一种新的装备信息无线传输系统设计

曹 森 张蕉蕉 郭坚毅 练伟强

(解放军理工大学工程兵工程学院1，江苏 南京 210007;南京军区73602部队2，江苏 南京 210007)

0 引言

装备信息自动采集传输是我军装备管理工作实现自动化和信息化的起点。长期以来，我军部队装备信息输出仍以指针式仪表为主，信息化程度滞后于当前国内外比较先进的民用工程装备水平;部队装备管理自动化水平不高，特别是一些偏远地区部队，装备的日常管理工作大量依赖人工作业，采取手工记录，然后交由上级部门统计，存在难以及时统计上报、效率低下、原始数据不精确等问题。车辆行驶记录仪不仅能记录并存储车辆相关信息，而且还能与管理中心实现实时数据传送，使车辆实时处于管理中心的监控中[1]。

针对上述问题，本文对原有工程装备进行信息化改造，设计了装备信息记录仪，用于实时采集装备信息。在此基础上，基于CC2510单片机的无线通信功能，设计一个无线通信系统，实现了装备信息的实时传输，这对提高装备信息的自动采集传输效率具有重要作用。

1 总体设计

装备信息传输主要有两种方式：一是通过GSM、GPRS(CDMA)等远程数据通信方式实现装备信息的实时传输;二是在装备信息记录仪中预留USB或串口，通过这些接口将装备信息生成数据文件上报。在这两种方式中，前者不符合部队装备的保密安全需要，而后者存在操作复杂、自动化程度不高、实时性差等问题。本文借鉴了飞机“黑匣子”的设计思想，设计了基于CC2510的装备信息无线传输系统，实现了装备信息的自动传输。系统总体结构图如图1所示[2]。

图1中，虚线部分表示的是无线通信子系统，各装备信息采集器及装备信息采集控制器之间的通信都基于CC2510通信模块。

2 硬件设计

装备信息无线传输系统选用CC2510作为信息处理与无线通信模块的核心控制器。无线通信部分使用CC2510自带的RF无线收发功能模块CC2500，可实现低速数据输入、高速数据输出。CC2510集成了一个高度可配置的调制解调器。

系统电路设定为2 400～2 483.5 MHz的ISM(工业、科学)和SRD(短距离设备)频率波段。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，使性能得到提升[3－6]。

系统电路如图2所示。XOSC_Q1和XOSC_Q2脚之间连接26 MHz晶体，作为系统高速时钟源。振荡器为晶体的平行模式操作而设计。低速时钟源一般作为看门狗时钟源，采用低功耗32.768 kHz晶体振荡器。晶体负载电容(C15和C16)是必需的。载电容值由总负载电容量CL决定。在指定频率下，为使晶体振荡，晶体两端的总负载电容值应该等于CL。寄生电容由引脚输入电容和PCB漂移电容所组成。总寄生电容典型值为2.5 pF。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配器件的输入/输出阻抗，使其输入/输出阻抗为50 Ω，发射部分经过前端π型匹配网络向50 Ω天线馈电。CC2510上还预留一些端口，用于从外设的数据采集器中读取数据。

图2 系统电路Fig.2 Systematic circuit

抗干扰设计直接关系到射频性能和整机的运行。由于工作频率较高，所以设计了以CC2510芯片为中心的应用电路，各元器件紧靠CC2510，从而尽可能减少分布参数的影响。在PCB布线时，CC2510芯片底部应保持良好接地，并尽量多打一些通孔，使顶层和底层的地能够充分接触、空余部分大面积连续接地[7]。电源线最好从电源主节点呈树状引出不同分支的电源线为每个电源引脚供电，使引脚间产生空间上的隔离，以减小彼此之间的耦合。同时可使用多个去耦电容、旁路电容滤波，以保持电源的纯净。

3 信息传输通信协议

3.1 通信协议总体设计

装备信息数据采集器与记录仪间的数据报文分为广播报文帧和点对点数据报文帧2类。由于CC2510中的CC2500接收器可以对收到的数据进行数据包的硬件解析和地址过滤(只接收发送到本机的地址以及广播的数据包)等，这样可以方便地实现广播发送和点对点的通信。由于CC2510模块集成了硬件数据处理器，便于对发送和接收的数据进行白化、同步、CRC校验等处理。

广播报文帧和点对点的报文帧在格式上是一样的，只是发送地址不同：当发送地址是0或255时，发送的是广播数据帧;否则，发送的就是到某个地址的点对点的报文帧。

报文由报文长度、接收方地址及后续数据组成。具体数据报文格式如图3所示。

图3 报文格式Fig.3 Format of message

采集控制器与装备信息记录仪之间的无线通信命令格式如图4所示。

图4 无线通信命令格式Fig.4 Format of wireless network

图4中，len为不含自身的至crc的字节数;crc为校验数据，其值为从len至crc的所有数据累加和。返回命令串也遵循上述格式，只是对命令号进行修改：cmdNo=发送的原命令值+0x11。

若查询记录仪当前的时间为：2009年3月17日22时37分58秒，要采集这个数据，则发送命令：AA 55 09 20 09 03 17 22 08 37 58 crc，返回命令：AA 55 09 31 09 03 17 22 08 37 58 crc。

所有时间均采用BCD码表示(上述数据为16进制)。

3.2 点对多点通信设计

无线传输系统通信设计是实现数据传输的关键。根据本系统传输需求，设计满足系统要求的数据通信是本文研究的重点和难点。

①由于所有装备信息记录仪上的无线模块都工作在同一频段，当多个装备进入无线采集区时，采集器与记录仪间的通信变成了点对多点的通信。为了避免同频干扰及数据源混乱的问题，系统采用不同频率收发和广播的方式来解决这个矛盾。由采集器发送广播查询命令，查询在天线有效覆盖范围内有没有记录仪存在。

②当记录仪收到该广播后，准备好回送的数据，在等待一定时间后，将包含本记录仪编号、采集的装备信息通过另外的信道发送给采集器。

③采集器收到该记录仪发来的信息后，一方面保存该信息，将相关数据通过TCP/IP(或RS-232)等方式传递给PC机;另一方面，采集器又向该记录仪发送点对点的消息帧，通知该记录仪已经收到所发送的数据帧，在设定时间内(如10 s)不再回应采集器所发来的广播命令。

④如果有多个记录仪同时响应广播命令而发送数据，造成采集器不能正确接收数据，采集器会继续广播询问，直到接收到某个记录仪发来的完整数据，然后重复步骤③。

⑤由于采集器和记录仪之间的通信速率很高(100 kbit/s)，而记录仪每次响应广播后回送的数据很少(24 B)，同时已经成功发送过数据的记录仪在近期内不会再响应采集器的广播命令，所以在随机的时间内，采集器可以采集采集区内的所有记录仪的全部信息。

⑥如果需要查询某个记录仪的详细信息，还可以通过发送点对点的查询命令帧，来进一步查询该记录仪的详细数据，其他记录仪不会响应该命令帧。

上述方法运用主动呼叫原理，将数据中心与无线监测终端之间点对多点通信转换成点对点通信，从而有效解决了点对多点通信之间产生的干扰和冲突问题。

当采集区内存在多个装备(不大于30个)时，可以保证采集器将所有装备的信息采集回来，并将数据传递给PC进行存储和处理。

4 系统无线传输软件设计

设计的装备信息无线传输流程如图5所示[8－9]。

图5 装备信息无线传输流程图Fig.5 Wireless transmission flowchart of equipment information

在无线传输流程中，先对装备信息记录仪的CC2510模块进行初始化，设定本机地址，然后进入接收状态;系统开始查询是否收到命令。若没有收到命令，则继续查询;若有收到命令，则先判断是否为广播命令。如若不是广播命令，则进入点对点接收状态，根据不同的命令记录生成相应的数据直接发送，然后再次进入接收状态;若是广播命令，则判断本机是否已经响应过该广播。如已响应，则继续等待接收命令;如没有响应，则取出装备信息，进行回应，为了避免冲突，延时随机的时间发送回应数据，然后再次进入接收状态。

5 结束语

基于CC2510的装备信息无线传输系统设计，对装备信息数据进行传输是本文的创新之处。采用无线传输，在给部队内部数据传输带来便利的同时降低了成本和功耗，也大大提高了工作的灵活性和响应速度，能可靠地实现点对多点的可靠通信，较好地解决了装备信息自动采集的问题。该系统已在多个部队中加以应用，为装备管理节省了大量的人力、物力，赢得了广泛好评。

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