劉雋寧，朱 鋒

（國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719315）

0 引 言

目前，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、WiFi等信息化技術(shù)迅速發(fā)展，傳統(tǒng)模式的有線數(shù)據(jù)傳輸方式雖然能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸需求，但是成本高、數(shù)據(jù)采集效率低等因素影響了其具體應(yīng)用體驗(yàn)，針對(duì)該種情況，雖然一些技術(shù)人員嘗試性地以ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來完成數(shù)據(jù)信息的采集與傳輸，但是其難以直接與Internet集成，且傳輸距離受限。因此，文章提出一種基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以此來解決遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸過程中的諸多問題，并保證通信的穩(wěn)定性。

1 無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為基礎(chǔ)的無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)中，硬件架構(gòu)包括存儲(chǔ)裝置、顯示裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置、數(shù)據(jù)采集裝置以及微處理器裝置；控制核心選擇STM32處理器，用于處理各項(xiàng)數(shù)據(jù)；WiFi裝置用于無線通信，將得到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒?wù)器端；數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置選擇溫濕度傳感器，用于采集、提取室內(nèi)環(huán)境各個(gè)時(shí)間段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；TFT-LCD顯示屏用于記錄與顯示各個(gè)階段的數(shù)據(jù)信息；以傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）為基礎(chǔ)，利用Java技術(shù)、Socket技術(shù)展開網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議編程，保持通信裝置與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信；而多路測(cè)試節(jié)點(diǎn)則是將采集、提取的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息通過WiFi裝置直接傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，接收端借助通信協(xié)議來對(duì)測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送與獲取[1]。

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 微處理器選擇

考慮到處理器的功耗、性能以及成本等因素，選擇STM32F130ZET6芯片當(dāng)作系統(tǒng)處理器，其容量較大，主頻為72 MHz，內(nèi)部裝置512 kB閃存與64 kB SRAM，工作溫度為-40～85 ℃，并在內(nèi)部設(shè)置了多個(gè)設(shè)備接口，應(yīng)用范圍較廣，另外處理器包括停機(jī)、睡眠、待機(jī)等模式。

2.2 溫濕度傳感器選擇

考慮到系統(tǒng)需采集多個(gè)區(qū)域、多個(gè)室內(nèi)溫度濕度數(shù)據(jù)，可選擇DHT11溫濕度傳感器，其內(nèi)部裝置有負(fù)溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient，NTC）熱敏電阻測(cè)溫元件、感濕元件，可測(cè)量0～50 ℃的溫度，電流、電壓分別為0.5 mA、5 V，其在功耗、性能等方面皆達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

2.3 無線通信裝置選擇

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中以ESP8266裝置來保證WiFi通信穩(wěn)定，該項(xiàng)裝置自成體系，可借助串行外設(shè)接口/安全數(shù)字輸入輸出（Serial Peripheral Interface/Secure Digital Input and Output，SPI/SDIO）接口來連接微處理器，并可在-40～125 ℃的條件下工作，包括無線接入點(diǎn)（Access Point，AP）、單線程單元（Single-Threaded Apartment，STA）、STA+AP共3種模式，可靈活展開網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄3]。

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

結(jié)合系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)硬件展開初始化處理，其后開始設(shè)計(jì)模塊功能。針對(duì)ESP8266無線模塊來說，可借助AT指令集進(jìn)行各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，再選擇STA用于TCP客戶端的模式[4]。

3.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

TCP/IP協(xié)議包括應(yīng)用層、傳輸層以及Internet層，對(duì)應(yīng)的是應(yīng)用層協(xié)議、TCP/用戶數(shù)據(jù)協(xié)議（User Data Protocol，UDP）傳輸協(xié)議、IP協(xié)議，其中后兩者為基礎(chǔ)部分，前者則是以后兩者為基礎(chǔ)根據(jù)對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的具體要求來定制具體的功能。本文研究的系統(tǒng)是以異步通信來完成應(yīng)用層協(xié)議定制，且因上位機(jī)IP與測(cè)試點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)變化，故而選擇將兩端設(shè)定成TCP客戶端[5]。

3.3 應(yīng)用層協(xié)議工作流程設(shè)定

其中應(yīng)用層協(xié)議報(bào)文段包括數(shù)據(jù)信息、客戶ID、異步數(shù)據(jù)與同步數(shù)據(jù)類型選擇位以及用戶密碼4個(gè)部分，具體流程如圖1所示。在接入TCP客戶端后，驗(yàn)證密碼，開啟TCP連接，后續(xù)應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)類型判斷，如果是接收數(shù)據(jù)，則收集用戶ID，再判定其屬于異步或者是同步數(shù)據(jù)，若是前者則還需決定是否發(fā)送與存儲(chǔ)。若數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與原本設(shè)定的長(zhǎng)度一致，則將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在其對(duì)應(yīng)客戶ID處以備后續(xù)隨時(shí)提取；若數(shù)據(jù)信息為空，則直接發(fā)送存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，關(guān)閉TCP[6]。

圖1 應(yīng)用層協(xié)議流程

3.4 Java編程

在Java中通過java.net包完成網(wǎng)絡(luò)編程，所用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是Socket與ServerSocket，其中Socket類用來接收與發(fā)送數(shù)據(jù)，ServerSocket類是通過ServerSocket（int port）構(gòu)造。服務(wù)器端口選擇的是8086，因此可通過以下方式來創(chuàng)建端口：ServerSocketssocket=new ServerSocket（8086）。而 數(shù)據(jù)接收與發(fā)送則需依靠Socket類的getOutputStream與getInputStream[7]。

數(shù)據(jù)發(fā)送語句具體為：

4 系統(tǒng)測(cè)試

在完成系統(tǒng)硬件部分和軟件部分的設(shè)計(jì)后，制作樣機(jī)完成試驗(yàn)測(cè)試，以此來檢驗(yàn)系統(tǒng)本身的可靠性與可行性，具體步驟如下文所述。

（1）選擇某地區(qū)展開應(yīng)用測(cè)驗(yàn)，并將監(jiān)測(cè)終端設(shè)置在相互距離超過5 km的位置，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)a、監(jiān)測(cè)點(diǎn)b、監(jiān)測(cè)點(diǎn)c共3個(gè)監(jiān)測(cè)位置。在通電之后，選擇STA模式，連接Internet，設(shè)定TCP客戶端工作模式，直接輸入通信協(xié)議地址47.94.164.217，設(shè)定目標(biāo)端口為8086。成功連接后，會(huì)在TFT-LCD顯示屏處顯示各個(gè)時(shí)間段的溫濕度虛假信息，傳輸給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)定為37，報(bào)文段選擇testAM000x格式，其中test指的是設(shè)定密碼、AM指的是異步通信、000x指的是各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)ID[8]。

（2）監(jiān)測(cè)端連接網(wǎng)絡(luò)協(xié)議后開啟調(diào)試助手，再選用TCP客戶端以及與上述一致的服務(wù)器地址；建立好連接后，會(huì)有ARM處理器定時(shí)朝著服務(wù)器端不斷發(fā)送數(shù)據(jù)信息，調(diào)試助手在得到各項(xiàng)數(shù)據(jù)后進(jìn)行有效的處理；若是調(diào)取各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，則必須發(fā)送該測(cè)試點(diǎn)ID報(bào)文段，得到的數(shù)據(jù)格式為日期+時(shí)間+測(cè)試點(diǎn)編號(hào)+濕度+溫度[9]。

（3）以2021年3月19日為例，研究在10:00—18:00期間遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸情況，并每間隔15 min通過數(shù)據(jù)采集裝置采集各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度、濕度數(shù)據(jù)，共33組，再將收集的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息與實(shí)際溫濕度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比分析，以此來檢驗(yàn)該項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)誤差測(cè)量情況如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)誤差測(cè)量情況

分析以上誤差數(shù)據(jù)可知，無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)量過程中不會(huì)出現(xiàn)較多的誤差，且誤差范圍較低，有著極高的準(zhǔn)確率。在進(jìn)行無線傳輸時(shí)不會(huì)受到外界因素過多的影響，整個(gè)過程運(yùn)行穩(wěn)定，且未發(fā)生數(shù)據(jù)丟失等問題，傳輸距離不會(huì)受到限制，能夠精確地測(cè)量各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫濕度，具備較高的可靠性[10]。

5 結(jié) 論

文章基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述與分析，通過Java完成了通信協(xié)議編程，以此來解決以往遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸過程中的距離受限以及成本問題，并具有傳輸穩(wěn)定、效率高等特征，在進(jìn)行硬件部分和軟件部分設(shè)計(jì)后通過具體的試驗(yàn)來驗(yàn)證了其可行性與有效性，建議給與其足夠的重視，分析其實(shí)際應(yīng)用效果，以此來發(fā)揮更大的價(jià)值。