姚大鹏 姚鹏
广州市海同机电设备有限公司 广东广州 510407
摘要：2.4GHz频段的无线通信组网与数据服务器的搭建是物联网应用过程中的重要组成部分。此无线通信的方式可广泛用于各种物联网场合，适用于智能家具系统嵌入式通信的控制，工业无线监控系统，智能穿戴装备，无线定位及感应系统，是实现无线通信中要求低功耗设计及硬件空间要求小的一种解决方案。本系统数据服务器采用c/s架构，实现对底层嵌入式设备数据通信连接。
关键词：嵌入式系统；2.4GHzWi-Fi通信组网；TCP通信
随着信息时代数字化的高速发展，让互联网发展成果更好造福世界。在中国传统穿戴装备是一种相对来说民用较少的一类机电系统应用产品，目前民用的这类产品并不能实时对各个关键的位置进行数据采集和分析，2.4GHz频段虽然运用广泛，但研究无线通信组网与数据服务机通信的机制相对来说比较少。因此本文将重点讨论2.4GHz频段无线组网与数据服务器通信的机制。
目前，2.4GHz频段运用在组网系统中是非常的广泛，是整个物联网系统针对不同使用环境的一个关键组成部分。对于2.4GHz频段无线通信组网进行理论分说明析，主要包含三大类：1，嵌入式系统信息数据采集分析2，服务器搭建与通信协议分析3，嵌入式系统通信组网与服务器通信机制分析。系统基本框架结构如下图1：
图1 系统基本框架结构
1，嵌入式系统信息数据采集分析。目前智能可穿戴设备在实际项目使用中是一个基于单片机（MCU）的一个嵌入式系统。实际项目中系统主要包含：STM32F103主控芯片配8MHz外部晶振，中文字符屏OLED12864，陀螺仪DXL3458。其采集的原理是主控芯片通过
IIC通信对陀螺仪的角度进行实时采集，*通信作者简介：杨靓（1981），男，硕士学位，研究方向：智能控制领域。E-mail：leonyounggod@msn.com通过MCU外部中断触发读取，每次中断将陀螺仪模块中的有效角度进行数值换算，通过程序算法，把得到角度的十六进制转换成十进制数值在OLED12864上实时显示，考虑到主控芯片STM32F103拥有稳定的RS232串口硬件资源，通过此RS232通信方式与嵌入式系统信息数据采集器的串口相接，就可以实现底层设备信息采集，采用此通信方式，很可靠的实现对底层设备数据的采集，通过嵌入式系统设备与设备之间串口参数的匹配（波特率，校验位，数据位，停止位匹配）就能够实现数据包的收发。考虑到实际项目设备与设备的通信距离和抗干扰性。设置成：波特率=115200（可设置），校验位=N（可设置），数据位=8，停止位=1，即可满足数据采集通信要求，同时能够精确稳定的获得当前数据。
2，服务器搭建与通信协议分析。目前项目上使用2.4GHz频段，其机制是TCP的三次握手，此通信协议的优势在于，每个设备都是通过与服务器建立有效的连接来实现数据通信的，此TCP握手协议相比没有握手的UDP传输更安全，更可靠。数据服务器采用基于Java SE编写的，服务器采用多线程，并发的方式。通过通信设备与服务器的TCP有效连接，继而让通信数据包稳定，不丢失，不出现顺序错乱的传输。在实际项目需求中，充分考虑到每个设备都会采集到不同的数值（其中有设备ID，弯曲度数，工作次数，工作时间，卡路里值）那么每个设备需要带特定的一个系统ID，考虑到每台设备ID不能重复，那么就把设备主控制器STM32微处理器的全球唯一的96位产品身份标识码作为系统ID，给智能可穿戴设备产品提供了数据交互的渠道。
3，嵌入式系统通信组网与服务器通信机制分析，深入考虑通信组网时系统功能的应用需求，目前嵌入式系统通信组网控制器硬件结构主要分为：STM32F103主控芯片配8MHz外部晶振，EEPROM存储器，ESP8266-802.11b/g/n Wi-Fi模组，实时时钟芯片。考虑到嵌入式组网是通过Wi-Fi模组建立TCP信道的点到点的长连接方式，其原理是单台设备请求数据服务器，设备在线多了，整个网络建立通信的渠道就越多，对数据服务器的内存及核数开销也会加大。具体实现的伪代码如下：
Begin(开始)
设备A，数据服务器B，flag_request→0请求状态标志，flag_request_ack→0应答标志
A请求B
while flag_request→0
｛
if A 连上 B then
flag_request→1
A send ID to B
else
flag_request→0
｝
do A send B Parameter
if A 收到ACK then
flag_request_ack→1
A free connection
else
flag_request_ack→0
End (结束)
通过深入分析调查，我们发现整个通信过程中会存在网络的不确定因素，比如网络波动，路由器重启，环境因素等等。会造成处在正常连接状态的设备，突然掉线，这个时候设备发送的数据包丢失，数据服务器没有收到当前设备的数据。考虑到外界网络存在掉线因素，所以将整个系统加入心跳包机制，心跳包机制相当于每台设备每隔1-2分钟向服务器发送特定的报文，用来提醒服务器此设备在线，并正常工作。如果服务器在规定心跳时间内没有接到设备的心跳报文，那么服务器就断开与这个设备的连接，释放占用的连接资源及开销。针对2.4GHz频段无线通信组网进行理论分析验证。
结论：
在实际工作的中，在Jave SE服务端上可以清楚的观测到设备的实时通信数据，考虑到项目的使用情况，我们通过搭建嵌入式系统平台，设备与数据服务器做通信测试验证。由图2实际通信测试结果可以看到，设备与服务器建立的双向通信都是稳定的，返回数据报文不丢失，不错乱。
图2 通信数据包交互测试
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论文作者:姚大鹏,姚鹏
论文发表刊物:《防护工程》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/24
标签：通信论文; 设备论文; 服务器论文; 数据论文; 频段论文; 无线通信论文; 嵌入式系统论文; 《防护工程》2018年第8期论文;