短距离无线通信技术分析

姜世明，陈周天，孟 琦，刘宏宇

（中国移动通信集团设计院有限公司 黑龙江分公司，黑龙江 哈尔滨 150080）

0 引 言

短距离无线通信技术的应用和推广要基于市场需求和定位，配合技术标准建立对应的技术规范模式，并配合认证机制和互通测试环节，有效提高市场对于技术方案的认可度，维护无线通信工作的综合水平。

1 短距离无线通信技术概述

近几年，针对短距离无线通信技术的研究主要集中在蓝牙技术标准、IEEE802.11、红外技术标准以及ZigBee技术标准等方面。

1.1 蓝牙技术

支持设备建立短距离通信，一般＜10 m，配合相应的设备建立无线信息交换。蓝牙技术能有效建立数据和语言接入点，并且替代传统的电线电缆，最大化提升固定中心信息传递的效率。具体技术参数如表1所示。

表1 蓝牙技术基础参数

1.2 IEEE802.11

IEEE802.11是实现无线网络设备互联的基础公约类局域网标准。其中规定由DSSS、FHSS以及红外技术构成基础物理层，基础频段主要分为2.4GHz频段和5GHz频段。在技术应用过程中，会将RC4加密算法作为安全基础，配合有限的密钥管理，吞吐量为11 Mb/s和54 Mb/s。相较于蓝牙技术，IEEE802.11的应用范围扩大到室内100 m范围、室外300 m范围[1]。其最大的优势就在于无需进行布线处理，有较高的灵活性和便捷性，加之产品的应用范围广泛，对应的成本价格适中，因此具有一定的推广价值。

1.3 ZigBee技术

近几年，作为低距离和低能耗的代表，ZigBee技术受到了广泛关注，将其应用在自动化控制技术、传感技术以及监控平台中能大大提升地理定位的合理性与及时性，技术支持的结构主要分为数据链路层、网络层以及应用编程接口，匹配市场和测试需求建立相应的技术模式。

1.4 红外技术

红外技术是一种基于红外线建立的点对点通信技术方案，能被广泛应用在小型移动设备中，最大的优势就在于应用人员无需建立频率使用权的申请机制，配合红外通信模式就能满足数据传输要求，更适宜应用在文件信息量较大与多媒体数据传输方面[2]。

2 短距离无线通信技术应用方案

在应用短距离无线通信技术建立对应运行系统的过程中，为了满足无线数据传输系统的基本需求，就要匹配无线通信任务建立相应的模块。本文以某企业井下作业使用短距离无线通信技术建立考勤定位管理为例，要结合模块应用需求设置对应的物理层、数据链路层以及应用层，在满足数据汇总的同时，还能有效发挥技术优势，提高数据传输和数据发送的时效性。

2.1 整体框架

在设计工作中，要保证人员的相关信息都能借助标签处理逻辑框架（图1）完成信息的上传，汇总到监控主机。

图1 标签逻辑框架

在通信过程中，标签并不是单一化的信息接收和发送，而是要结合数据应用要求配合输入/输出匹配网络建立复位模式，并结合微控制器完成nRF2401A振荡回路的处理。另外在实际作业中分析了无线电波不同频段衰减数据。其中，频率为150 MHz，衰减为113 dB/km；频率为47 MHz，衰减为9.8 dB/km；频率为900 MHz，衰减为2 dB/km；频率为1 700 MHz，衰减为1.6 dB/km；频率为4 000 MHz，衰减为0.7 dB/km。结合数据值可知，以数据来看频段越高衰减越小[3]。分析无线传输距离，保证综合设计框架的合理性时使用的公式为：

式中，C为信道容量；B为信道宽带；S为信号功率；N为噪声功率。

2.2 软件设计

在软件设计工作中，要匹配不同的收发模式，结合数据低速送入后完成高速发射处理，能在节能的基础上满足发射应用要求和规范。本文将ShockBurst TM作为收发模式的代表，在基础模式应用基础上，按照自动处理字头和校验码分析的方式，保证数据链路层能满足命令数据帧的应用规范[4]。

2.2.1 读卡器的工作流程

首先数据读取进行初始化设置，收到上位机的实时性指令，且指令长度在3字节以上，其次进行集中的校验分析，若是出现校验错误或者是地址错误则重新校验数据，再次读取数据和标签，最后向上位机发送获取的基础数据。

在整个应用流程中，单片机配合双通道接收模块就能维持综合数据处理效果，确保频率设定参数的合理性和规范性。单片机在USART查询时就能了解串行数据，若是显示0则继续等待，若是显示1则表示上位机系统已经接收信息并且将指令传输到对应单片机上。只有保证发射对应的命令字或者是数据，才能满足标签响应要求[5]。

2.2.2 标签程序基本流程

在标签应用过程中，初始化单片机和单通道模拟发射模式形成配合机制，有效进行频率处理，具体流程如下。（1）初始化设置；（2）定时器延时设置；（3）时间到则进行单片机退出休眠处理，时间未到，则向读卡器发送对应的数据请求，获取读卡器的相应命令；（4）在获取命令后，分析命令字的情况。若是有按键要求，则寻找上位机，不成功则指示灯不停闪烁，成功则响应上位机指令后指示灯闪烁并在30 s停止。若是收到广播指令或者是单片机命令指令，则相对应的数据信息情况要按照30 s接线方式完成工作；（5）进行电量的实时性检测分析；（6）完成收发模式的转换，单片机进入休眠状态。

综上所述，在软件系统设计的过程中，要结合单片机平台的特点，发挥短距离无线通信技术的优势，提高无线数据传输系统运行的可靠性，并对读卡器和标签等功能模块进行程序化的设计处理，维持综合应用效果[6]。

2.3 硬件设计

在数据传输系统中，利用单片机控制程序设计环节提高信息处理效果。鉴于要维持特殊场合应用的可靠性标准，且满足低能耗的具体要求，在软件设计方面，要落实相匹配的选型工作。

将功耗参数、发射功率参数、接收灵敏度以及芯片成本等作为选择依据，最终选取nRF2401A芯片。其由频率合成器、功率从放大器以及晶振等共同组成，工作速率为1 Mb/s。无线收发芯片基于Chipon’s Smart RF技术，实现射频发射、射频接收以及FSK调制解调，配置10～20个频点，才能更好地完成校准处理。

综上所述，配合硬件设计，要充分提高核心芯片的应用效果，并选取匹配的电路设计模式，完成电路原理图的分析，保证对应工序的最优化，发挥短距离无线通信技术的应用效果[7-10]。

3 短距离无线通信技术应用功能测试

在完成相应模块分析工作后，就要结合技术要求和匹配的应用处理方案进行功能测试，确保能搭建更加合理的无线数据传输系统，从而维持通信的可靠性。

3.1 功能测试

结合系统功能的设计目标，测试标签读取功能和群呼标签功能。

3.1.1 标签数据功能测试

选取19个标签，完成卡号输入，按照16进制数完成标识数据的初步处理，并且保证相应的数据可以被读卡器予以读取分析。然后将对应的标签放入读卡器射频技术应用范围内，自动完成卡号无线传输，并集中归纳在总线上完成数据的保存，在完成缓冲区管理后等待上位机指令信息（图2）。结合数据可知，无线数据传输系统的基础通信和功能应用模式合理，并且大大减少了标签之间的数据碰撞概率，能利用再次接收完成碰撞数据的回收。

图2 读卡器标签基础数据

3.1.2 读卡器群呼功能测试

发送群呼指令，结合指示灯闪烁情况进行控制，30 s后自动停止，转变为正常运行状态，说明群呼功能有效。

3.2 距离测试

在室内和室外进行了通信测试对比分析。室内测试的距离为30 m时，传输15次，成功15次；测试距离为50 m时，传输15次，成功15次；测试距离为80 m时，传输15次，成功15次。室外测试的距离为30 m时，传输15次，成功15次；测试距离为70 m时，传输15次，成功13次；测试距离为100 m时，传输15次，成功7次。

结合相关数据可知，相较于室外，室内的成功率更高，因此数据传输设备在室内完成数据传输更加可靠和有效。主要是因为室外存在辐射效应和多径效应等，都会在一定程度上影响其传输效果[8]。

4 结 论

短距离无线通信技术是顺应时代发展趋势的必然选择，要想发挥其应用优势，就要落实匹配的技术应用方案，完善硬件处理和软件处理平台，打造更加合理的接口模式，依据标准电路应用要求满足低能耗环保标准，为通信技术可持续健康发展奠定坚实基础。