如何实现计算机之间的无线数据传输

引言

随着我国信息化进程的全面推进，各行业对信息化也提出了较高的要求。对传输信息化的认识也从单纯的数字化提升到数字化与网络化、无线化相统一的高度。针对目前的信息化要求，原有的有线传输系统虽可完成数字化与网络化，但复杂的布线、高昂的维护成本都使得网络节点的分布范围受到了很大的限制，这在很大程度上阻碍了数据传输信息化的深入和普及。移动监测系统可以很好的解决上述问题，移动监测系统一般由数据采集设备、终端管理计算机、监控中心组成，它可将数据采集设备安装于可移动载体，从而将现场采集到的数据经终端管理计算机处理后，通过无线数据传输通道传送到监控中心，以便监控中心随时了解现场的状况，从而实现远程无线移动监测。考虑到实际应用的需要，本文设计了一种基于CDMA或GPRS的网络数据传输系统。该系统可根据传输要求的不同更换相应模块，从而完成更多功能。

1 无线数据传输方式

目前，移动无线数据传输的方法主要包括GSM短消息、CDMA、GPRS和其它方式（如wifi、红外、蓝牙、ZigBee等），他们各自具有的特点如下所示：

GSM（Global System of Mobile communication，全球移动通信系统全球移动通信系统）短消息传输用的是信令信道，采用存储转发的方式，传输延时不固定，具体视当前的短消息业务使用情况而定。该方式的最为主要的缺点是数据传输速率低、具有延迟性且时间不定。

CDMA （Code Division Multiple Access）又称码分多址，是一种无线通讯技术，系统可为每个用户分配各自特定的地址码。地址码之间具有相互准正交性，从而在时间、空间和频率上都可以重叠。CDMA 1X的理论传输速率可达300 kbps，目前的实际传输速率大约在100 kbps左右，并可支持移动IP业务，可用于Intemet连接、数据传输等。CDMA允许所有使用者同时使用全部频带（1.2288Mhz），且把其他使用者发出讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞 （collision） 问题。CDMA中所提供语音编码技术，通话品质比目前GSM好，且可把用户对话时周围环境噪音降低，使通话更清晰。就安全性能而言，CDMA不但有良好的认证体制，更因其传输特性，用码来区分用户，防止被人盗听的能力大大增强。 Wideband CDMA（WCDMA）宽带码分多址传输技术，为IMT-2000的重要基础技术，将是第三代数字无线通信系统标准之一。

GPRS （General Packet Radio Service）是通用分组无线业务的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。它经常被描述成“2.5G”，也就是说，这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。GPRS采用分组交换技术。可高效传输高速或低速数据和信令，GPRS的理论传输速率可达171.2 kbps，实际传输速率大约在40 kbps。

蓝牙技术是1994年由爱立信公司首先提出的一种短距离通信技术规范，它采用Ad hoc方式工作，可以在网络中实现路由选择功能。蓝牙标准主要定义的是底层协议，也定义了一些高层协议和接口，具体包括核心协议、蓝牙电缆替代协议RFCOMM、电话传送控制协议、与Internet应用相关的一些高层协议等。蓝牙是一种尖端的开放式无线通信标准，能够在10m的范围内无线连接桌面型电脑、PDA便携设备等。蓝牙技术实际上是一种短距离的无线通信技术，是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范。蓝牙系统一般由无线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议栈）单元4个功能单元组成。蓝牙的传输距离为10 cm～10 m，如果增加功率或者是加上某些外设，则可达到100 m的传输距离。它采用2.4 GHzISM频段和调频、跳频技术，使用权向纠错编码、ARQ、IDD和基带协议。

ZigBee无线通信技术是最近几年涌现的一项热门，目前全球已有350多家国际知名企业加入ZigBee联盟组织，以推广ZigBee技术，使其成为领先的无线网络、传感、控制标准并在全球范围内应用于消费电子、能源、家庭、商业和工业等各个领域［24］。ZigBee的基础是IEEE 802.15.4标准，这是IEEE无线个人局域网（PAN， personal area network）工作组的一项标准。ZigBee网络类似移动通信网络的CDMA或GSM网，一个ZigBee网络理论上最多可支持65535个ZigBee节点，节点间的通信距离可以从75m开展到数百米甚至几公里。ZigBee是一组基于IEEE批准的802.15.4无线标准研制开发的、有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。它的有效覆盖范围是10～75 m。当网络速率降低到28 kbps时，传输范围甚至可以扩大到134 m，因而具有更高的可靠性。

本文采用的是高性能的飞利浦公司的微处理器LPC2210，LPC2210是基于一个支持实时仿真和嵌入跟踪的32/16位ARM7TDMI-S CPU。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。

LPC2210可以广泛应用在工业、民用无线数据传输领域，特别适用于一些难于布线的地区和边远地区。设计采用的CDMA无线数据传输模块采用华为EM200，并通过标准RS232接口与处理器相连。本文介绍的是如何传送用户数据信息。实际上，用户数据信息只是整个信息传输管理系统的一个应用，通过更换不同的数据源模块可实现不同的信息传输，从而构成不同的信息传输管理系统，如远程抄表系统、水文数据采集系统等等。

2 组网方案

M2M（Machine to Machine）是通过移动通讯对设备进行有效控制，从而将商务的边界大幅度扩展或创造出较传统方式更高效率的经营方式亦或创造出完全不同于传统方式的全新服务。M2M以设备通讯控制为核心，将原来低效率或甚至不可能的信息传输应用于商业中以获得更强的竞争力。M2M的商务模式目前应用方兴未艾，主要有移动物流管理（M-logistic management）、移动支付（M-POS）、移动监控（M-monitoring）等。

M2M（机器到机器）数据传输方式目前在多个行业中都有着广泛的应用，它可通过数据采集终端对分布于各地的数据进行采集，并将采集到的数据通过通用接口链接到CDMA无线传输模块，再通过它对数据进行透明传输，将相应数据发送到相应的数据中心。图1所示是基于CDMA的移动无线数据传输系统的结构原理图。无线数据传输系统与用户的数据中心之间一般可通过TCP／UDP建立数据连接。用户的数据中心作为通信的服务端，具有公用的固定IP，并指定侦听端口。无线数据传输系统中的数据传输模块可设定为上电自动拨号，如果无线数据传输系统与用户的数据中心之间采用TCP协议传输数据，则自动与服务器建立TCP连接。

3 无线数传终端的硬件组成

无线数传终端的硬件部分主要包括ARM CPU控制模块LPC2210、CDMA Modem模块及电源三部分，其硬件连接关系和结构框图如图2所示。

LPC2210是Philips公司的一款16／32位ARM7TDMI-S CPU微控制器。它是基于ARM通用体系结构的RISC微处理器，具有低成本、低功耗、高性能等优点。通常通过RS232／485口接收到用户数据并将数据打成IP包后，可利用EM200模块接入CDMA网络，然后通过各种网关和路由将数据发送到外部网络或者数据处理中心。嵌入式CPU芯片是整个数据采集终端的核心部分，它不仅要能支持嵌入式操作系统，而且要提供Modem接口用于对CDMA的控制；EM200模块主要完成无线上网功能，它可通过RS232接口与ARM CPU的Modem接口进行连接，以完成对模块的控制（比如拨号和切换模式等）。一旦通过模块连接上Internet，那么，采集到的数据就可以用TCP／IP传输方式发送到任意一个具有公网IP地址的主机上去，从而实现数据的无线传输。

3.1 UIM卡接口设计

EM200型CDMA无线数据传输模块集成有符合IS07816-3标准的UIM卡接口，通过PCB的走线可以连接到模块B2B连接器上。从而为外部UIM卡座提供UIM卡接口信号。EM200型CDMA无线数据传输模块可支持并能够自动检测3.0V和1.8V的UIM卡，本设计用到的是3.0V的UIM卡。表1所列是系统连接器上的UIM卡针的接口定义。

在射频系统的设计中，EMC是一个必须考虑的问题。考虑到EMC（Electromagnetic Compatibility电磁兼容性）的要求，在设计中可将UIM卡座尽量设计到离EM200无线数据传输模块接口较近的位置，这样可以避免因为走线过长而引起的波形变形，降低对信号通信和数据传输的影响。在实际设计中，可在UIM-VCC和UIM-GND之间并联一个0．1μF的电容，并在UIM-CLK、UIM-IO、UIM-RST与UIM-GND之间并联一个33p的电容，这样可以滤除射频信号的干扰。同时应在UIMCL-K、UIM-IO、UIM-RST走线上串联33Ω的电阻。UIM与EM200模块的接口电路连接关系图如图3所示。

3．2 系统音频部分设计

EM200模块提供有完整的音频接口，设计时只需要增加少量外围辅助元器件即可。音频分为主通道和辅助通道两部分。此外，为了音频信号传输的可靠性，音频设计也应该尽量远离模块的射频部分，以降低射频对于音频的干扰。由于第一路音频输入输出通道（MICI-P、MICI-N；EARl-P、EARl-N）全部为差分信号，所以在具体的PCB布线时，必须满足差分信号（差分信号是用一个数值来表示两个物理量之间的差异）走线的要求，并且走线要尽可能的短，以避免射频信号对音频产生干扰。如果仅使用一路音频通道，那么，最好使用第一路主音频通道。其主音频输入输出通道的设计电路如图4所示。

3．3 系统状态指示灯设计

由于无线通信过程看不见摸不着，这在某种程度上加大了程序调试的难度，为了更直观的了解无线数据传输系统的工作状态。本系统设计了由EM200 CDMA无线数据传输模块LPG管脚控制的LED灯来作为指示网络状态的标志。并通过转台指示灯闪烁模式的不同来表示不同的网络状态。实际设计中，由于LPG管脚的驱动能力有限，不足与直接驱动LED，因此需要加一级三极管放大电路，具体的状态指示灯电路如图5所示。

4 移动终端软件设计

本系统的软件由上位机和下位机软件、服务器应用界面和数据库三部分构成，下位机软件负责ARM微控制器与CDMA模块之间的串口通信，其程序流程图如图6所示。

要使得无线数据传输系统能够正确的传送数据，就必须顺利接入网络。无线数据传输系统需要登陆CDMA网络并与PDSN网关通过LCP、PA-P、IPCP协议进行协商。其中LCP、PAP和IPCP协议的帧结构大同小异，最常用的是请求REQ、响应ACK和拒绝NAK三种帧。LPC2210微控制器与PDSN各为一方进行协商，任何一方都可以发送REQ帧来请求某方面的配置，另一方认为不能接受配置，则会回应NAK帧；如果可以接受，则回应ACK帧。

5 结束语

根据近年来监控系统、CDMA数据通信技术的发展趋势，本文介绍了一种移动终端在计算机之间进行无线数据传输的实现方法。在此基础上，如果在监控端建立数据接收软件和数据库，以用来接收来自CDMA网络的数据并存储，以备查询，则可以方便地实现数据的实施传输和历史查询。而如果用ARM控制器直接读取监控器或传感器的数据以完成数据采集，则可以实现数据的采集和无线传输控制。目前，该系统已经在出租、气象、公安、运输、水利等方面具有广泛的应用。