串口轉(zhuǎn)WIFI技術(shù)在煙草企業(yè)成品出庫掃碼中的應(yīng)用研究

崔江波 孟祥婷 羅賽

摘要：在卷煙企業(yè)成品出庫掃碼環(huán)節(jié)，掃碼器與計算機之間通常采用串口通訊，串口通訊是有線傳輸，存在傳輸距離短，可移動性和擴展性差、后期運行成本和擴充成本高、故障查找難度大等缺點。為了改變卷煙企業(yè)成品出庫掃碼通訊系統(tǒng)的現(xiàn)狀，本文采用一種基于串口轉(zhuǎn)WIFI數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，應(yīng)用于卷煙企業(yè)成品出庫掃碼通訊環(huán)節(jié)，從而使串口通訊擺脫了線纜的束縛，簡化了通訊設(shè)備工藝布局，提高出庫設(shè)備的技術(shù)先進性和適用性，并且有效解決了有線通訊中的缺點，增強了出庫掃碼通訊系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高了成品出庫效率。

關(guān)鍵詞：串口轉(zhuǎn)WIFI技術(shù);通訊協(xié)議;透明傳輸通訊;虛擬串口

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）23-0018-04

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

1 引言

物流體系是中國煙草持續(xù)健康發(fā)展的重要支撐和堅強保障，物流工作隨著卷煙市場化不斷深入開展，從業(yè)務(wù)本身也提出了進一步的要求，概括地說，提高物流對資源的調(diào)控能力，因此精細化管理成為物流行業(yè)的必然選擇。各卷煙企業(yè)把提升物流管理水平、提高物流服務(wù)質(zhì)量、降低物流成本、提高物流運行效率作為企業(yè)生存與發(fā)展的首要目標。本文的研究就是在這種大背景下產(chǎn)生的，在卷煙企業(yè)成品出庫掃碼環(huán)節(jié)，計算機通常需要與掃描器建立通訊來接收掃描數(shù)據(jù)以及對掃描器進行控制。掃描器的通訊接口為串口，串口通訊的傳輸介質(zhì)是有線電纜，雖然有線傳輸能適應(yīng)絕大多數(shù)的工業(yè)環(huán)境，但在一些特殊環(huán)境中（布線困難、溫度低等），有線傳輸由于其自身的缺陷將無法適應(yīng)。為了改善傳統(tǒng)出庫掃碼通訊系統(tǒng)的弊端，在研究和分析當今最新通訊技術(shù)及信號轉(zhuǎn)換技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于串口轉(zhuǎn)WIFI數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可實現(xiàn)成品出庫掃碼的無線通訊。

2 基于串口轉(zhuǎn)WIFI技術(shù)的卷煙成品出庫掃碼無線通訊系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 卷煙成品出庫掃碼無線通訊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

卷煙成品出庫掃碼無線通訊系統(tǒng)布局采用分級式結(jié)構(gòu)，共分兩層，上層為下達指令與數(shù)據(jù)接收層，配有出庫終端，負責向掃描器下達掃描指令并監(jiān)控和回收掃描數(shù)據(jù)，并向上一級的管理機回傳已掃描的單據(jù);下層為數(shù)據(jù)采集層，配有掃描器和串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備，掃描器負責掃一號工程碼，串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備負責將掃描器的串口接口轉(zhuǎn)換成能進行無線通訊的網(wǎng)絡(luò)接口，通過串口轉(zhuǎn)WiFi設(shè)備將掃描器的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)，掃描器與串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備之間為串口有線連接。

2.2 無線通信技術(shù)標準的選擇

目前無線通信技術(shù)標準主要有依靠移動通信網(wǎng)絡(luò)的GSM、GPRS以及新興的3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也有短距離的自行組網(wǎng)的小型無線局域網(wǎng)技術(shù)如藍牙、ZigBee、WIFI技術(shù)等。因此無線通信技術(shù)標準根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境、可靠性、開發(fā)周期、運行成本等因素有很多種選擇，本文設(shè)計的卷煙成品出庫掃碼無線通訊系統(tǒng)，作業(yè)的有效空間大小為20米*20米范圍，屬于短距離通訊，且從運行成本和性能要求上綜合考慮，適合構(gòu)建短距離通訊的小型無線局域網(wǎng)。以下為短距離通訊技術(shù)標準：藍牙技術(shù)、無線局域網(wǎng)WiFj技術(shù)、ZigBee技術(shù)對照明細表。

在卷煙成品出庫掃碼通訊系統(tǒng)中需要的傳輸技術(shù)必須考慮以下幾點：

（1）需要傳輸速度高，保證數(shù)據(jù)傳輸時響應(yīng)迅速，三個協(xié)議中無線WIFI協(xié)議的傳輸速率最高為54Mbps;

（2）傳輸距離至少30M以內(nèi)，以此來滿足掃描設(shè)備布置的靈活性要求，從表中介紹的幾種技術(shù)來看，WIFI技術(shù)的傳輸距離比ZIGBEE技術(shù)、藍牙技術(shù)具有更大的優(yōu)勢;

（3）安全性要保證，三個技術(shù)協(xié)議中無線WIFI協(xié)議安全認證標準為WPA2，安全性最高;

（4）實際要求構(gòu)建小型無線局域網(wǎng)，只有無線WIFI協(xié)議符合要求可以構(gòu)建。

因此卷煙成品出庫掃碼通訊系統(tǒng)采用無線WIFI協(xié)議構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。無線WIFI協(xié)議又稱802.11標準，使用的頻段有2.4GHz和5GHz兩個頻段，無線WIFI協(xié)議在2.4GHZ頻段穿透能力最強，不易受阻礙，信號傳播距離最遠，因此本次設(shè)計選用穿墻能力強的2.4GHz頻段。

2.3 無線局域網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

無線通信從拓撲結(jié)構(gòu)上可分為自組網(wǎng)和基礎(chǔ)網(wǎng)，自組網(wǎng)也稱STA組網(wǎng)模式，STA是站點，無線通信網(wǎng)絡(luò)中每一個的終端（如手機、筆記本、掌上電腦PDA等）都可以稱作是一個站點，網(wǎng)絡(luò)中所有站點的地位是平等的，無須設(shè)置任何的中心控制結(jié)點。基礎(chǔ)網(wǎng)也稱AP組網(wǎng)模式， AP是一個網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者，處于網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中所有的通信都要通過AP來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。出庫掃碼實際工作需要一臺出庫終端控制兩個或更多個掃碼器，STA模式只能一對一進行通訊，不能進行一對多通訊;AP模式可以做到一對一或一對多通訊，因此本次設(shè)計的卷煙出庫掃碼無線通訊系統(tǒng)，采用AP組網(wǎng)模式。

無線網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備可以分為三類 ：數(shù)據(jù)接入節(jié)點AP、終端節(jié)點ED、擴展節(jié)點RE。這三種設(shè)備是以各自在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)的功能來劃分的。

（1）數(shù)據(jù)接入節(jié)點AP是網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心，負責向網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)和接收來自每個節(jié)點的數(shù)據(jù)。本次設(shè)計配置的硬件設(shè)備為路由器;

（2）終端節(jié)點ED是具有執(zhí)行功能的控制節(jié)點。配置的設(shè)備有出庫終端串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備、掃碼器;

（3）擴展節(jié)點RE是一個長期持續(xù)工作的節(jié)點，在網(wǎng)絡(luò)中擔當擴展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的任務(wù)，它的實際工作就是轉(zhuǎn)發(fā)信息。配置的設(shè)備為無線中繼，本次設(shè)計中由于出庫終端與掃描設(shè)備距離短，只設(shè)置1個擴展節(jié)點。

無線路由器作為網(wǎng)絡(luò)的總控中心AP，出庫終端、串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備和掃碼器作為STA。通過路由器這個橋梁，出庫終端與串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備和掃碼器之間形成一個完整的小型無線局域網(wǎng)絡(luò)，從而達到控制和數(shù)據(jù)交互的目的。以下為由ED、RE、AP設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖。

2.4 卷煙成品出庫掃碼無線通訊系統(tǒng)主要流程設(shè)計

卷煙成品出庫掃碼無線流程分兩步來進行，第一步為下達掃碼指令段，這段流程為出庫掃碼通訊流程最開始段，只執(zhí)行一次。即操作人員通過出庫終端對掃碼器下達掃碼指令，指令通過路由器傳遞給串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備，串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備內(nèi)部將TCP/IP指令轉(zhuǎn)換成串口指令，并傳遞給掃碼器執(zhí)行;第二步為回收掃碼數(shù)據(jù)段，即掃碼器掃描一號工程碼，通過串口將掃碼數(shù)據(jù)傳遞給串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備，串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備內(nèi)部將掃碼串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)，并經(jīng)由路由器傳遞給出庫終端。完成所有掃描單據(jù)后，操作人員將掃描單據(jù)上傳至一級的管理機，這樣在廠內(nèi)掃碼通訊流程結(jié)束。

3 串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備的設(shè)計

3.1 串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備功能設(shè)計

串口轉(zhuǎn)WIFI技術(shù)能夠使串口設(shè)備具有TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口的功能，并在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議下傳送數(shù)據(jù)，因此設(shè)計串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備時，要求串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備至少具備三個接口：一個與掃碼器通訊的串口接口、一個具有TCP/IP通訊功能的TCP/IP接口、一個電源供電接口，按照實際使用的需求合理地選擇各組成部分是設(shè)計串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備的關(guān)鍵，因此最終確定串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備由4部分功能模塊組成：串口模塊、處理器模塊、無線通訊模塊和電源模塊，其組成結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

串口模塊是負責接收掃碼器掃描的串口數(shù)據(jù)，并傳遞給處理器模塊，或者將處理器模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)傳給掃碼器;處理器模塊負責數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)，或?qū)CP/IP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù);無線通訊模塊負責將處理器模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去，或者將TCP/IP數(shù)據(jù)發(fā)送給處理器模塊，要求支持 802.11b/g/n 無線標準，頻段范圍2.412GHz-2.484GHz;電源模塊采用DC5V 供電，電源輸入具有 TVS 保護功能。

3.2 串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備接口設(shè)計

市面上的串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備有兩種：內(nèi)置式和外置式，內(nèi)置式的串口接口為TTL針式接口;外置式的串口接口為九針口或接線端子，實際使用的掃描器接線盒內(nèi)有兩個串口接口：一個是副口為九針母口，另一個是主口為接線端子，沒有TTL針式接口，因此本次設(shè)計采用外置式串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備。

串口模塊的串口接口協(xié)議主要有RS232和RS485兩種，為了維護方便，且與掃描器接線盒內(nèi)副口的接口協(xié)議保持一致，設(shè)計中采用RS232串口協(xié)議。接口樣式有兩種：九針串口與接線端子，為了減少維修和重新安裝時接線的麻煩，本次設(shè)計采用九針串口，數(shù)量取1個，保持串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備體積最小和功耗最低，串口引腳與掃描器接線盒的串口保持一致，主要為三根線TX/RX/GND，其余懸空。

電源模塊的供電接口有兩種樣式：適配器和接線端子，本次設(shè)計采用兩種接口，保證最大限度地適應(yīng)外界供電環(huán)境接口，適配器支持5.5*2.1 標準電源接口，接線端子支持一進一出接線端子供電方式。

無線模塊的外接口為外接天線，選用3dbi 天線，連接方式為SMA外螺內(nèi)孔，具體接口框圖如圖5所示：

3.3 串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備的工作模式設(shè)計

串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備可工作于SOCKET通訊模式或命令模式。在SOCKET模式下，串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備可工作在透明傳輸、串口指令、HTTPD CLIENT、WEBSOCKET四種通訊模式下，可實現(xiàn)同步/異步收發(fā)傳輸器UART（UNIVERSAL ASYNCHRONOUS RECEIVER/TRANSMITTE）與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。在命令模式中，可使用AT（ATTENTION）命令對串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備進行UARTD的設(shè)置。本次設(shè)計采用SOCKET模式下的透明傳輸通訊模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。透傳的通訊模式是無論傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是什么，不會對其進行任何處理，只負責將需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)正確的傳輸?shù)侥康墓?jié)點，與交換網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)、解調(diào)方式、傳輸方式和通訊協(xié)議無關(guān)。當串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備UART接口寫入數(shù)據(jù)時，會自動向Socket轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);而串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備通過Socket接收的數(shù)據(jù)，都將通過UART接口發(fā)送出去。SOCKE有四種工作方式包括：TCP SERVER、TCP CLIENT、UDP SERVER、UDP CLIENT四種方式，從數(shù)據(jù)傳輸安全性考慮，TCP更具有優(yōu)越性，在傳送數(shù)據(jù)時，UDP管發(fā)不管到，而TCP管發(fā)也管到。成品出庫掃碼通訊系統(tǒng)需要出庫終端控制多個掃碼器，出庫終端相當于服務(wù)器，掃碼器相當客戶端，因此串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備工作模式采用TCP CLIENT方式。具體如下圖：

4 卷煙成品出庫掃碼無線通訊系統(tǒng)的實現(xiàn)過程

4.1 卷煙成品出庫掃碼無線通訊系統(tǒng)軟件通訊的實現(xiàn)過程

用于卷煙成品出庫掃碼通訊的軟件有：一號工程出庫掃碼管理軟件、掃碼設(shè)備調(diào)試軟件。其中一號工程出庫掃碼管理軟件屬于遠程設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控與控制系統(tǒng)，掃描設(shè)備調(diào)試軟件屬于對掃碼器進行初始化配置和調(diào)試軟件，這兩款軟件不屬于本文研究的內(nèi)容，我們只需要了解這兩款軟件與掃碼設(shè)備間進行的數(shù)據(jù)通訊方式即可，兩者的通訊方式為串口有線通訊，只能收發(fā)和控制串口數(shù)據(jù)。本節(jié)的重點研究的是如何在兩款軟件不做二次開發(fā)的情況下實現(xiàn)串口無線通訊，即收發(fā)和控制TCP/IP數(shù)據(jù)。這里引入了虛擬串口軟件，通過虛擬串口軟件可將TCP/IP連接、UDP廣播，映射成本機虛擬串口，應(yīng)用軟件通過訪問虛擬串口，對外可以完成遠程控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｌ摂M串口軟件成為應(yīng)用軟件與遠程設(shè)備進行TCP/IP通訊的橋梁。

串口應(yīng)用軟件在無線通訊系統(tǒng)中實現(xiàn)過程： 串口應(yīng)用軟件向內(nèi)部的虛擬串口發(fā)送指令，內(nèi)部的虛擬串口將該串口指令轉(zhuǎn)換成TCP/IP指令，通過出庫終端的物理網(wǎng)口將指令傳遞給路由器;由路由器傳輸?shù)腡CP/IP指令到達出庫終端的物理網(wǎng)口，由物理網(wǎng)口傳遞到內(nèi)部虛擬串口，內(nèi)部的虛擬串口將該TCP/IP指令轉(zhuǎn)換成串口指令，發(fā)送給串口應(yīng)用軟件。

4.2 卷煙成品出庫掃碼無線通訊系統(tǒng)硬件通訊的實現(xiàn)過程

出庫終端（ED）、路由器（AP）、掃描器和串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備（ED），首先上電初始化，初始化后，出庫終端、串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備向路由器發(fā)出請求入網(wǎng)幀，路由器接收出庫終端、串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備發(fā)出的入網(wǎng)請求幀，并分配連接標識、端口號給新入網(wǎng)設(shè)備。出庫終端向要連接的串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備發(fā)出廣播連接幀并進入等待連接，對端的串口轉(zhuǎn)WIFI設(shè)備處于監(jiān)聽狀態(tài)，在接收到廣播請求連接幀后給出響應(yīng)幀建立連接，連接建立后便可以開始數(shù)據(jù)雙向傳輸。

5 全文總結(jié)

本文針對卷煙企業(yè)成品出庫掃碼通訊現(xiàn)狀和發(fā)展要求，提出并實現(xiàn)了一種基于串口轉(zhuǎn)WIFI技術(shù)的卷煙成品出庫掃碼無線通訊系統(tǒng)設(shè)計方案。本方案將串口轉(zhuǎn)WIFI技術(shù)應(yīng)用到卷煙成品出庫掃碼通訊中，實現(xiàn)了串口設(shè)備之間具備無線通訊的能力的要求，串口設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊再也不受位置和線纜的束縛，可移動性較好、交互性更強，建設(shè)成本和后期運行成本較低，可靠性高，且具有良好的拓展性和通用性。

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