關(guān)于無(wú)線一卡通技術(shù)的探討

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

    一、為什么推行無(wú)線通訊技術(shù) 

    我國(guó)現(xiàn)行智能卡設(shè)備（IC卡消費(fèi)機(jī)、考勤機(jī)、門禁機(jī)等）從上世紀(jì)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(jí)，從接觸式IC卡發(fā)展到非接觸式IC卡，從存儲(chǔ)卡發(fā)展到邏輯加密卡、CPU卡，設(shè)備功能也經(jīng)歷了多次升級(jí)。但其聯(lián)網(wǎng)方式發(fā)展很慢，其中與PC機(jī)的聯(lián)網(wǎng)方式80%以上的設(shè)備仍然使用RS485 / RS422網(wǎng)絡(luò)；少數(shù)設(shè)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(gè)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(luò)通訊的智能卡設(shè)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(tái)以內(nèi)。因聯(lián)網(wǎng)方式的滯后，導(dǎo)致智能卡設(shè)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(shè)備因受通訊方式的限制，給設(shè)備的安裝普及帶來(lái)了極大的限制；例如，在一些密度較高的使用場(chǎng)所，如校園課室、工廠車間等，需要鋪設(shè)密集聯(lián)網(wǎng)線路，通常是每課室鋪設(shè)1-2條電纜，一個(gè)校園要鋪設(shè)幾百個(gè)信息點(diǎn)，線路鋪設(shè)成本高、施工周期長(zhǎng)。尤其是后期因線路故障而導(dǎo)致的維護(hù)工作量大、查找故障點(diǎn)效率低。 

    對(duì)于某些已經(jīng)建好的場(chǎng)所如：校園、工廠等，因建設(shè)初期考慮不足未能預(yù)留網(wǎng)絡(luò)管線，只能考慮打墻、挖地等重新敷設(shè)管線，結(jié)果往往施工造價(jià)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了智能卡設(shè)備總投入。 

    現(xiàn)階段研究ZigBee網(wǎng)絡(luò)在智能卡設(shè)備上其應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。并具有如下特點(diǎn)：

    1、 技術(shù)成熟，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4； 

    2、 成本低廉，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主控制器一般使用SoC（片上系統(tǒng)），外圍電路簡(jiǎn)單，與智能卡設(shè)備的主處理器（MCU）的接口方便?，F(xiàn)有智能卡設(shè)備體系機(jī)構(gòu)無(wú)需作較大升級(jí)改動(dòng)即可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。 

    3、 不需要申請(qǐng)無(wú)線頻道。 

    4、 通訊半徑在視距下可達(dá)幾百米，可以設(shè)計(jì)中繼器，成倍擴(kuò)展通訊距離（目前的方案可以將通訊半徑擴(kuò)展6倍，達(dá)2000米）。 

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

    6、 采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊的智能卡設(shè)備其單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最大設(shè)備通訊數(shù)量達(dá)750臺(tái)，此數(shù)量還可以擴(kuò)展（目前極限聯(lián)網(wǎng)數(shù)量在62500臺(tái)），其聯(lián)網(wǎng)能力大大超過(guò)了有線RS485網(wǎng)絡(luò)、CAN網(wǎng)絡(luò)等。 

    7、 無(wú)線通訊沒(méi)有線路限制，信號(hào)能輕易穿透墻壁、玻璃、木材等可導(dǎo)電物體，設(shè)備就位后無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通道立即形成，施工速度快。網(wǎng)絡(luò)建成后只要在無(wú)線信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，所有智能卡設(shè)備可實(shí)現(xiàn)任意移動(dòng)和有限（最多750臺(tái)）數(shù)量設(shè)備擴(kuò)展。 

    8、 無(wú)線通訊沒(méi)有線路限制，信號(hào)能輕易穿透墻壁、玻璃、木材等可導(dǎo)電物體，設(shè)備就位后無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通道立即形成，施工速度快。網(wǎng)絡(luò)建成后只要在無(wú)線信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，所有智能卡設(shè)備可實(shí)現(xiàn)任意移動(dòng)和設(shè)備數(shù)量擴(kuò)展；甚至最終客戶可以直接采購(gòu)無(wú)線智能卡設(shè)備，自行組網(wǎng)，無(wú)需專業(yè)公司建設(shè)。無(wú)線通訊技術(shù)將智能卡設(shè)備的應(yīng)用推向一個(gè)新的里程碑。

    9、 無(wú)線通訊可以大量減少線纜的使用，以平均每臺(tái)機(jī)使用50米線材計(jì)算，全年銷售1萬(wàn)臺(tái)設(shè)備節(jié)省線纜50萬(wàn)米，如果使用五類線，則節(jié)省100多萬(wàn)元的線纜成本；如果以每米10元的布線成本計(jì)算，則節(jié)省500多萬(wàn)的布線成本。在中央建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的政策下，無(wú)線智能卡設(shè)備的普及具有明顯的社會(huì)效益。 

    二、如何保證無(wú)線通訊時(shí)數(shù)據(jù)不受干擾 

    眾所周知，無(wú)線通訊時(shí)，因周圍電磁環(huán)境，其通訊信號(hào)難免會(huì)受到干擾。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在設(shè)計(jì)時(shí)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(guò)了國(guó)際IEEE的認(rèn)可，并頒布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但無(wú)線通訊信號(hào)會(huì)受干擾是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。 

    今天我們要討論的主題是無(wú)線信號(hào)受干擾時(shí)如何確保我們的刷卡數(shù)據(jù)不丟失和不受干擾。使用過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的讀者會(huì)有這種感受：從網(wǎng)絡(luò)內(nèi)一臺(tái)電腦復(fù)制大型文件到另一臺(tái)電腦（它們之間通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接），其傳輸速度不是恒定的，當(dāng)有信號(hào)干擾時(shí)，其速度會(huì)突然很慢，但干擾信號(hào)消失時(shí)，其傳輸速度恢復(fù)；但傳輸?shù)奈募粫?huì)損壞，這是因?yàn)橛型ㄓ崊f(xié)議。

    我們的通訊協(xié)議將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)打包成一個(gè)一個(gè)的數(shù)據(jù)幀，通訊數(shù)據(jù)幀包括了幀號(hào)、幀頭、幀長(zhǎng)度、幀數(shù)據(jù)校驗(yàn)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(jī)，該機(jī)收到電腦的查詢指令后，會(huì)將該機(jī)當(dāng)前的數(shù)據(jù)情況應(yīng)答給電腦。應(yīng)答內(nèi)容包括：機(jī)號(hào)、型號(hào)、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(dāng)電腦收到機(jī)器的應(yīng)答幀，并檢查完畢校驗(yàn)位后，就已知該機(jī)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(dāng)機(jī)器收到收集數(shù)據(jù)命令后，會(huì)將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)打包、編號(hào)，然后逐個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸給電腦。 

    4、電腦在接收到最后一個(gè)幀號(hào)（因之前已經(jīng)知道該機(jī)器本次傳輸?shù)膸瑪?shù)量）后，開始逐個(gè)校驗(yàn)本次接收的全部數(shù)據(jù)幀，然后將校驗(yàn)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(hào)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(hào)不完整，如本次共接收100個(gè)幀，經(jīng)校驗(yàn)后10、23、58號(hào)幀數(shù)據(jù)受干擾，電腦將發(fā)“重傳指定幀號(hào)”命令。 

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

    7、重復(fù)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(biāo)記已傳輸數(shù)據(jù)”命令，機(jī)器在接收到此命令后，自動(dòng)將剛才已經(jīng)正確傳輸給電腦的刷卡記錄作上“已傳輸”標(biāo)記。有“已傳輸”標(biāo)記的數(shù)據(jù)下次收集新數(shù)據(jù)時(shí)將不會(huì)再次傳輸給電腦。 

    從上面的通訊過(guò)程我們假設(shè)在機(jī)器傳輸100條刷卡數(shù)據(jù)給電腦時(shí)受到了無(wú)線信號(hào)干擾，導(dǎo)致了其中的10、23、58號(hào)幀被破壞，電腦在校對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)要求將10、23、58號(hào)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(zhǔn)確接收為止。 

    上述傳輸過(guò)程與我們使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸文件的原理是相同的，當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)收到干擾時(shí)，其被干擾的僅是某個(gè)通訊幀，或多個(gè)通訊幀，但我們的通訊協(xié)議會(huì)檢查出受干擾的通訊幀，然后自動(dòng)重傳受干擾的數(shù)據(jù)幀，直到全部正確為止。這樣在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)受干擾時(shí)，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(yán)重的時(shí)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(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?

    3.1標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線一卡通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?nbsp;

    3.2標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線一卡通網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于中小型工業(yè)區(qū)案例參考 

    3.3一卡通標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線網(wǎng)應(yīng)用于復(fù)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?nbsp;

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

    四、無(wú)線通訊會(huì)否影響身體健康 

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

    手機(jī)已經(jīng)被證明具有相當(dāng)?shù)妮椛?。但世界衛(wèi)生組織在聲明中說(shuō)，一段時(shí)間以來(lái)，有人將一些癌癥及腦活動(dòng)的變化與使用手機(jī)聯(lián)系起來(lái)，但是迄今為止沒(méi)有一項(xiàng)研究證實(shí)這個(gè)論斷。聲明說(shuō)，唯一能確定的事實(shí)是，使用手機(jī)能使使用者體溫稍有增加，但是手機(jī)所產(chǎn)生的高頻場(chǎng)不會(huì)引起癌癥。 

    GSM手機(jī)功率標(biāo)準(zhǔn)為0.6W-2W，CDMA功率標(biāo)準(zhǔn)稍低一點(diǎn)。GSM和CDMA手機(jī)的電磁輻射值在0.2-1.5之間，差別并不大，都在ITU和FCC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值以內(nèi)，也就是說(shuō)兩種手機(jī)對(duì)人體的輻射都符合環(huán)保要求。 

    而我司無(wú)線通訊設(shè)備（無(wú)線收發(fā)器、無(wú)線中繼器等）采用9V 300mA電源，內(nèi)部降壓成3.3V工作，假設(shè)無(wú)線設(shè)備滿功率工作狀態(tài)300mA電流達(dá)到峰值，那么功率為3.3V X 300mA=0.99W，按電磁輻射強(qiáng)度的理論計(jì)算公式：S（功率密度）=P（發(fā)射功率）/4πr（發(fā)射點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)之間的距離），那么人與無(wú)線設(shè)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(gè)值是假設(shè)為300mA電流達(dá)到峰值時(shí)的理論值，在實(shí)際通訊狀態(tài)（非待機(jī)）時(shí)，無(wú)線通訊設(shè)備并不會(huì)達(dá)到這理論峰值，且無(wú)線中繼等設(shè)備我們建議壁掛安裝，不建議安裝在距離人活動(dòng)范圍只1M的距離，因此人體吸收到的電磁輻射強(qiáng)度實(shí)際會(huì)更低。 

    從結(jié)果說(shuō)明，若拿無(wú)線一卡通設(shè)備與我們使用的手機(jī)作比較，無(wú)線一卡通設(shè)備相比較低，證明無(wú)線設(shè)備滿功率狀態(tài)通訊時(shí)對(duì)人體造成的影響最大GSM和CDMA手機(jī)輻射的三分之一。世衛(wèi)組織聲明手機(jī)所產(chǎn)生的高頻場(chǎng)不會(huì)引起癌癥，我司的無(wú)線一卡通設(shè)備更加不會(huì)，對(duì)人體無(wú)害符合環(huán)保。

    （文/廣州科啟奧電子科技有限公司 吳沛文）