在電源方面要求能夠有較大的輸入范圍，才能夠適用在多種多樣的工作場合。電壓輸入范圍要求為 5~64V，電源允許的最大工作電流要足夠大，才能保證模塊能夠正常工作，不會被燒壞，要求能夠達到 2A。在功耗方面，模塊要求能夠實現(xiàn)低功耗，待機電流要小，要小于 10mA。在 MCU 處理器方面，為了實現(xiàn)模塊的升級以及系統(tǒng)的擴展，采用 32 位的通訊處理器。 SIM卡座要求能夠實現(xiàn)熱插拔的功能，置有 15KV的 ESD 保護。串口通訊采用 DB9 串口，同樣置有 15KV的 ESD 保護。天線部分要求實現(xiàn) 50 歐姆的阻抗匹配。 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的功能要求 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設計要求能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸，能夠實現(xiàn)在線檢測，斷線重連的功能來保證鏈路的永久在線。支持 DTU 與數(shù)據(jù)中心同時收發(fā)數(shù)據(jù)，支持用戶配置參數(shù)，能夠實現(xiàn)遠程控制的功能。在安全性方面要具有數(shù)據(jù)保密性。 無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵墓δ埽? （ 1） 內部集成 TCP/IP 協(xié)議棧 ： GPRS DTU 內部封裝了 PPP 撥號協(xié)議以及 TCP/IP 協(xié)議棧并且移植入了嵌入式操作系統(tǒng)。它可看作是嵌入式 PC 與無線 GPRS MODEM 的結合 ； 它具備 GPRS 撥號上網以及下TPC/IP 數(shù)據(jù)通信的功能、采用心跳包保持永久在線 ,支持斷線自動重連、自動重撥號等特點。 [4] （ 2） 提供串口數(shù)據(jù)雙向轉換功能 ： GPRS DTU提供了串行通信接口 ,可以將串口上的原始數(shù)據(jù)轉換成 TCP/IP 數(shù)據(jù)包進行傳送 ,不需要改變原有的數(shù)據(jù)通信內容 ,可以和各種使用串口通信的用 戶設備進行連接。 [4] （ 3） 支持自動心跳，保持永久在線 GPRS 通信網絡的優(yōu)點之一就是支持 GPRS 終端設備永久在線，因此典型的 GPRS DTU 在設計上都支持永久在線功能，這就要求 DTU 包含了上電自動撥號、采用心跳包保持永久在線 (當長時間沒有數(shù)據(jù)通信時，移動網關將斷開 DTU 與中心的連接，心跳包就是 DTU 與數(shù)據(jù)中心在連接被斷開之前發(fā)送一個小數(shù)據(jù)包，以保持連接不被斷開 )、支持斷 線自動重連、自動重撥號等特點。 [5] （ 4） 支持參數(shù)配置，永久保存 GPRS DTU作為一種通信設備，其應用場合十分廣泛。在不同的應用中，數(shù)據(jù)中心的福州大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 4 IP 地址及端口號，串口的波特率等都是不同的。因此， GPRS DTU都應支持參數(shù)配置，并且將配置好的參數(shù)保存內部的永久存儲器件內（一般為 FLASH 或 EEPROM 等）。一旦上電，就自動按照設置好的參數(shù)進行工作。 [6] （ 5）支持用戶串口參數(shù)設置 不同用戶設備的串口參數(shù)有所不同， DTU連接用戶設備的串口時，要根據(jù)用戶設備串口的實際參數(shù)對 DTU端進行相應設置，保證用戶設備的正常通信和可靠數(shù)據(jù)傳輸。 [6] 用于 物聯(lián)網的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設計 5 第 3 章 方案論證 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的工作原理 工作流程 GPRS DTU一上電，首先將讀出內部設置保存的運行參數(shù)，包括 GPRS 撥號參數(shù)、串口波特率、數(shù)據(jù)中心的 IP 地址和端口號等等。撥號成功后， GPRS DTU將被隨機地分配一個移動內部的 IP 地址。換句話說， GPRS DTU 是工作在一個移動內網中，但是網絡 IP 地址是不固定的，而是隨著每次撥號而改變。這意味著 GPRS DTU 是內部 LAN（局域網）內的移動設備，通過移動網關（ GGSN）和外部公共互聯(lián)網網絡進行通信。這樣，它就不可能在主站和從站間直接進行通信。但是 DTU能夠用一個固定的公共網絡 IP 地址或者域名自動連接到數(shù)據(jù)中心并保 持這一通信鏈路。因此， GPRS DTU需要主動連接到數(shù)據(jù)中心。 具體來講， GPRS DTU 通過預先配置的數(shù)據(jù)中心 IP 地址和端口號發(fā)送一個 TCP（傳輸控制協(xié)議）或 UDP（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議）通信請求到數(shù)據(jù)中心。收到來自數(shù)據(jù)中心的響應后， GPRS DTU成功地和數(shù)據(jù)中心握手并保持通信鏈路。如果通信鏈路被中斷， GPRS DTU將立即和數(shù)據(jù)中心重新握手。這樣， GPRS DTU和數(shù)據(jù)中心的 TCP/UDP 雙向信息鏈路就已經建立起來了。 [7] GPRS DTU集成了 TCP/IP 協(xié)議棧，因此它能相對容易地完成用戶的串行數(shù)據(jù)和 GPRS網絡數(shù)據(jù)包之間的轉換。當收到用戶的串行數(shù)據(jù)， GPRS DTU 立即將串行數(shù)據(jù)封裝成TCP/UDP 數(shù)據(jù)包并發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。相反的，當 GPRS DTU從數(shù)據(jù)中心收到 TCP/UDP 數(shù)據(jù)包時，它將從數(shù)據(jù)包中提取有用信息，并立即通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)到用戶設備。 [8] 數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤釛l件就是由 GPRS 終端主動發(fā)出注冊申請，與擁有固定公網 IP 地址和固定監(jiān)聽端口的監(jiān)控中心主機建立 TCP 連接，然后由控制中心的主機保存此通信連接的Socket 信息，供用戶隨時通過主界面發(fā)起命令來控制遠程的數(shù)據(jù)采集 GPRS 終端，然后就等待數(shù)據(jù)采集終端通過已經建立的通信鏈路向控制中心發(fā)送所請求的數(shù)據(jù)幀。當 TCP 連接意外斷開時， GPRS 終端會自動重新向監(jiān)控中心發(fā)起注冊申請來建立連接。 [1] 心跳包 當一定時間內沒有數(shù)據(jù)傳輸時，移動網關將自動斷開數(shù)據(jù)中心和 GPRS DTU的通信鏈路。為了保持連接在線， DTU 心跳包將會在這個鏈路被斷開之前發(fā)送。問題是多久 DTU心跳包會發(fā)送。如果發(fā)送時間間隔設太長，那么將沒有數(shù)據(jù)傳輸，移動網關將中斷鏈路。相反的，數(shù)據(jù)中心因為無線網絡延遲不能及時接收到心跳包。在地面上， GPRS DTU將確定該通信鏈路已斷開連接，并自動重連。不管什么情況，遠程控制將增加不穩(wěn)定性。 [9] 福州大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 6 注冊包 DTU 上電以后會根據(jù)設置的數(shù)據(jù)中心 IP 和端口號會主動去