無線數(shù)傳模塊在遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

摘要  本文介紹了一種在遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應用無線數(shù)傳模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?。對設計時需要解決的一些問題進行了討論，并給出了無線數(shù)傳模塊與PC機串行通信的軟件實現(xiàn)思路。
關鍵詞  無線數(shù)傳；協(xié)議；串行口通信
 
    現(xiàn)代世界是一個信息世界，信息的獲取傳輸也逐步從有線過渡到無線。隨著無線通信事業(yè)的發(fā)展，無線傳輸這一技術越來越多的為人們所熟悉，相應的產(chǎn)品也滲透到社會生活的各個領域，如無線抄表、數(shù)字圖像傳輸、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、非接觸RF 智能卡、安全防火系統(tǒng)、區(qū)域報警系統(tǒng)的數(shù)字信號傳輸?shù)?。而這一技術的最大作用便是優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的效率。本文將此技術應用于無線通信的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，使該系統(tǒng)不僅數(shù)據(jù)傳輸效率高，而且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。

一、遠程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)組成

1、遠程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)概述

          圖1 遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)框圖

    遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要是對酸雨，水質(zhì)，煙霧濃度等環(huán)境參數(shù)進行集中測量，它是一種由中心站PC機、無線數(shù)傳模塊與子站PC機、無線數(shù)傳模塊、數(shù)據(jù)采集器、環(huán)境測定儀所組成的主從式系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    中心站主要位于城市或地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測總站，子站則在城市或地區(qū)的周邊。環(huán)境測定儀有碳氫化合物測定儀MODEL-745、大氣測定儀AFC-125、酸雨測定儀AR-107SNA、COD測定儀VS-3951等,他們收集的各種環(huán)境參數(shù)通過數(shù)據(jù)采集器送入子站PC機中，進行數(shù)據(jù)處理、參數(shù)顯示和保存，并隨時準備接受中心站的查詢和定時發(fā)送。每一子站與中心站之間的遠程通信是采用北京池潤達公司的W21DM無線數(shù)傳全雙工通信模塊來實現(xiàn)的。

    中心站、子站與無線數(shù)傳模塊間的通信是通過異步串口來完成的。異步串口采用標準的串口格式即：一個起始位、八個數(shù)據(jù)位、一個停止位。傳輸速率為1200bit/s。

2、 無線數(shù)傳模塊工作過程

         圖2無線數(shù)傳模塊結(jié)構(gòu)圖

    圖2是無線數(shù)傳模塊結(jié)構(gòu)框圖。無線數(shù)傳模塊的工作方式有全雙工和半雙工兩種，為了能充分測試系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，本系統(tǒng)采用全雙工模式。同時注意在設置通信時，必須保證通過串行口將無線數(shù)傳模塊的收發(fā)頻率設置相同。

 2．1模塊發(fā)送過程：
    當模塊收到PC機的串行口數(shù)據(jù)后，模塊先通過DTR線判斷收到的數(shù)據(jù)是命令還是發(fā)送數(shù)據(jù)，若是命令則執(zhí)行相應的命令，若是發(fā)送數(shù)據(jù)則先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送到發(fā)送緩沖區(qū)EERAM中，并同時將模塊的狀態(tài)由接收狀態(tài)轉(zhuǎn)換成發(fā)射狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換完成后啟動發(fā)送打包程序，并將這個數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)送到模塊中的數(shù)據(jù)調(diào)制口以FSK的方式調(diào)制成模擬信號, 與鎖相環(huán)中的振蕩信號一起送混頻器，升頻后的射頻信號再經(jīng)發(fā)射放大器、功率放大器放大后通過天線發(fā)送出去。這里的數(shù)據(jù)打包要遵從事先定義好的傳輸協(xié)議，這樣才可以使接收雙方有規(guī)可循，而且避免其他信號干擾。具體設定下面詳細說明。

2．2模塊的接收過程：
   在接收狀態(tài)下，通過天線接收進來的射頻信號經(jīng)射頻發(fā)大器后，與鎖相環(huán)中的振蕩信號一起送到混頻器，降頻后的中頻信號，通過中頻濾波器、中頻放大器放大后送到調(diào)制解調(diào)器，以FSK解調(diào)后的數(shù)字信號按照協(xié)議將有效數(shù)據(jù)送到存儲器中，再經(jīng)串行口送到計算機。

二、設計系統(tǒng)時需要考慮的一些問題

1、傳輸協(xié)議
    因為無線通信模塊要對接收進來的數(shù)據(jù)進行處理，就必須能夠鑒別數(shù)據(jù)的真?zhèn)危砸髠鬏敂?shù)據(jù)的雙方建立一種有效協(xié)議使得能夠識別噪聲和有效數(shù)椐。因為噪聲是以隨機字節(jié)出現(xiàn)的，沒有明顯的結(jié)合方式，噪聲源可能產(chǎn)生任意字節(jié)的組合，所以研究在無線通信的過程中最好能通過一種協(xié)議能有效的抑制噪聲的產(chǎn)生。

    經(jīng)過比較選擇，采用了以下的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議格式：

    Radom 任意內(nèi)容的字節(jié)
    Data   位數(shù)據(jù)包字節(jié)
    Length 為數(shù)據(jù)包包含的Header字節(jié)之后的所有字節(jié)的長度
    Checksum 校驗和字節(jié)

    經(jīng)過測試和試驗,發(fā)現(xiàn)0xFF 后跟0XAA,0x55 在噪聲中不容易發(fā)生,所以設置傳輸協(xié)議在數(shù)據(jù)包前加開始字節(jié)0xFF 后跟0xAA,0x55發(fā)送。因為第一個字節(jié)的數(shù)椐在發(fā)送時容易丟失，所以在協(xié)議的開始加一個任意內(nèi)容的字節(jié),然后是0xFF 后跟一個0xAA,0x55;接收協(xié)議規(guī)定只接收以0xFF 后跟0xAA,0x55 開始的包.于是就可以很方便的把以上系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包格式定為以上格式。

2、傳輸頻率
    在無線通信系統(tǒng)中傳輸頻率也是至關重要的，在為劃分和合理使用頻率，國際電信聯(lián)盟（ＩＴＵ）將世界分為三個區(qū)，中國屬于第三區(qū)。ＩＴＵ對我國的業(yè)余業(yè)務頻率有專門的分列。而這里設定的頻段為227.00~223.00MHz，此為國家業(yè)余頻段，也就是說可以自由使用,當然如果希望長期專用，則需要申請頻譜許可證，專用該頻段。

    系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的遠距離傳輸是根據(jù)接受雙方的頻率來判斷是否接受的。所以需要編寫一定的程序完成頻率設置。如寫頻時，把DTR置低，指令格式為：D7H：FFH：AAH：AAH：AAH：BBH：BBH：BBH，AAH：AAH：AAH表示發(fā)射頻率，如229.100MHz表示為22H：91H：00H三字節(jié)，同理BBH：BBH：BBH表示接收頻率。而傳送數(shù)據(jù)時，DTR置高或懸空。

3、串行數(shù)據(jù)的傳送方式
    由于設計采用的是無線傳輸，所以當通過串行口將數(shù)據(jù)送到無線數(shù)傳模塊的時候需要考慮數(shù)據(jù)的傳輸格式。一般來說，通常我們發(fā)送的是字符或者數(shù)字，這時我們就需要在軟件中根據(jù)ASCII碼的規(guī)則將他們轉(zhuǎn)化為十六進制數(shù)形式，以字節(jié)方式傳送。同時也需考慮發(fā)送與接收串口之間的延遲。

三、串行口通信的軟件設計

    串行口是常用的計算機與外部串行設備之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，而Visual C++6.0是一種功能強大的可視化的面向?qū)ο蟮腤indows編程開發(fā)平臺，利用其進行串行通信方便易行，應用廣泛。通常情況下VC++中有三種實現(xiàn)串行通信的編程技術：1）利用控件MSComm實現(xiàn)串行通信：在對話框中創(chuàng)建通信控件 MSComm，這種方法簡單易用，但必須拿到對話框中使用，靈活性較差；2）多線程實現(xiàn)串行通信：在自定義的串行通信類中創(chuàng)建端口監(jiān)視線程，進行多線程控制，并在指定的事件發(fā)生時向相關的窗口發(fā)送通知消息。該方法實時性強，但是系統(tǒng)復雜；3）在單線程中建立自定義的通信類實現(xiàn)串行通信；利用VC++的MFC類庫實現(xiàn)。與控件方法相比，靈活性強，可按不同需要定制靈活的串口通信類來實現(xiàn)，同時也比多線程通信結(jié)構(gòu)簡單。

    結(jié)合本設計所采用的硬件的特點，以及實際的運行環(huán)境，最終選擇第三種方式完成串行口通信。

程序流程圖如下：

 
圖3  程序流程圖

    在程序中利用類CserialPort實現(xiàn)負責串口的配置，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t處理以及讀寫。結(jié)構(gòu)如下：


    其中配置串行口采用DCB結(jié)構(gòu)，BOOL ReadByte(char* buff) 和BOOL WriteByte(BYTE，int)函數(shù)為讀寫串行口，為了識別操作是否正確，利用BOOL bWriteRC, bReadRC設置成功標志。同時設定DWORD   iBytesWritten，iBytesRead確定字節(jié)的個數(shù)。在收發(fā)數(shù)據(jù)時需要監(jiān)測串行口是不是準備好，這時就可以檢測m_bPortReady的狀態(tài)。

    整個程序的編制也就相應的分為以下幾個部分：

    配置串口；配置數(shù)傳模塊；讀寫串行口；通信延時處理等。

四、總結(jié)

    環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有采樣數(shù)據(jù)量大，傳輸距離遠，以及環(huán)境條件差別大的特點，長期以來數(shù)據(jù)傳輸部分一直是人們關注的焦點。以往系統(tǒng)主要采用MODEM和電話機實現(xiàn)遠程通信，但由于電話線具有通信速度慢，質(zhì)量差的缺點，已不能滿足現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測的要求。這里應用無線數(shù)傳模塊完成遠程數(shù)據(jù)通信，不僅克服了這些缺點，而且大大改善了該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能。經(jīng)最終測試該系統(tǒng)不僅可以在條件惡劣干擾大的環(huán)境下進行遠距離傳輸，而且數(shù)據(jù)準確率高，傳輸速度快。可根據(jù)不同需要應用于電力、水利、石油、林業(yè)、勘探等領域。

參考文獻：
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