SR繭質智能測試機無線通信的選擇

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1無線通信技術分析

無線通信（WirelessCommunication），是一種信息交換的通信方式，它利用電磁波信號在自由空間中的傳播特性來實現信息交換。近年來，在信息通信領域中，無線通信技術以十分迅猛的速度不斷發展，應用范圍越來越廣［2］。常用的無線傳輸技術有WIFI、Zig－bee、藍牙（Bluetooth）、NFC近場通信和3G、4G通信網等。WIFI，全稱WirelessFidelity，是一種短程無線傳輸技術，能夠在數百米范圍內支持互聯網接入無線電信號。WIFI技術采用直接序列擴頻技術，傳輸速度非常快；WIFI覆蓋范圍廣，覆蓋半徑在150m左右，通過中繼能實現更長距離的通信。WIFI還具有易擴展、傳輸可靠、組網便捷、輻射小等特點。但WIFI也存在信號穩定性差、功耗大、安全性差等缺點。藍牙（Bluetooth）是無線數據和語音傳輸的開放式標準，它能將各種通訊設備、計算機及終端設備、數字數據系統、家用電器等采用無線方式連接起來［3］。藍牙通訊安全性好，傳輸速度較快。藍牙4．0最高速度可達到24Mbps，傳輸距離一般在10m以內，功耗低，具有很好的抗干擾能力。藍牙模塊體積很小，便于集成，可以應用于極微小的設備中，同時可傳輸語音和數據，且成本較低。ZigBee技術是一種雙向微功率網格式無線接入技術，具有結構簡單、低功耗、低成本、工作可靠、安全性好、低復雜度、自組織網和自愈能力強等特點。ZigBee技術支持地理定位功能，它工作于無須注冊的2．4GHzISM頻段，傳輸速率為250kbps，傳輸距離可以從標準的75m，到擴展后的幾百米，甚至幾千米［4］，并且支持無限擴展，適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個節點工作6～24個月。NFC近場通信（NearFieldCommunication）是一種短距離的高頻無線通信技術，允許電子設備之間進行非接觸式點對點數據傳輸交換數據（在10cm內）。其安全性高，成本低廉，方便易用，帶寬高，能耗低，數據傳輸速率為424kbps。3G、G通信網是指支持高速數據傳輸的蜂窩移動通訊技術的第3代、第4代移動通信技術的線路和設備鋪設而成的通信網絡。3G、4G通信網安全性高，實時在線，即用戶可隨時與網絡保持聯系，用戶可以一直在線，按照用戶接收和發送數據包的數量來收取費用，在沒有數據流量傳遞時，用戶即使掛在網上，也不收費。具有方便易用、登錄快捷的特點，3G、4G的用戶一開機，就始終附著在網絡上。具有高速的傳輸速率，3G數據傳輸速率最高可達到2Mbps，4G數據傳輸速率最高可達到100Mbps，可以雙向傳遞資料、圖畫和影像等。

2sr繭質測試機結構及升級技術需求分析

SR繭質智能測試機由智能部分和繅絲裝置兩部分組成?？壗z裝置為小型10緒試樣機，智能部分由中央處理器、液晶顯示屏、鍵盤和微型打印機組成。具有輸入、計算、修改、查詢、儲存、顯示、打印等功能。智能部分通過數據線與繅絲試樣機連接，以獲取小轉速和小回數。通過錄入的數據及采集到的小轉速和回數，計算出粒繭絲長、解舒絲長、解舒率等蠶繭質量指標，并在智能主機上進行顯示、保存和打印。SR繭質智能測試機如圖1所示。圖1SR繭質智能測試機試樣機上的數據采集系統通過數據線將采集到的小轉速和總回數傳輸到智能部分。智能部分的中央處理器、鍵盤、顯示器和打印機均為專業定制，鍵盤輸入內容為固定模式，輸入輸出靈活性非常差，而且定制和維護成本比較高。對SR繭質智能測試機進行無線通信技術升級，首先考慮的是繅絲試樣機小轉速和回數等信息的采集、發送與接收。試樣機共10緒，即有10個小，需要采集10個小的總回數。試樣機繅制小樣一個周期一般需要4560min。無線通訊方案中發射裝置需在試樣周期結束時，將小轉速和總回數信息發送至接收裝置，其數據傳輸量較小。接收、計算、存儲裝置可選擇目前廣泛使用的智能手機等設備，通過智能手機APP軟件完成繭質測試任務。由于SR繭質智能測試機工作環境多為車間或移動收繭站，因此無線方案的選擇要考慮使用環境的實際需要。SR繭質智能測試機無線通信方案應盡可能滿足安全性好、穩定可靠、移動性強、低能耗、易用性好等特點。通過對上述幾種無線通訊方式進行性能分析來看，NFC傳輸距離太短，接收、計算、存儲裝置選擇手機等智能設備的話，目前帶NFC芯片功能的手機暫未普及，因此與手機硬件匹配性太差，不宜選用該方案。Zigbee組網傳輸速率較低，且基站組建費用較高，不適合單一設備使用。WIFI信號發射首先需要有線網絡連接的設備作為熱點，對于落后的繅絲行業來說，很多企業車間并未開通網絡連接，且SR繭質智能測試機還用于移動繭站的試樣工作，若采用車載WIFI方案的話成本較高、技術較為復雜，因此WIFI方案也不適合在SR繭質智能測試機使用。藍牙傳輸距離較小，且需要進行設備匹配性操作，對于文化程度相對較低的繅絲工人來說，具有一定的難度。3G、4G信號覆蓋范圍廣，獲得小信息數據所需流量較少，費用較低，且維護等問題完全不用操心，因此在SR繭質智能測試機無線通訊方案的選擇上，選擇3G、4G通信網絡比較適合。

33G、4G通信網絡方案設計

SR繭質智能測試機采用3G、4G通信網絡作為無線通信方式，首先設計了由單片機系統構成的試樣機數據采集發射裝置，包括主控制器、GPRS模塊、發射接口、10緒傳感器接口、液晶顯示屏、電源模塊和電源接口等。在移動運營商的支持下，GPRS模塊通過3G、4G網絡將單片機CPU采集計算得到的小轉速及回數等信息發送到預先設定的管理員手機上，并在液晶顯示屏上實時顯示?？壗z試樣人員通過管理員授權后，使用自己的手機自動接收小轉速和回數等數據信息，并通過手機APP軟件自動抓取信息數據。試樣人員錄入試樣相關基礎數據，通過軟件對數據進行計算、分析和存儲，并根據需求進行數據分享。采用3G、4G網絡進行技術升級的無線通信方案結構示意圖如圖2所示。圖2無線方案結構示意圖試樣機數據采集發射裝置硬件核心主控制器CPU采用51系列單片機，各模塊通過接口分別與電源電路、啟動與關機電路、SIM卡電路、指示燈電路等連接。為了實現單片機系統的編程功能，硬件系統設計了一個串口電路以實現程序下載。該硬件系統具有結構簡單、成本低廉和便于維護的特點。手機APP軟件包括管理頁面、錄入計算頁面和查詢頁面等。管理員通過管理頁面進行試樣人員手機授權、密碼修改、數據備份及分享等操作。試樣人員通過手機APP軟件進行具體試樣工作。該系統設計有故障容災機制。管理員手機故障時，通過重置清零按鍵，系統將重啟并清空之前所有管理員數據，但測試數據仍保留。管理人員變更時，原管理人員通過手機APP向主控制器發送指令，變更管理員手機。網絡異常時監測數據不受影響，待網絡恢復后根據指令要求，數據采集發射裝置再次向手機發送數據信息。試樣人員數量可根據實際需要設定，沒有數量限制。

無線通信的幾種方式各有優勢，但又各有不足，根據SR繭質智能測試機的功能及使用狀況，對比各種無線通信方式的優劣，我們最終選擇并設計了基于3G、4G網絡的SR繭質智能測試機的無線通信方案。

作者:黎鋼 段春穩 任強勝 單位:1.四川省絲綢科學研究院 2.四川省絲綢工程技術研究中心

參考文獻：

［1］陳祥平，姚代芬，劉季平，等．SR型繭質智能測試機的設計與應用［J］．絲綢，2006，（1）：16－18．

［2］鄭鳳芹．基于S波段微帶天線的彈丸姿態測試技術研究［D］．太原：中北大學，2014．

［3］曾強．WIFI無線傳感網絡的設計與實現［D］．太原：中北大學，2012．

［4］李兵．基于ZigBee的無線嵌入式設備的設計與實現［D］．太原：中北大學，2012．