關于無線一卡通技術的探討

文章出處：http://linbycaravans.com 作者：吳沛文   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月28日

    一、為什么推行無線通訊技術 

    我國現(xiàn)行智能卡設備（IC卡消費機、考勤機、門禁機等）從上世紀90年代中期開始規(guī)模化普及至今已經(jīng)有10多年的大規(guī)模發(fā)展歷史了，其間智能卡經(jīng)歷了多次升級，從接觸式IC卡發(fā)展到非接觸式IC卡，從存儲卡發(fā)展到邏輯加密卡、CPU卡，設備功能也經(jīng)歷了多次升級。但其聯(lián)網(wǎng)方式發(fā)展很慢，其中與PC機的聯(lián)網(wǎng)方式80%以上的設備仍然使用RS485 / RS422網(wǎng)絡；少數(shù)設備開始內(nèi)置TCP/IP通訊模塊，使用五類線聯(lián)網(wǎng)，但成本較高，聯(lián)網(wǎng)距離較近（100米）。個別系統(tǒng)使用CAN 總線，成本適中，聯(lián)網(wǎng)距離在1000米左右，通訊速度在19.2-100kbps較好。 

    目前使用RS485網(wǎng)絡通訊的智能卡設備其最大通訊距離1200米，通訊速率在9.6-19.2kbps左右，半雙工模式，聯(lián)網(wǎng)數(shù)量在128臺以內(nèi)。因聯(lián)網(wǎng)方式的滯后，導致智能卡設備的聯(lián)網(wǎng)通訊瓶頸產(chǎn)生，尤其需要急速解決的是施工便捷性、通訊速度、通訊距離等方面。 

    目前智能卡設備因受通訊方式的限制，給設備的安裝普及帶來了極大的限制；例如，在一些密度較高的使用場所，如校園課室、工廠車間等，需要鋪設密集聯(lián)網(wǎng)線路，通常是每課室鋪設1-2條電纜，一個校園要鋪設幾百個信息點，線路鋪設成本高、施工周期長。尤其是后期因線路故障而導致的維護工作量大、查找故障點效率低。 

    對于某些已經(jīng)建好的場所如：校園、工廠等，因建設初期考慮不足未能預留網(wǎng)絡管線，只能考慮打墻、挖地等重新敷設管線，結果往往施工造價已經(jīng)遠遠超過了智能卡設備總投入。 

    現(xiàn)階段研究ZigBee網(wǎng)絡在智能卡設備上其應用前景相當廣闊。并具有如下特點：

    1、 技術成熟，ZigBee網(wǎng)絡的基礎是IEEE 802.15.4； 

    2、 成本低廉，ZigBee網(wǎng)絡的主控制器一般使用SoC（片上系統(tǒng)），外圍電路簡單，與智能卡設備的主處理器（MCU）的接口方便。現(xiàn)有智能卡設備體系機構無需作較大升級改動即可簡單實現(xiàn)。 

    3、 不需要申請無線頻道。 

    4、 通訊半徑在視距下可達幾百米，可以設計中繼器，成倍擴展通訊距離（目前的方案可以將通訊半徑擴展6倍，達2000米）。 

    5、 通訊速度快，ZigBee網(wǎng)絡通訊速度可達250kbps，甚至可以更高，其速度大大超過了RS485網(wǎng)絡。 

    6、 采用ZigBee無線網(wǎng)絡通訊的智能卡設備其單個網(wǎng)絡的最大設備通訊數(shù)量達750臺，此數(shù)量還可以擴展（目前極限聯(lián)網(wǎng)數(shù)量在62500臺），其聯(lián)網(wǎng)能力大大超過了有線RS485網(wǎng)絡、CAN網(wǎng)絡等。 

    7、 無線通訊沒有線路限制，信號能輕易穿透墻壁、玻璃、木材等可導電物體，設備就位后無線網(wǎng)絡通道立即形成，施工速度快。網(wǎng)絡建成后只要在無線信號覆蓋范圍內(nèi)，所有智能卡設備可實現(xiàn)任意移動和有限（最多750臺）數(shù)量設備擴展。 

    8、 無線通訊沒有線路限制，信號能輕易穿透墻壁、玻璃、木材等可導電物體，設備就位后無線網(wǎng)絡通道立即形成，施工速度快。網(wǎng)絡建成后只要在無線信號覆蓋范圍內(nèi)，所有智能卡設備可實現(xiàn)任意移動和設備數(shù)量擴展；甚至最終客戶可以直接采購無線智能卡設備，自行組網(wǎng)，無需專業(yè)公司建設。無線通訊技術將智能卡設備的應用推向一個新的里程碑。

    9、 無線通訊可以大量減少線纜的使用，以平均每臺機使用50米線材計算，全年銷售1萬臺設備節(jié)省線纜50萬米，如果使用五類線，則節(jié)省100多萬元的線纜成本；如果以每米10元的布線成本計算，則節(jié)省500多萬的布線成本。在中央建設節(jié)約型社會的政策下，無線智能卡設備的普及具有明顯的社會效益。 

    二、如何保證無線通訊時數(shù)據(jù)不受干擾 

    眾所周知，無線通訊時，因周圍電磁環(huán)境，其通訊信號難免會受到干擾。ZigBee無線網(wǎng)絡協(xié)議在設計時已經(jīng)充分考慮了各種抗干擾手段，這些抗干擾手段也通過了國際IEEE的認可，并頒布了相關標準，但無線通訊信號會受干擾是一個不爭的事實。 

    今天我們要討論的主題是無線信號受干擾時如何確保我們的刷卡數(shù)據(jù)不丟失和不受干擾。使用過無線網(wǎng)絡的讀者會有這種感受：從網(wǎng)絡內(nèi)一臺電腦復制大型文件到另一臺電腦（它們之間通過無線網(wǎng)絡連接），其傳輸速度不是恒定的，當有信號干擾時，其速度會突然很慢，但干擾信號消失時，其傳輸速度恢復；但傳輸?shù)奈募粫p壞，這是因為有通訊協(xié)議。

    我們的通訊協(xié)議將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)打包成一個一個的數(shù)據(jù)幀，通訊數(shù)據(jù)幀包括了幀號、幀頭、幀長度、幀數(shù)據(jù)校驗等部分組成。其通訊步驟如下： 

    1、電腦首先發(fā)出查詢指令給該機，該機收到電腦的查詢指令后，會將該機當前的數(shù)據(jù)情況應答給電腦。應答內(nèi)容包括：機號、型號、未采集數(shù)據(jù)天數(shù)、微采集數(shù)據(jù)日期、未采集數(shù)據(jù)數(shù)量、未采集數(shù)據(jù)將分成的通訊幀數(shù)量等。

    2、當電腦收到機器的應答幀，并檢查完畢校驗位后，就已知該機器數(shù)據(jù)記錄情況；然后電腦發(fā)出收集數(shù)據(jù)命令。 

    3、當機器收到收集數(shù)據(jù)命令后，會將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)打包、編號，然后逐個數(shù)據(jù)幀傳輸給電腦。 

    4、電腦在接收到最后一個幀號（因之前已經(jīng)知道該機器本次傳輸?shù)膸瑪?shù)量）后，開始逐個校驗本次接收的全部數(shù)據(jù)幀，然后將校驗失敗的數(shù)據(jù)幀丟失，將數(shù)據(jù)完好的數(shù)據(jù)幀按編號排序整理。 

    5、電腦整理完畢后，如果發(fā)現(xiàn)所接收的數(shù)據(jù)幀的編號不完整，如本次共接收100個幀，經(jīng)校驗后10、23、58號幀數(shù)據(jù)受干擾，電腦將發(fā)“重傳指定幀號”命令。 

    6、機器接收到“重傳指定幀號”命令后，將指定的數(shù)據(jù)幀：10、23、58號幀重新傳輸給電腦。

    7、重復第5、6部直道所有的數(shù)據(jù)幀全部正確地傳輸完畢。 

    8、電腦發(fā)出“標記已傳輸數(shù)據(jù)”命令，機器在接收到此命令后，自動將剛才已經(jīng)正確傳輸給電腦的刷卡記錄作上“已傳輸”標記。有“已傳輸”標記的數(shù)據(jù)下次收集新數(shù)據(jù)時將不會再次傳輸給電腦。 

    從上面的通訊過程我們假設在機器傳輸100條刷卡數(shù)據(jù)給電腦時受到了無線信號干擾，導致了其中的10、23、58號幀被破壞，電腦在校對數(shù)據(jù)時要求將10、23、58號幀重新傳輸，如果再次被干擾，電腦還將要求重新傳輸受干擾的幀，直到全部準確接收為止。 

    上述傳輸過程與我們使用無線網(wǎng)絡傳輸文件的原理是相同的，當無線網(wǎng)絡信號收到干擾時，其被干擾的僅是某個通訊幀，或多個通訊幀，但我們的通訊協(xié)議會檢查出受干擾的通訊幀，然后自動重傳受干擾的數(shù)據(jù)幀，直到全部正確為止。這樣在無線網(wǎng)絡信號受干擾時，僅產(chǎn)生了數(shù)據(jù)重傳而不是數(shù)據(jù)丟失。在通訊干擾嚴重的時候，我們僅能感覺到通訊速度慢了，而不是數(shù)據(jù)丟失了或被破壞了。

    三、無線通訊網(wǎng)絡拓撲

    3.1標準無線一卡通網(wǎng)絡拓撲 

    3.2標準無線一卡通網(wǎng)絡應用于中小型工業(yè)區(qū)案例參考 

    3.3一卡通標準無線網(wǎng)應用于復雜環(huán)境樓層內(nèi)部案例參考 

    3.4以太網(wǎng)混合一卡通無線網(wǎng)絡拓撲 

    3.5一卡通混合無線網(wǎng)應用于大型工業(yè)區(qū)案例參考 

    四、無線通訊會否影響身體健康 

    任何電子產(chǎn)品工作狀態(tài)時無可避免存在電磁輻射，無線網(wǎng)絡的輻射其實很微弱。手機、小靈通等無線電話在已成為我們生活一部分，因此我們拿GSM和CDMA手機與我們的無線一卡通設備作比較。

    手機已經(jīng)被證明具有相當?shù)妮椛洹５澜缧l(wèi)生組織在聲明中說，一段時間以來，有人將一些癌癥及腦活動的變化與使用手機聯(lián)系起來，但是迄今為止沒有一項研究證實這個論斷。聲明說，唯一能確定的事實是，使用手機能使使用者體溫稍有增加，但是手機所產(chǎn)生的高頻場不會引起癌癥。 

    GSM手機功率標準為0.6W-2W，CDMA功率標準稍低一點。GSM和CDMA手機的電磁輻射值在0.2-1.5之間，差別并不大，都在ITU和FCC標準規(guī)定的限值以內(nèi)，也就是說兩種手機對人體的輻射都符合環(huán)保要求。 

    而我司無線通訊設備（無線收發(fā)器、無線中繼器等）采用9V 300mA電源，內(nèi)部降壓成3.3V工作，假設無線設備滿功率工作狀態(tài)300mA電流達到峰值，那么功率為3.3V X 300mA=0.99W，按電磁輻射強度的理論計算公式：S（功率密度）=P（發(fā)射功率）/4πr（發(fā)射點與測量點之間的距離），那么人與無線設備距離1米范圍的電磁輻射理論值為： 

    0.99W / 4 x 3.141 x 1M = 0.777 

    0.777這個值是假設為300mA電流達到峰值時的理論值，在實際通訊狀態(tài)（非待機）時，無線通訊設備并不會達到這理論峰值，且無線中繼等設備我們建議壁掛安裝，不建議安裝在距離人活動范圍只1M的距離，因此人體吸收到的電磁輻射強度實際會更低。 

    從結果說明，若拿無線一卡通設備與我們使用的手機作比較，無線一卡通設備相比較低，證明無線設備滿功率狀態(tài)通訊時對人體造成的影響最大GSM和CDMA手機輻射的三分之一。世衛(wèi)組織聲明手機所產(chǎn)生的高頻場不會引起癌癥，我司的無線一卡通設備更加不會，對人體無害符合環(huán)保。

    （文/廣州科啟奧電子科技有限公司 吳沛文）