關于無線一卡通技術的探討

文章出處：http://www.nyfzw.net 作者：吳沛文   人氣： 發表時間：2011年09月28日

    一、為什么推行無線通訊技術 

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

    目前使用RS485網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，聯網數量在128臺以內。因聯網方式的滯后，導致智能卡設備的聯網通訊瓶頸產生，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，需要鋪設密集聯網線路，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遠遠超過了智能卡設備總投入。 

    現階段研究ZigBee網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網絡的基礎是IEEE 802.15.4； 

    2、 成本低廉，ZigBee網絡的主控制器一般使用SoC（片上系統），外圍電路簡單，與智能卡設備的主處理器（MCU）的接口方便。現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。 

    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網絡通訊速度可達250kbps，甚至可以更高，其速度大大超過了RS485網絡。 

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

    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，設備就位后無線網絡通道立即形成，施工速度快。網絡建成后只要在無線信號覆蓋范圍內，所有智能卡設備可實現任意移動和有限（最多750臺）數量設備擴展。 

    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，設備就位后無線網絡通道立即形成，施工速度快。網絡建成后只要在無線信號覆蓋范圍內，所有智能卡設備可實現任意移動和設備數量擴展；甚至最終客戶可以直接采購無線智能卡設備，自行組網，無需專業公司建設。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1萬臺設備節省線纜50萬米，如果使用五類線，則節省100多萬元的線纜成本；如果以每米10元的布線成本計算，則節省500多萬的布線成本。在中央建設節約型社會的政策下，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據不受干擾 

    眾所周知，無線通訊時，因周圍電磁環境，其通訊信號難免會受到干擾。ZigBee無線網絡協議在設計時已經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據不丟失和不受干擾。使用過無線網絡的讀者會有這種感受：從網絡內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；但傳輸的文件不會損壞，這是因為有通訊協議。

    我們的通訊協議將要傳輸的數據打包成一個一個的數據幀，通訊數據幀包括了幀號、幀頭、幀長度、幀數據校驗等部分組成。其通訊步驟如下： 

    1、電腦首先發出查詢指令給該機，該機收到電腦的查詢指令后，會將該機當前的數據情況應答給電腦。應答內容包括：機號、型號、未采集數據天數、微采集數據日期、未采集數據數量、未采集數據將分成的通訊幀數量等。

    2、當電腦收到機器的應答幀，并檢查完畢校驗位后，就已知該機器數據記錄情況；然后電腦發出收集數據命令。 

    3、當機器收到收集數據命令后，會將要傳輸的數據打包、編號，然后逐個數據幀傳輸給電腦。 

    4、電腦在接收到最后一個幀號（因之前已經知道該機器本次傳輸的幀數量）后，開始逐個校驗本次接收的全部數據幀，然后將校驗失敗的數據幀丟失，將數據完好的數據幀按編號排序整理。 

    5、電腦整理完畢后，如果發現所接收的數據幀的編號不完整，如本次共接收100個幀，經校驗后10、23、58號幀數據受干擾，電腦將發“重傳指定幀號”命令。 

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

    7、重復第5、6部直道所有的數據幀全部正確地傳輸完畢。 

    8、電腦發出“標記已傳輸數據”命令，機器在接收到此命令后，自動將剛才已經正確傳輸給電腦的刷卡記錄作上“已傳輸”標記。有“已傳輸”標記的數據下次收集新數據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條刷卡數據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，電腦在校對數據時要求將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絡傳輸文件的原理是相同的，當無線網絡信號收到干擾時，其被干擾的僅是某個通訊幀，或多個通訊幀，但我們的通訊協議會檢查出受干擾的通訊幀，然后自動重傳受干擾的數據幀，直到全部正確為止。這樣在無線網絡信號受干擾時，僅產生了數據重傳而不是數據丟失。在通訊干擾嚴重的時候，我們僅能感覺到通訊速度慢了，而不是數據丟失了或被破壞了。

    三、無線通訊網絡拓撲

    3.1標準無線一卡通網絡拓撲 

    3.2標準無線一卡通網絡應用于中小型工業區案例參考 

    3.3一卡通標準無線網應用于復雜環境樓層內部案例參考 

    3.4以太網混合一卡通無線網絡拓撲 

    3.5一卡通混合無線網應用于大型工業區案例參考 

    四、無線通訊會否影響身體健康 

    任何電子產品工作狀態時無可避免存在電磁輻射，無線網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。

    手機已經被證明具有相當的輻射。但世界衛生組織在聲明中說，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標準規定的限值以內，也就是說兩種手機對人體的輻射都符合環保要求。 

    而我司無線通訊設備（無線收發器、無線中繼器等）采用9V 300mA電源，內部降壓成3.3V工作，假設無線設備滿功率工作狀態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（發射功率）/4πr（發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（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。世衛組織聲明手機所產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，對人體無害符合環保。

    （文/廣州科啟奧電子科技有限公司 吳沛文）