短距離無線傳輸路由器的設(shè)計與實現(xiàn)1

一種短距離無線傳輸路由器的設(shè)計與實現(xiàn)摘要作為無線產(chǎn)業(yè)的新領(lǐng)域，短距離（幾米到幾百米）無線數(shù)據(jù)傳輸顯示出強勁的發(fā)展后勁，在國民經(jīng)濟的許多領(lǐng)域尤其是在工業(yè)測控上的應(yīng)用日益廣泛，發(fā)揮的作用越來越重要，典型的應(yīng)用包括：身份識別，安全防火，無線遙控，數(shù)據(jù)通信等。本文首先介紹了幾種近年來比較流行的短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，然后對無線數(shù)據(jù)傳輸原理、調(diào)制模式與通信協(xié)議做了相關(guān)介紹。AbstractBeinganewdominofwirelessindustry,shortdistance（severalmeterstohundredsofmeters）wirelessdatatransmissionwhichhasbeenusedmorewidelyandplaysamoreimportantroleinlotsoffieldsofnationaleconomy,especiallyonindustrialmeasureandcontrol,hasshownitsgreatdevelopmentpotential.Itstypicalapplicationsincludepersonalidentification,safetyfireproof,wirelessremotecontrolanddatacommunicationandsoon.第一章緒論1.1概述1896年英國科學(xué)家馬可尼實現(xiàn)無線電信號橫越大西洋，引領(lǐng)人類進入了一個全新的無線技術(shù)世界。之后，無線技術(shù)就以其特有的優(yōu)勢，并以前所未有的速度迅速發(fā)展，爆發(fā)出強大的生命力和影響力。無線技術(shù)的最大好處就是使人類擺脫了線纜的束縛，符合人類對于自由的追求和向往。無線技術(shù)是通過無線電波在自由空間（包括空氣和真空）傳播信息的技術(shù)，它利用導(dǎo)體中電流強弱的改變會產(chǎn)生無線電波這一原理，將信息加載于無線電波之上，當(dāng)電波通過空間傳播到達接收端，電波引起的電磁場變化又會在到導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，通過一定的方法將信息從電流變化中提取出來，就達到了信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。到了現(xiàn)代，無線技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各行各業(yè)的角角落落:看看你身邊的收音機，手機，筆記本電腦，你就知道它的普及，用處之大了。隨著無線技術(shù)的快速發(fā)展，短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)呈現(xiàn)出強勁的發(fā)展后勁。短距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶軓V，在一般意義上，只要收發(fā)雙方通過無線電波傳輸信息，并且傳輸距離限制在較短的范圍內(nèi)，通常是幾十米到幾百米，就可以成為短距離無線數(shù)據(jù)傳輸。短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有應(yīng)用廣泛、種類多樣、頻段豐富、免執(zhí)照申請等特點，近期的發(fā)展情況表明，該領(lǐng)域?qū)⑿纬梢粋€巨大的新興產(chǎn)業(yè)。1.2短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展隨著網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對無線通信的需求越來越大，人們在享受蜂窩移動通信系統(tǒng)帶來的便捷的同時，對短距離的無線通信又提出了新的要求，這種短距離的無線通信主要用于家庭、辦公室、商場等室內(nèi)場所，有時也用于室外環(huán)境。這種技術(shù)的應(yīng)用大大改善了人們的生活和工作質(zhì)量，對現(xiàn)有的無線長距離通信技術(shù)是一個很好的補充。同時又由于無線頻率資源的日漸珍貴，消費類電子產(chǎn)品市場需求的激增，這其中的無線短距離通信技術(shù)更是收到了各國工業(yè)界和研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注。2011年消費電子產(chǎn)品展（以下簡稱“CES2011”）的組織方消費電子產(chǎn)品協(xié)會（以下簡稱“CEA”）預(yù)測今年全球消費電子產(chǎn)品銷售額將達到萬億美元大關(guān)。1.3短距離無線通信的特征隨著數(shù)字通信和計算機技術(shù)的發(fā)展，許多短距離無線通信的要求被提出。短距離無線通信和長距離無線通信有很多方面的區(qū)別，主要的特征如下：?無線發(fā)射功率從幾uW到小于100^W。?通信距離范圍從幾厘米到幾百米。?主要在房間內(nèi)使用。?使用全向天線和線路板天線。?不需要申請無線頻道。?高頻操作。1.4短距離無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的各種國際標(biāo)準(zhǔn)短距離無線數(shù)據(jù)傳輸最流行的標(biāo)準(zhǔn)有無線局域網(wǎng)（WLAN）,藍牙（Bluetooth），802.11b（Wi-Fi）和IrDAA,HomeRF，ZigBee這些協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)各有劣勢，各有自己擅長的應(yīng)用領(lǐng)域，有的適合于辦公環(huán)境，有的適合于個人應(yīng)用，有的則更適合家庭用戶。（1）藍牙（Bluetooth）Bluetooth取自公元10世紀(jì)統(tǒng)一了丹麥的國王哈拉德二世的名字。用他的名字來命名這種新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其目的是不言而喻的，那就是期望統(tǒng)一。所謂藍牙技術(shù)，實際上是一種短距離無線通信技術(shù)，它是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范。藍牙系統(tǒng)一般由無線單元、鏈路控制（固件）單元、鏈路管理（軟件）單元和藍牙軟件（協(xié)議棧）單元4個功能單元組成，它將各種通信設(shè)備、計算機及其終端設(shè)備、各種數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)系統(tǒng)，甚至家用電器采用無線方式連接起來。藍牙的傳輸距離為10cm?10m，如果增加功率或是加上某些外設(shè)可達到100m的傳輸距離。它采用2.4GHzISM頻段和調(diào)頻、調(diào)頻技術(shù)，使用權(quán)向糾錯編碼、ARQ、TDD和基帶協(xié)議。由于藍牙采用無線接口來代替有線電纜連接，具有很強的移植性，故適用于多種場合，加上該技術(shù)功耗低，對人體危害小，而且應(yīng)用簡單，容易實現(xiàn)，所以面世以來得到了廣泛的應(yīng)用。利用藍牙技術(shù)，能夠有效地簡化移動電話、手機和筆記本電腦等移動通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化以上這些設(shè)備與因特網(wǎng)之間的通信，從而為無線通信拓寬了道路。其實際應(yīng)用范圍還可以拓展到各種家電產(chǎn)品、消費電子產(chǎn)品和汽車等信息家電。藍牙無線系統(tǒng)支持點到點和點到多點的連接，使得這些設(shè)備可以組成一個巨大的無線通信網(wǎng)絡(luò)。（2）無線局域網(wǎng)（WLAN）無線局域網(wǎng)的組成包括無線網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）和無線接入點（AccessPoint）。無線網(wǎng)絡(luò)接口卡是PC機或其他設(shè)備與無線網(wǎng)絡(luò)連接的橋梁，接入點就像是無線網(wǎng)絡(luò)的一個無線基站，將多個無線的接入站聚合到有線的網(wǎng)絡(luò)上。無線局域網(wǎng)的傳輸方式涉及所采用的傳輸媒體和調(diào)制方式兩個方面。目前采用的傳輸媒體主要有無線電波與紅外線兩種。采用無線電波為傳輸媒體的無線局域網(wǎng)的調(diào)制方式，分為擴展頻譜方式與窄帶調(diào)制方式。IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)為“點到點”和“主從”兩種無線網(wǎng)絡(luò)配制類型規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)，并分別制定了2.4GHz跳頻、2.4GHz直序和紅外線等無線技術(shù)規(guī)范。IEEE公布的無線局域網(wǎng)協(xié)議，在物理層協(xié)議規(guī)定了3個標(biāo)準(zhǔn)：頻率跳變擴頻（FHSS）、直接序列擴頻（DSSS）和紅外線。3個物理層協(xié)議可靈活選擇。IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)除了介紹無線局域網(wǎng)的優(yōu)點及各種不同性能外，還使得各種廠商的無線產(chǎn)品得以互連。（3）HomeRFHomeRF工作組于1997年由美國家用射頻委員會領(lǐng)導(dǎo)成立，其主要工作任務(wù)是為家庭用戶建立具有互操作性的話音和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。它推出的HomeRF標(biāo)準(zhǔn)集成了語音和數(shù)據(jù)傳送技術(shù)，在無線局域網(wǎng)的安全性方面主要考慮訪問控制和加密技術(shù)。HomeRF是對現(xiàn)有無線通信標(biāo)準(zhǔn)的綜合與改進。當(dāng)進行數(shù)據(jù)通信時，采用IEEE802.11規(guī)范中的TCP/IP傳輸協(xié)議；當(dāng)進行語音通信時，則采用數(shù)字增強型無線通信標(biāo)準(zhǔn)。但是該標(biāo)準(zhǔn)與802.11不兼容，并且占據(jù)了與802.11b和Bluetooth相同的2.4GHz頻率段，所以多應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)。HomeRF采用跳頻、擴頻（FHSS）技術(shù)，跳頻速率為50跳/s，共有75個帶寬為1MHz的跳頻信道。它的調(diào)制方式為恒定包絡(luò)的FSK調(diào)制，分為2FSK與4FSK兩種。HomeRF傳輸速率可達2Mb/s，在最新的HomeRF2.x標(biāo)準(zhǔn)中，采用了寬帶跳頻（WBFH）技術(shù)增加跳頻帶寬，由原來的1MHz跳頻信道增加到了3MHz、5MHz，跳頻的速率也增加到了75跳/s，傳輸速率可達到10Mb/s。HomeRF的傳輸速率原來為2Mb/s,2000年美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）批準(zhǔn)了Microsoft.Intel、Motorola等HomeRF工作組成員的要求，允許HomeRF的傳輸速率由2Mb/s提高到8?11Mb/s；而且，HomeRF工作組的成員提出將發(fā)射帶寬由原來的1MHz提高到5MHz。（4）ZigBeeZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)工作組的IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)。ZigBee并不僅僅是802.15.4的名稱，IEEE只處理低級MAC層和物理協(xié)議層，ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標(biāo)準(zhǔn)化。ZigBee技術(shù)主要應(yīng)用在短距離范圍內(nèi)以及數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，所以非常適用于家電和小型電子設(shè)備的無線控制指令傳輸。其典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)（如傳感器）、間歇性數(shù)據(jù)（如照明控制）和重復(fù)低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)（如鼠標(biāo)）其目標(biāo)功能是自動化控制。它采用跳頻技術(shù)，使用的頻段分別為2.4GHz（ISM）、868MHz（歐洲）及915MHz（美國），而且均為免執(zhí)照頻段，有效覆蓋范圍為10?75m。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)速率降低到28kb/s時，傳輸范圍甚至可以擴大到134m，具有更高的可靠性。ZigBee的主要技術(shù)特點是：?數(shù)據(jù)傳輸速率為10kB/s?250kB/s。?功耗低。在低耗電待機模式下，兩節(jié)普通干電池可使用6個月到2年。?成本低。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。?網(wǎng)絡(luò)容量大。每個ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。?時延短。通常時延都在15?30ms之間。?提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法。?有效范圍小。有效覆蓋范圍為10?75m。?使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國）。均為免執(zhí)照頻段。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于：?空調(diào)系統(tǒng)，溫度控制器，燈光、窗簾等家庭自動系統(tǒng)。?手持緊急呼叫器。?遙控器，無線鍵盤、滑鼠、游戲操縱桿，玩具。?無線傳感器。?RFID智慧型標(biāo)簽。ZigBee低成本、功耗低、低傳輸率、高安全性的特點，使它很使用于對家用電器和小型電子設(shè)備的無線控制領(lǐng)域。（5）紅外通信技術(shù)（IrDA）紅外通信技術(shù)IrDA（InfraredDataAssociation）采用人眼看不到的紅外線傳輸信息，是使用最廣泛的短距離無線通信技術(shù)。紅外技術(shù)采用點到點的連接方式，發(fā)射、接收具有方向性，具有體積小、功率低、連接方便、簡單易用、數(shù)據(jù)傳輸干擾少、速度快、保密性強、成本低廉的特點。廣泛應(yīng)用于各種遙控器，筆記本電腦，PDA，移動電話等移動設(shè)備。本文對無線通信實用技術(shù)---短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進行了研究與開發(fā)。短距離無線傳輸技術(shù)一般使用單片射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無線通信模塊，工作于ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療）頻段，通信模塊包含簡單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡單的加密協(xié)議，用戶不必對無線通信原理和工作機制有較深的了解，只要依據(jù)命令進行操作即可實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能，引起功率小、開發(fā)簡單快速而在工業(yè)、民用等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1.5單片機的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢單片機具有可靠性、便于擴展、控制功能強、功耗低、高集成度高、體積小、性價比高、應(yīng)用廣泛、易于產(chǎn)品化等特點。它的出現(xiàn)是近代計算機技術(shù)發(fā)展史上的一個重要的里程碑，單片機的誕生標(biāo)志著計算機正式形成了通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)兩大分支。通用計算機的主要特點是大存儲容量，高速數(shù)值計算，不必兼顧控制功能，不斷完善操作系統(tǒng)，它在數(shù)據(jù)處理、模擬仿真、人工智能、圖像處理、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信中得到了廣泛應(yīng)用。但是，通用計算機的體積大、成本低的特點，廣泛應(yīng)用于機器人、儀器儀表、汽車電子系統(tǒng)、工業(yè)控制單元、玩具、家用電器、辦公自動化設(shè)備、金融電子系統(tǒng)、艦船、個人信息終端及通信產(chǎn)品中。單片機以面向?qū)ο蟮膶崟r監(jiān)測和控制為己任，不斷增強控制能力，降低成本，減小體積，改善開發(fā)環(huán)境，迅速而廣泛地取代了經(jīng)典電子系統(tǒng)。既有幾元錢一片的一般功能的單片機，又有上百元一件的多功能（A/D轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器、通信接口、多個計數(shù)器、多種接口標(biāo)準(zhǔn)等）的單片機。目前單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，今后的發(fā)展趨勢將進一步向低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格、高速化、高可靠性方向發(fā)展。1.6本文的研究意義和主要工作設(shè)計一無線傳感器節(jié)點，完成數(shù)據(jù)的采集和分析，設(shè)計無線電臺的接口電路，基于嵌入式軟件實現(xiàn)軟件，完成數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，一級無線電臺的研究。設(shè)計要求：1.基于單片機的單元電路設(shè)計完成電路的元器件安裝和調(diào)試設(shè)計一個短距離無線通信協(xié)議，能夠完成命令的傳輸軟件實現(xiàn)設(shè)計第二章無線數(shù)據(jù)傳輸路由原理及協(xié)議2.1無線數(shù)據(jù)傳輸原理無線數(shù)據(jù)傳輸是以電信號的形式進行的，它由發(fā)送端、接收端、信道等各部分組成，信道就是電磁波傳播的途徑。一般來說，信號源的信息（也成為信源）含有直流分量和頻率交的的頻率分量，稱為基帶信號?；鶐盘柾荒茏鳛閭鬏斝盘枺虼吮仨毎鸦鶐盘栟D(zhuǎn)變?yōu)橐粋€相對基帶頻率而言頻率非常高的信號以適合于信道傳輸，這個信號叫做已調(diào)信號，而基帶信號叫做調(diào)制信號，這個過程叫做調(diào)制。調(diào)制是通過改變高頻載波幅度、相位或者頻率，使其隨著基帶信號幅度變化來實現(xiàn)的，這個過程是通過發(fā)射機來實現(xiàn)的，具體過程見下圖2-1.2.2路由器及路由器算法路由器的工作原理是什么？路由器利用網(wǎng)絡(luò)尋址功能使路由器能夠在網(wǎng)絡(luò)中確定一條最佳的路徑IP地址的網(wǎng)絡(luò)部分確定分組的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，并通過IP地址的主機部分和設(shè)備的MAC地址確定到目標(biāo)節(jié)點的連接。路由器的某一個接口接收到一個數(shù)據(jù)包時，會查看包中的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)地址以判斷該包的目的地址在當(dāng)前的路由表中是否存在（即路由器是否知道到達目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的路徑），如果發(fā)現(xiàn)包的目標(biāo)地址與本路由器的某個接口所連接的網(wǎng)絡(luò)地址相同，那么馬上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)接口；如果發(fā)現(xiàn)包的目標(biāo)地址不是自己的直連網(wǎng)段，路由器會查看自己的路由表，查找包的目的網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)的接口，并從相應(yīng)的接口轉(zhuǎn)發(fā)出去如果路由表中記錄的網(wǎng)絡(luò)地址與包的目標(biāo)地址匹配，則根據(jù)路由器配置轉(zhuǎn)發(fā)到默認(rèn)接口，在沒有配置默認(rèn)接口的情況下會給用戶返回目標(biāo)地址不可達的ICMP信息。路由算法在路由協(xié)議中起著至關(guān)重要的作用，采用何種算法往往決定了最終的尋徑結(jié)果，因此選擇路由算法一定要仔細(xì)。——路由算法按照種類可分為以下幾種：靜態(tài)和動態(tài)、單路和多路、平等和分級、源路由和透明路由、域內(nèi)和域間、鏈路狀態(tài)和距離向量。前面幾種的特點與字面意思基本一致，下面著重介紹鏈路狀態(tài)和距離向量算法?！溌窢顟B(tài)算法（也稱最短路徑算法）發(fā)送路由信息到互聯(lián)網(wǎng)上所有的結(jié)點，然而對于每個路由器，僅發(fā)送它的路由表中描述了其自身鏈路狀態(tài)的那一部分。距離向量算法（也稱為Bellman-Ford算法）則要求每個路由器發(fā)送其路由表全部或部分信息，但僅發(fā)送到鄰近結(jié)點上。從本質(zhì)上來說，鏈路狀態(tài)算法將少量更新信息發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)各處，而距離向量