关于无线一卡通技术的探讨

文章出处：http://www.nexussmartsolutions.com 作者：吴沛文   人气： 发表时间：2011年09月28日

    一、为什么推行无线通讯技术 


    我国现行智能卡设备（IC卡消费机、考勤机、门禁机等）从上世纪90年代中期开始规模化普及至今已经有10多年的大规模发展历史了，其间智能卡经历了多次升级，从接触式IC卡发展到非接触式IC卡，从存储卡发展到逻辑加密卡、CPU卡，设备功能也经历了多次升级。但其联网方式发展很慢，其中与PC机的联网方式80%以上的设备仍然使用RS485 / RS422网络；少数设备开始内置TCP/IP通讯模块，使用五类线联网，但成本较高，联网距离较近（100米）。个别系统使用CAN 总线，成本适中，联网距离在1000米左右，通讯速度在19.2-100kbps较好。 

    目前使用RS485网络通讯的智能卡设备其最大通讯距离1200米，通讯速率在9.6-19.2kbps左右，半双工模式，联网数量在128台以内。因联网方式的滞后，导致智能卡设备的联网通讯瓶颈产生，尤其需要急速解决的是施工便捷性、通讯速度、通讯距离等方面。 

    目前智能卡设备因受通讯方式的限制，给设备的安装普及带来了极大的限制；例如，在一些密度较高的使用场所，如校园课室、工厂车间等，需要铺设密集联网线路，通常是每课室铺设1-2条电缆，一个校园要铺设几百个信息点，线路铺设成本高、施工周期长。尤其是后期因线路故障而导致的维护工作量大、查找故障点效率低。 

    对于某些已经建好的场所如：校园、工厂等，因建设初期考虑不足未能预留网络管线，只能考虑打墙、挖地等重新敷设管线，结果往往施工造价已经远远超过了智能卡设备总投入。 

    现阶段研究ZigBee网络在智能卡设备上其应用前景相当广阔。并具有如下特点：

    1、 技术成熟，ZigBee网络的基础是IEEE 802.15.4； 

    2、 成本低廉，ZigBee网络的主控制器一般使用SoC（片上系统），外围电路简单，与智能卡设备的主处理器（MCU）的接口方便。现有智能卡设备体系机构无需作较大升级改动即可简单实现。 

    3、 不需要申请无线频道。 

    4、 通讯半径在视距下可达几百米，可以设计中继器，成倍扩展通讯距离（目前的方案可以将通讯半径扩展6倍，达2000米）。 

    5、 通讯速度快，ZigBee网络通讯速度可达250kbps，甚至可以更高，其速度大大超过了RS485网络。 

    6、 采用ZigBee无线网络通讯的智能卡设备其单个网络的最大设备通讯数量达750台，此数量还可以扩展（目前极限联网数量在62500台），其联网能力大大超过了有线RS485网络、CAN网络等。 

    7、 无线通讯没有线路限制，信号能轻易穿透墙壁、玻璃、木材等可导电物体，设备就位后无线网络通道立即形成，施工速度快。网络建成后只要在无线信号覆盖范围内，所有智能卡设备可实现任意移动和有限（最多750台）数量设备扩展。 

    8、 无线通讯没有线路限制，信号能轻易穿透墙壁、玻璃、木材等可导电物体，设备就位后无线网络通道立即形成，施工速度快。网络建成后只要在无线信号覆盖范围内，所有智能卡设备可实现任意移动和设备数量扩展；甚至最终客户可以直接采购无线智能卡设备，自行组网，无需专业公司建设。无线通讯技术将智能卡设备的应用推向一个新的里程碑。

    9、 无线通讯可以大量减少线缆的使用，以平均每台机使用50米线材计算，全年销售1万台设备节省线缆50万米，如果使用五类线，则节省100多万元的线缆成本；如果以每米10元的布线成本计算，则节省500多万的布线成本。在中央建设节约型社会的政策下，无线智能卡设备的普及具有明显的社会效益。 

    二、如何保证无线通讯时数据不受干扰 

    众所周知，无线通讯时，因周围电磁环境，其通讯信号难免会受到干扰。ZigBee无线网络协议在设计时已经充分考虑了各种抗干扰手段，这些抗干扰手段也通过了国际IEEE的认可，并颁布了相关标准，但无线通讯信号会受干扰是一个不争的事实。 

    今天我们要讨论的主题是无线信号受干扰时如何确保我们的刷卡数据不丢失和不受干扰。使用过无线网络的读者会有这种感受：从网络内一台电脑复制大型文件到另一台电脑（它们之间通过无线网络连接），其传输速度不是恒定的，当有信号干扰时，其速度会突然很慢，但干扰信号消失时，其传输速度恢复；但传输的文件不会损坏，这是因为有通讯协议。

    我们的通讯协议将要传输的数据打包成一个一个的数据帧，通讯数据帧包括了帧号、帧头、帧长度、帧数据校验等部分组成。其通讯步骤如下： 

    1、电脑首先发出查询指令给该机，该机收到电脑的查询指令后，会将该机当前的数据情况应答给电脑。应答内容包括：机号、型号、未采集数据天数、微采集数据日期、未采集数据数量、未采集数据将分成的通讯帧数量等。

    2、当电脑收到机器的应答帧，并检查完毕校验位后，就已知该机器数据记录情况；然后电脑发出收集数据命令。 

    3、当机器收到收集数据命令后，会将要传输的数据打包、编号，然后逐个数据帧传输给电脑。 

    4、电脑在接收到最后一个帧号（因之前已经知道该机器本次传输的帧数量）后，开始逐个校验本次接收的全部数据帧，然后将校验失败的数据帧丢失，将数据完好的数据帧按编号排序整理。 

    5、电脑整理完毕后，如果发现所接收的数据帧的编号不完整，如本次共接收100个帧，经校验后10、23、58号帧数据受干扰，电脑将发“重传指定帧号”命令。 

    6、机器接收到“重传指定帧号”命令后，将指定的数据帧：10、23、58号帧重新传输给电脑。

    7、重复第5、6部直道所有的数据帧全部正确地传输完毕。 

    8、电脑发出“标记已传输数据”命令，机器在接收到此命令后，自动将刚才已经正确传输给电脑的刷卡记录作上“已传输”标记。有“已传输”标记的数据下次收集新数据时将不会再次传输给电脑。 

    从上面的通讯过程我们假设在机器传输100条刷卡数据给电脑时受到了无线信号干扰，导致了其中的10、23、58号帧被破坏，电脑在校对数据时要求将10、23、58号帧重新传输，如果再次被干扰，电脑还将要求重新传输受干扰的帧，直到全部准确接收为止。 

    上述传输过程与我们使用无线网络传输文件的原理是相同的，当无线网络信号收到干扰时，其被干扰的仅是某个通讯帧，或多个通讯帧，但我们的通讯协议会检查出受干扰的通讯帧，然后自动重传受干扰的数据帧，直到全部正确为止。这样在无线网络信号受干扰时，仅产生了数据重传而不是数据丢失。在通讯干扰严重的时候，我们仅能感觉到通讯速度慢了，而不是数据丢失了或被破坏了。

    三、无线通讯网络拓扑

    3.1标准无线一卡通网络拓扑 

    3.2标准无线一卡通网络应用于中小型工业区案例参考 

    3.3一卡通标准无线网应用于复杂环境楼层内部案例参考 

    3.4以太网混合一卡通无线网络拓扑 

    3.5一卡通混合无线网应用于大型工业区案例参考 

    四、无线通讯会否影响身体健康 

    任何电子产品工作状态时无可避免存在电磁辐射，无线网络的辐射其实很微弱。手机、小灵通等无线电话在已成为我们生活一部分，因此我们拿GSM和CDMA手机与我们的无线一卡通设备作比较。

    手机已经被证明具有相当的辐射。但世界卫生组织在声明中说，一段时间以来，有人将一些癌症及脑活动的变化与使用手机联系起来，但是迄今为止没有一项研究证实这个论断。声明说，唯一能确定的事实是，使用手机能使使用者体温稍有增加，但是手机所产生的高频场不会引起癌症。 

    GSM手机功率标准为0.6W-2W，CDMA功率标准稍低一点。GSM和CDMA手机的电磁辐射值在0.2-1.5之间，差别并不大，都在ITU和FCC标准规定的限值以内，也就是说两种手机对人体的辐射都符合环保要求。 

    而我司无线通讯设备（无线收发器、无线中继器等）采用9V 300mA电源，内部降压成3.3V工作，假设无线设备满功率工作状态300mA电流达到峰值，那么功率为3.3V X 300mA=0.99W，按电磁辐射强度的理论计算公式：S（功率密度）=P（发射功率）/4πr（发射点与测量点之间的距离），那么人与无线设备距离1米范围的电磁辐射理论值为： 

    0.99W / 4 x 3.141 x 1M = 0.777 

    0.777这个值是假设为300mA电流达到峰值时的理论值，在实际通讯状态（非待机）时，无线通讯设备并不会达到这理论峰值，且无线中继等设备我们建议壁挂安装，不建议安装在距离人活动范围只1M的距离，因此人体吸收到的电磁辐射强度实际会更低。 

    从结果说明，若拿无线一卡通设备与我们使用的手机作比较，无线一卡通设备相比较低，证明无线设备满功率状态通讯时对人体造成的影响最大GSM和CDMA手机辐射的三分之一。世卫组织声明手机所产生的高频场不会引起癌症，我司的无线一卡通设备更加不会，对人体无害符合环保。

    （文/广州科启奥电子科技有限公司 吴沛文）