短距離無線通信技術分析

姜世明，陳周天，孟 琦，劉宏宇

（中國移動通信集團設計院有限公司 黑龍江分公司，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引 言

短距離無線通信技術的應用和推廣要基于市場需求和定位，配合技術標準建立對應的技術規范模式，并配合認證機制和互通測試環節，有效提高市場對于技術方案的認可度，維護無線通信工作的綜合水平。

1 短距離無線通信技術概述

近幾年，針對短距離無線通信技術的研究主要集中在藍牙技術標準、IEEE802.11、紅外技術標準以及ZigBee技術標準等方面。

1.1 藍牙技術

支持設備建立短距離通信，一般＜10 m，配合相應的設備建立無線信息交換。藍牙技術能有效建立數據和語言接入點，并且替代傳統的電線電纜，最大化提升固定中心信息傳遞的效率。具體技術參數如表1所示。

表1 藍牙技術基礎參數

1.2 IEEE802.11

IEEE802.11是實現無線網絡設備互聯的基礎公約類局域網標準。其中規定由DSSS、FHSS以及紅外技術構成基礎物理層，基礎頻段主要分為2.4GHz頻段和5GHz頻段。在技術應用過程中，會將RC4加密算法作為安全基礎，配合有限的密鑰管理，吞吐量為11 Mb/s和54 Mb/s。相較于藍牙技術，IEEE802.11的應用范圍擴大到室內100 m范圍、室外300 m范圍[1]。其最大的優勢就在于無需進行布線處理，有較高的靈活性和便捷性，加之產品的應用范圍廣泛，對應的成本價格適中，因此具有一定的推廣價值。

1.3 ZigBee技術

近幾年，作為低距離和低能耗的代表，ZigBee技術受到了廣泛關注，將其應用在自動化控制技術、傳感技術以及監控平臺中能大大提升地理定位的合理性與及時性，技術支持的結構主要分為數據鏈路層、網絡層以及應用編程接口，匹配市場和測試需求建立相應的技術模式。

1.4 紅外技術

紅外技術是一種基于紅外線建立的點對點通信技術方案，能被廣泛應用在小型移動設備中，最大的優勢就在于應用人員無需建立頻率使用權的申請機制，配合紅外通信模式就能滿足數據傳輸要求，更適宜應用在文件信息量較大與多媒體數據傳輸方面[2]。

2 短距離無線通信技術應用方案

在應用短距離無線通信技術建立對應運行系統的過程中，為了滿足無線數據傳輸系統的基本需求，就要匹配無線通信任務建立相應的模塊。本文以某企業井下作業使用短距離無線通信技術建立考勤定位管理為例，要結合模塊應用需求設置對應的物理層、數據鏈路層以及應用層，在滿足數據匯總的同時，還能有效發揮技術優勢，提高數據傳輸和數據發送的時效性。

2.1 整體框架

在設計工作中，要保證人員的相關信息都能借助標簽處理邏輯框架（圖1）完成信息的上傳，匯總到監控主機。

圖1 標簽邏輯框架

在通信過程中，標簽并不是單一化的信息接收和發送，而是要結合數據應用要求配合輸入/輸出匹配網絡建立復位模式，并結合微控制器完成nRF2401A振蕩回路的處理。另外在實際作業中分析了無線電波不同頻段衰減數據。其中，頻率為150 MHz，衰減為113 dB/km；頻率為47 MHz，衰減為9.8 dB/km；頻率為900 MHz，衰減為2 dB/km；頻率為1 700 MHz，衰減為1.6 dB/km；頻率為4 000 MHz，衰減為0.7 dB/km。結合數據值可知，以數據來看頻段越高衰減越小[3]。分析無線傳輸距離，保證綜合設計框架的合理性時使用的公式為：

式中，C為信道容量；B為信道寬帶；S為信號功率；N為噪聲功率。

2.2 軟件設計

在軟件設計工作中，要匹配不同的收發模式，結合數據低速送入后完成高速發射處理，能在節能的基礎上滿足發射應用要求和規范。本文將ShockBurst TM作為收發模式的代表，在基礎模式應用基礎上，按照自動處理字頭和校驗碼分析的方式，保證數據鏈路層能滿足命令數據幀的應用規范[4]。

2.2.1 讀卡器的工作流程

首先數據讀取進行初始化設置，收到上位機的實時性指令，且指令長度在3字節以上，其次進行集中的校驗分析，若是出現校驗錯誤或者是地址錯誤則重新校驗數據，再次讀取數據和標簽，最后向上位機發送獲取的基礎數據。

在整個應用流程中，單片機配合雙通道接收模塊就能維持綜合數據處理效果，確保頻率設定參數的合理性和規范性。單片機在USART查詢時就能了解串行數據，若是顯示0則繼續等待，若是顯示1則表示上位機系統已經接收信息并且將指令傳輸到對應單片機上。只有保證發射對應的命令字或者是數據，才能滿足標簽響應要求[5]。

2.2.2 標簽程序基本流程

在標簽應用過程中，初始化單片機和單通道模擬發射模式形成配合機制，有效進行頻率處理，具體流程如下。（1）初始化設置；（2）定時器延時設置；（3）時間到則進行單片機退出休眠處理，時間未到，則向讀卡器發送對應的數據請求，獲取讀卡器的相應命令；（4）在獲取命令后，分析命令字的情況。若是有按鍵要求，則尋找上位機，不成功則指示燈不停閃爍，成功則響應上位機指令后指示燈閃爍并在30 s停止。若是收到廣播指令或者是單片機命令指令，則相對應的數據信息情況要按照30 s接線方式完成工作；（5）進行電量的實時性檢測分析；（6）完成收發模式的轉換，單片機進入休眠狀態。

綜上所述，在軟件系統設計的過程中，要結合單片機平臺的特點，發揮短距離無線通信技術的優勢，提高無線數據傳輸系統運行的可靠性，并對讀卡器和標簽等功能模塊進行程序化的設計處理，維持綜合應用效果[6]。

2.3 硬件設計

在數據傳輸系統中，利用單片機控制程序設計環節提高信息處理效果。鑒于要維持特殊場合應用的可靠性標準，且滿足低能耗的具體要求，在軟件設計方面，要落實相匹配的選型工作。

將功耗參數、發射功率參數、接收靈敏度以及芯片成本等作為選擇依據，最終選取nRF2401A芯片。其由頻率合成器、功率從放大器以及晶振等共同組成，工作速率為1 Mb/s。無線收發芯片基于Chipon’s Smart RF技術，實現射頻發射、射頻接收以及FSK調制解調，配置10～20個頻點，才能更好地完成校準處理。

綜上所述，配合硬件設計，要充分提高核心芯片的應用效果，并選取匹配的電路設計模式，完成電路原理圖的分析，保證對應工序的最優化，發揮短距離無線通信技術的應用效果[7-10]。

3 短距離無線通信技術應用功能測試

在完成相應模塊分析工作后，就要結合技術要求和匹配的應用處理方案進行功能測試，確保能搭建更加合理的無線數據傳輸系統，從而維持通信的可靠性。

3.1 功能測試

結合系統功能的設計目標，測試標簽讀取功能和群呼標簽功能。

3.1.1 標簽數據功能測試

選取19個標簽，完成卡號輸入，按照16進制數完成標識數據的初步處理，并且保證相應的數據可以被讀卡器予以讀取分析。然后將對應的標簽放入讀卡器射頻技術應用范圍內，自動完成卡號無線傳輸，并集中歸納在總線上完成數據的保存，在完成緩沖區管理后等待上位機指令信息（圖2）。結合數據可知，無線數據傳輸系統的基礎通信和功能應用模式合理，并且大大減少了標簽之間的數據碰撞概率，能利用再次接收完成碰撞數據的回收。

圖2 讀卡器標簽基礎數據

3.1.2 讀卡器群呼功能測試

發送群呼指令，結合指示燈閃爍情況進行控制，30 s后自動停止，轉變為正常運行狀態，說明群呼功能有效。

3.2 距離測試

在室內和室外進行了通信測試對比分析。室內測試的距離為30 m時，傳輸15次，成功15次；測試距離為50 m時，傳輸15次，成功15次；測試距離為80 m時，傳輸15次，成功15次。室外測試的距離為30 m時，傳輸15次，成功15次；測試距離為70 m時，傳輸15次，成功13次；測試距離為100 m時，傳輸15次，成功7次。

結合相關數據可知，相較于室外，室內的成功率更高，因此數據傳輸設備在室內完成數據傳輸更加可靠和有效。主要是因為室外存在輻射效應和多徑效應等，都會在一定程度上影響其傳輸效果[8]。

4 結 論

短距離無線通信技術是順應時代發展趨勢的必然選擇，要想發揮其應用優勢，就要落實匹配的技術應用方案，完善硬件處理和軟件處理平臺，打造更加合理的接口模式，依據標準電路應用要求滿足低能耗環保標準，為通信技術可持續健康發展奠定堅實基礎。