短距离无线通信应用于控制系统

　　1.现状

　　工业应用中，现阶段基本上都是以有线的方式进行连接，实现各种控制功能。有线网络速度快，数据流量大，可靠性强，对于基本固定的设备来说无疑是比较理想的选择。

    随着射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速度也越来越快，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。而同时有线网络布线麻烦，线路故障难以检查，设备重新布局就要重新布线，且不能随意移动等缺点越发突出。在向往自由和希望随时随地进行通信的今天，人们把目光转向了无线通信方式。

　　2.几种无线通信方式的简介

　　生产和生活中的控制应用往往是限定到一定地域范围内，比如：主机设备和周边设备的互联互通，智能家居房间内的电器控制，餐厅或饭店内的无线点菜系统，厂房内生产设备的管理和监控等0～200米的范围内，本文着重探讨短距离无线通信实用技术，主要有：红外技术，蓝牙技术，802.11b无线局域网标准技术，微功率短距离无线通信技术，现简介如下：

　　2.1. 红外技术

　　红外通信技术采用人眼看不到的红外光传输信息，是使用广泛的无线技术，它利用红外光的通断表示计算机中的0-1逻辑，通常有效作用半径2米，发射角一般不超过20度，传统速度可达4 Mbit/s，1995年IrDA（InfraRed Data Association）将通信速率扩展到的高达16Mbit/s ，红外技术采用点到点的连接方式，具有方向性，数据传输干扰少，速度快，保密性强，价格便宜，因此广泛应用于各种遥控器，笔记本电脑，PDA，移动电话等移动设备，但红外技术只限于两台设备通讯，无法灵活构成网络，而且红外技术只是一种视距传输技术，传输数据时两个设备之间不能有阻挡物，有效距离小，且无法用于边移动边使用的设备。

　　2.2.蓝牙技术

　　蓝牙技术是一种短距离无线通信技术，它采用无线电射频技术实现设备之间的无线互连，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中各种数据和语音设备，通过无线方式将它们连成一个微微网（Piconet），多个微微网之间也可以形成分布式网络（Scatternet），从而方便，快速的实现各类设备之间的通信，蓝牙技术使用2.4GHz的ISM（Industry Science Medicine）频段，具有可操作性，传输率1MBit/s，当发射功率为1mW时，有效距离小于等于10米，适合于鼠标，键盘等短距离设备，当功率为100mW时，适合于移动电话，笔记本电脑等经常变动环境的设备。它采用跳频扩频FHSS（Frequency Hopping Spread Sprectrum）技术，具有非常可靠的数据和语音传输能力，蓝牙芯片尺寸小，功率低，其应用越来越广泛。但一个微微网同时连接的设备个数不能多8个，当多于8个时只能通过建立多个微微网，利用跨两个微微网的设备进行连接，会造成网速下降，蓝牙技术更强调设备之间的连接，而不是客户机与服务器之间的连接，并且蓝牙技术尚无国际标准，只有蓝牙利益集团制定的行业标准。

　　2.3 802.11b技术

　　IEEE（Institute of Electical and Electronics Engineers ）802.11b技术标准是无线局域网的国际标准，使用2.4GHz的ISM频段，802.11b协议主要工作在OSI（Open System Interconnect Reference Model）的物理层和数据链路层，其物理层支持5.5 MBit/s和11 MBit/s两种速度，采用直接序列扩普DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）技术进行调制解调增强了抗干扰能力，提高了传输速度，并使用动态速率漂移，数据传输速率可根据环境在11 MBit/s、5.5 MBit/s、2 MBit/s、1 MBit/s之间自动切换，有效通讯距离100－300米，802.11无线网络的优点是兼容性，只要在原有网络上装上AP，就可以提供无线网络服务，终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络资源，象使用有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。802.11b具有有线等价保密机制WEP（Wired Equivalent Privacy）确保数据安全。以其具有穿透能力，全方位传送，建网速度快，可用来组建大型无线网络，运营成本低，投资回报快等特点，正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐，目前此种设备还比较昂贵，妨碍了其推广和应用。

　　2.4 微功率短距离无线通信技术

　　它一般使用数字信号单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，一般射频芯片采用FSK调制方式，工作于ISM频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能，因其功率小，开发简单快速而应用广泛，但数据传输速度、流量都较小较适合搭建小型网络。在工业，民用领域使用较广。

　　各种短距离无线通信技术主要性能列表比较如下：

 

    3.四种短距离无线通信

　　短距离无线通信泛指在较小的区域内（数百米）提供无线通信的技术，目前常见的技术大致有802.11系列无线局域网、蓝牙、HomeRF和红外传输技术。

　　IEEE802.11系列这是IEEE（Institute　for　Electrical　and　Electronic　Engineers电气和电子工程师协会）制定的无线局域网标准，用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线数据业务接入。目前为常见的是802.11b无线局域网，它使用开放的2.4GHZ微波频段，速率为11Mbps；在恶劣环境下，可动态切换到较低的速率上以保证通信。在办公环境下作用范围约100米，在室外可以达到300米。另一种802.11a无线局域网工作在5G的频段上，速率可达到54Mbps，但设备昂贵，应用较少。

　　蓝牙（Bluetooth）技术　在1998年，由爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司五家厂商提出。蓝牙是一种开放性的短距无线通信技术标准，它主要应用于移动设备间的小范围连接，因而本质上是一种代替线缆的技术。蓝牙也使用2.4G频段，采用快跳频技术进行通信，因而具有较高的抗干扰能力和安全性能。蓝牙技术可以支持数据和语音传输，速率为1Mbps，其作用范围视微波发射功率而定：0dbm的功率的作用距离为10米，20dbm的功率作用距离为100米。与802.11系列局域网的组网方式不同，蓝牙技术支持一种灵活的组网方式。即通过无线方式将若干蓝牙设备组织成微微网（pico—net），多个微微网之间又可以互连成为分散网（Scatter－net）。同时，蓝牙也是能够嵌入在手机中的短距离全向射频通信技术。

　　HomeRF技术　这是由HomeRF工作组开发的，目标是在家庭范围内，实现计算机与其他设备间的无线通信，HomeRF是IEEE802.11与DECT的结合，作用距离为100米，传输速率为1～2Mbps，支持流媒体传输，在抗干扰能力上略有不足。然而HomeRF技术没有公开，目前仅有为数很少的企业支持，因此应用前景并不广泛。

　　IrDA　这是利用红外线进行点到点视距传输的技术，它是在1993年由红外线数据标准协会制订的。目前IrDA的传送速率为16Mbps，接收角度120度。红外传输设备体积小，功耗低，技术成熟，进入市场早，价格便宜，应用广泛。但IrDA的缺点是只能进行视距传输，即通信设备中间不能存在阻挡物，从而把IrDA应用限制在特定领域之内。

　　每种技术都有其适应对象，同时每种技术也都在不断适应新的用户需求。可以预见，这些短距离技术的发展必将更好地服务于人们的工作和生活，使通信变得更为便捷。

    4.实例方案

　　我们在做课题和科研的过程中，需要建立一个在一定范围中使用的小型无线网络通信系统，对分立各处的设备进行管理和监控，实时性要求不严格，数据流量小于10kbit/s，要求主控台能够对分立各处的设备终端发送指令、监控设备状态，而各终端可向主控台请求数据。

    综合考虑通信距离，成本，开发难易程度等各方面的因素我们选择微功率短距离无线通信技术，北京某公司开发的无线通信模块（分为主站模块和从站模块），工作于ISM433MHz频段，共分为11个信道，初始化时可由软件设定，工作方式为主站轮询，从站监听，采用透明的无线传输协议，无线通信的握手连接，发送确认，数据校验，有错重发都由模块自动完成，接线方式采用3线制，无硬件流控。它使用方便，易组成小型无线通信网络。

　　我们建立了如上图所示通信系统模型，含有主站模块的PC机作为服务器，含有从站模块的设备组成终端，多个终端和服务器就构成了点对多点的无线通信系统，服务器和终端都拥有标识自己身份的本机地址，任一终端都可与服务器之间进行双向通信。所有的无线终端共用同一频道，为了避免同频干扰的问题，系统采用时分复用TDMA（Time Diveision Multiple Access）技术，把服务器端与任意一台无线终端之间的通信采用时分的方式分开，服务器端通过扫描的方式与各台无线终端设备进行单台通信，在特定的时刻系统中只有一台终端和服务器通信，这样服务器端与无线终端的通信方式就成为点对点的通信方式。整个点对多点系统的通信就分解成为若干个点对点通信的组合。试验中我们选用带有标准RS232串行接口的无线模块，用1台PC作为服务器与主模块相连，3台PC作为终端分别与从模块相连，构成简易点对多点的无线通信系统。PC与无线模块通信的基本协议格式为：

    数据传给无线模块后，当需要无线传输时由模块自动对数据进行按无线数据协议进行打包发送等操作。串行口实际发送时按字符一个一个的发送和接收，在VC++6.0环境下，关于串口通信的程序和处理方法采用winAPI实现，比较常见不再叙述，服务器端主要功能程序段如下：

　　终端设备程序与此类似，不再赘述。终端设备可为任何便携设备，分立设备。

　　5.结论

　　试验证明此种通信方式能够较好的满足实际需要，取得比较满意的试验效果。反应速度基本能够满足要求，但在存在强电磁污染的环境中，会出现乱码和错码，使用中要尽量消除强电磁干扰，改进无线模块和主控台程序来消除干扰影响，定能达到比较满意的效果。