程亞維

（濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南濟源，459000）

0 引言

隨著現(xiàn)代通信速率和頻率越來越高，通信信息越來越廣泛，有效地消除干擾成為確保通信順利進行的重要保障，也成為物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域一個非常重要的問題[1-3]。隨著頻譜資源的利用程度逐漸提高，其呈現(xiàn)出越來越擁擠的態(tài)勢，其之間的相互干擾作用也表現(xiàn)得越來越明顯，干擾后果也越來越嚴(yán)重[4]。大約在20 世紀(jì)50 年代中期開始，擴頻通信逐漸得到發(fā)展。在發(fā)展初期其主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的通信系統(tǒng)中，用于抗干擾、協(xié)助制導(dǎo)、研發(fā)抗多徑[5-6]。隨著交流平臺的發(fā)展，其擴展程序逐漸成熟，其中微信小程序以其操作簡單、運行輕量、易于實現(xiàn)，以及其基于發(fā)布/訂閱的消息轉(zhuǎn)發(fā)模型等優(yōu)點，成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中潛在的標(biāo)準(zhǔn)通信[7]。

基于此，本文提出基于微信小程序的擴頻通信物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)研究。分別從硬件和軟件兩個方面對系統(tǒng)進行設(shè)計研究，并通過仿真分析驗證了所提方法的有效性。

1 硬件設(shè)計

根據(jù)硬件原理需求設(shè)計的電路實物如圖1 所示。由圖1可知，此次設(shè)計的擴頻通信物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要由電源模塊、控制模塊、通信模塊和外圍模塊等組成，可以看出相對于傳統(tǒng)設(shè)備開發(fā)，只需要增加一個Wi-Fi 通信模塊即可讓該設(shè)備具有連接到Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的能力，而借助聯(lián)網(wǎng)能力便于實現(xiàn)更多控制方式，并且目前各類成熟的Wi-Fi 模塊和其配套開發(fā)工具又使該過程變得更為高效。為此，本文主要設(shè)計Wi-Fi 模塊和微控制器。

圖1 硬件原理結(jié)構(gòu)圖

■1.1 Wi-Fi 模塊

本文在對系統(tǒng)的Wi-Fi 模塊進行設(shè)計時，主要需要考慮了數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸距離和發(fā)射功率三方面的因素，最終選用上海慶科推出的EMW1062 低功耗嵌入式Wi-Fi 模塊。其功能實現(xiàn)的主要技術(shù)是直接序列擴頻以及OFDM/CCK 技術(shù)，通過對無線通信信道進行調(diào)制，解調(diào)其由于干擾引起的通信異常問題，其應(yīng)用的主要協(xié)議是2.4GHz IEEE802.11b/g/n，并具有功率放大器和電源管理單元，為了實現(xiàn)多元化設(shè)備的有效使用，設(shè)置有SDIO2.0/SPI 通訊接口，供電方式為3.3V 單電源供電。

在無線局域網(wǎng)使用方面，其完全符合IEEE802.11b/g/n 標(biāo)準(zhǔn)，在801.41b 條件下，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到10Mbps；在801.41g 條件下，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到49Mbps。在此基礎(chǔ)上，本文選擇SDIO 通信接口，通過其完成Wi-Fi 模塊與微控制器之間的連接，實現(xiàn)對高數(shù)據(jù)吞吐量的適配。

■1.2 微控制器

作為擴頻通信物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心硬件，微控制器是決定系統(tǒng)運行效率以及通信系統(tǒng)造成運行的關(guān)鍵。對于微控制器的選型，本文主要從芯片的存儲資源、外設(shè)資源以及處理速度三個方面進行考慮。首先，由于實現(xiàn)終端設(shè)備接入，以及網(wǎng)絡(luò)通信時的嵌入系統(tǒng)和TCP/IP 協(xié)議，其需要具有實現(xiàn)HTTP 客戶端、微信小程序客戶端以及Wi-Fi 模塊驅(qū)動能力，此過程需要500KB 左右的FLASH 存儲空間和200KB 的RAM 空間；其次，為了能夠與Wi-Fi 模塊實現(xiàn)聯(lián)通，微控制器需具有SDIO 接口。除此之外，作為擴頻通信物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的一個通用設(shè)備，其需具備包括USART、USB、CAN 在內(nèi)的必要外設(shè)裝置；同時，為了確保實時穩(wěn)定通信的順利進行，微控制器在運算速度和處理速度上要具有較高的效率?；谏鲜隹紤]，本文采用了ST 公司的STM32F429VIT6 微控制器作為系統(tǒng)的微控制器設(shè)備，其運行基礎(chǔ)是Cortex-M4內(nèi)核芯片，在通信物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中運行時，具有較高的可靠性。在引腳分布方面，其具有更少的引腳，因此在功率消耗方面始終穩(wěn)定在較低水平，對于MCU 的低成本運行要求具有較高的適配性；同時，在計算能力方面，其可以實現(xiàn)對通信數(shù)據(jù)的高速計算，代碼效率表現(xiàn)優(yōu)異，并具備先進的中斷響應(yīng)機制；性能有效運行空間僅為8 位和16 位。STM32F429VIT6 最高工作頻率可達(dá)180MHz，浮點運算單元和DSP 指令可在其中同時運行，可以在高速通信模式下實現(xiàn)對系統(tǒng)的任務(wù)管理與調(diào)度，確保終端設(shè)備通信的實時性；其自帶的2048KB 的FLASH 程序存儲區(qū)可以為常需提供充足內(nèi)存，256KB 的靜態(tài)隨機存儲區(qū)能夠滿足系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息的緩存需求。

2 軟件設(shè)計

■2.1 微信小程序服務(wù)設(shè)計

為實現(xiàn)微信小程序協(xié)議的通信服務(wù)機制，微信小程序客戶端服務(wù)程序與微控制器建立連接，根據(jù)應(yīng)用程序的需求捕獲擴頻碼，當(dāng)接收到STM32F429VIT6 推送的消息時，進行初步處理后再將消息發(fā)送給相應(yīng)的應(yīng)用程序進行處理。微信小程序客戶端服務(wù)程序還可以接收應(yīng)用程序的消息發(fā)送請求，以微信小程序消息格式對應(yīng)用數(shù)據(jù)封裝后將消息發(fā)送給微信小程序STM32F429VIT6，再由STM32F429VIT6 轉(zhuǎn)發(fā)至其他客戶端，其主要運行機制如圖2 所示。

圖2 運行機制示意圖

■2.2 擴頻信道捕獲

微控制器接收到請求后，在實現(xiàn)擴頻通信前，首先要對擴頻信道進行采集。針對此，本文采用串行搜索捕獲技術(shù)，對擴頻信道進行捕獲。通過對信道在一個擴頻碼周期內(nèi)進行自相關(guān)運算，判斷其是否滿足通信系統(tǒng)擴頻傳輸需求。

在一個擴頻碼周期內(nèi)，將接收的擴頻信號與本地產(chǎn)生的擴頻碼序列進行自相關(guān)運算。若積分器的輸出信號幅度很小，說明本地擴頻碼序列與接收的擴頻碼序列尚未同步，則通過控制本地擴頻碼發(fā)生器將其相位移動1/2 個碼片；若積分器出現(xiàn)峰值并大于預(yù)設(shè)的閾值，捕獲成功。設(shè)擴頻碼序列長度為N，碼元寬度為T，則擴頻碼序列的周期為Tc。若本地擴頻碼相位一開始就與接收的擴頻碼序列相同，只經(jīng)過一次自相關(guān)運算就能完成捕獲，而不需要擴頻碼產(chǎn)生器再改變本地擴頻碼的相位。那么串行搜索捕獲法所需的最小同步時間為式（1）。

當(dāng)捕獲的擴頻碼出現(xiàn)各種相位狀態(tài)的幾率相同，串行搜索捕獲法所需的平均捕獲時間。在啟動捕獲后，系統(tǒng)首先獲取微信小程序微控制器的連接信息，嘗試與微信小程序代理微控制器建立連接，處理連接請求的交互數(shù)據(jù)，對信道捕獲時間進行處理響應(yīng)。當(dāng)捕獲時間突然中斷時，則認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)的捕獲不具有實際意義。若每隔一段時間捕獲周期出現(xiàn)了大幅度上升，則認(rèn)為在該區(qū)域的捕獲嘗試的次數(shù)到達(dá)設(shè)定的閾值，不再進行信道捕獲行為，其可以表示為式（2）。

式中，Δf、Δδ分別為捕獲信道的頻偏和相偏，ΔfTc為歸一化頻偏，A為高斯白噪聲。根據(jù)式（2）的計算結(jié)果捕獲擴頻信道。

■2.3 擴頻信道同步

對于捕獲的通信信道，會存在部分波載頻率不統(tǒng)一的情況，因此不可直接作為通信系統(tǒng)的擴頻信道利用，基于此本文對捕獲信道進行同步處理，以此提高信道的可利用率，改善通信信息的同步效果。

當(dāng)捕獲的擴頻碼序列載波頻率的不一致，將序列位置第k 個符號間隔內(nèi)異常信道進行同步處理，如式（3）：

式中，n 為高斯白噪聲過程參數(shù)。

若序列滿足Tc=minT，則有。式中，表示為高斯白噪聲過程最佳參數(shù)。

通過上述方式提高捕獲信道的可利用率，通過增加可用傳輸信道數(shù)量，提高系統(tǒng)通信的同步效果。

■2.4 擴頻通信實現(xiàn)

在完成對擴頻信道的歸一化處理后，即可將其作為系統(tǒng)的通信信道進行信息傳輸。根據(jù)信號發(fā)出端提供的PUBLISH 消息，對其進行進一步的處理。確認(rèn)接收通信任務(wù)有效后，通過微信小程序通信服務(wù)建立通信連接，微控制器接收發(fā)送請求主動發(fā)送數(shù)據(jù)到客戶端。其實現(xiàn)流程包括以下主要步驟：

步驟1：根據(jù)設(shè)備驗證過程獲取的微信小程序的IP 地址和端口號與代理微控制器建立TCP 連接；

步驟2：根據(jù)設(shè)備驗證過程獲取的Username、Password和設(shè)備的ClientID、?；顣r間等向微信小程序代理微控制器發(fā)送一個通信消息流，與其建立一個協(xié)議級別的會話；

步驟3：當(dāng)微信小程序連接成功后，每個客戶端根據(jù)設(shè)備驗證過程中的信號向STM32F429VIT6 發(fā)出請求，以完成后續(xù)的通信；

步驟4：客戶端和微控制器連接成功并且擴頻碼捕捉完成后，每個客戶端就可以根據(jù)波載同步結(jié)果，實現(xiàn)和其它客戶端的通信；

步驟5：客戶端和STM32F429VIT6 連接成功后，接收應(yīng)用程序的消息發(fā)送請求，以微信小程序格式打包用戶數(shù)據(jù)發(fā)送給代理微控制器，微控制器根據(jù)內(nèi)容將消息推送給其他相應(yīng)的客戶端。

3 仿真分析

為了測試本文設(shè)計系統(tǒng)的性能進行了仿真測試。

■3.1 仿真參數(shù)

仿真平臺為simulink，具體的仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

■3.2 測試方法

在發(fā)送端向接收端發(fā)送具有突發(fā)幀信源數(shù)據(jù)，以256bit 的數(shù)據(jù)為一個基本單位，在其中添加10 個訓(xùn)練序列并進行封裝，以此作為新源數(shù)據(jù)中的突發(fā)幀并將其進行映射處理。本文采用BPSK 方法獲得映射結(jié)果后，運用長度為489 的擴頻碼進行擴頻處理，用30MHz 的載波對擴頻后的信源數(shù)據(jù)進行調(diào)制，在此基礎(chǔ)上進行5 倍上采樣，經(jīng)過成形濾波器后，在帶寬范圍為45MHz 內(nèi)信道上進行傳輸。

■3.3 測試結(jié)果

接收端接收到信號后，先對其進行載波解調(diào)，通過低通濾波器濾除掉高頻信號。載波解調(diào)完成后，數(shù)據(jù)在進入接收端的過程中需要進行擴頻傳輸，以此實現(xiàn)通信的高度同步。此時，系統(tǒng)進行擴頻碼捕獲、信道同步。其中擴頻碼捕獲以每246 個連續(xù)的輸入數(shù)據(jù)為一個基本單位，進行一次自相關(guān)運算，其結(jié)果輸出如圖3 所示。

圖3 擴頻碼捕獲模塊相關(guān)值

由圖可知，每當(dāng)擴頻信號與本地濾波器的系數(shù)相位對齊時，自相關(guān)值會產(chǎn)生一個峰值，即每246 個自相關(guān)值累加會出現(xiàn)一個峰值，但由于白噪聲干擾較大，其旁瓣值也較高，嚴(yán)重影響了同步性能，因此將自相關(guān)值進行同步處理。當(dāng)序列數(shù)據(jù)自相關(guān)值與本地產(chǎn)生的訓(xùn)練序列數(shù)據(jù)對齊時，擴頻碼捕獲和幀同步同時完成。該峰值明顯遠(yuǎn)高于其他旁瓣，提高了同步性能。

4 結(jié)束語

面對著通信需求的大幅提高，建立有效的擴頻通信物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是實現(xiàn)即時通信的重要手段。在互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的時代下，如何合理地運用時代產(chǎn)物，為通信物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建提供更好的環(huán)境，是一種切實可行的方式。本文提出基于微信小程序的擴頻通信物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)研究，實現(xiàn)了對通信過程中噪聲干擾的有效過濾，具有較高的通信性能。通過該研究，以期為通信物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計提供有價值的參考，為通信領(lǐng)域的良好發(fā)展提供幫助。