串口转WIFI技术在烟草企业成品出库扫码中的应用研究

崔江波 孟祥婷 罗赛

摘要：在卷烟企业成品出库扫码环节，扫码器与计算机之间通常采用串口通讯，串口通讯是有线传输，存在传输距离短，可移动性和扩展性差、后期运行成本和扩充成本高、故障查找难度大等缺点。为了改变卷烟企业成品出库扫码通讯系统的现状，本文采用一种基于串口转WIFI数据传输技术，应用于卷烟企业成品出库扫码通讯环节，从而使串口通讯摆脱了线缆的束缚，简化了通讯设备工艺布局，提高出库设备的技术先进性和适用性，并且有效解决了有线通讯中的缺点，增强了出库扫码通讯系统的响应速度，提高了成品出库效率。

关键词：串口转WIFI技术;通讯协议;透明传输通讯;虚拟串口

中图分类号：TP311     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）23-0018-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

物流体系是中国烟草持续健康发展的重要支撑和坚强保障，物流工作随着卷烟市场化不断深入开展，从业务本身也提出了进一步的要求，概括地说，提高物流对资源的调控能力，因此精细化管理成为物流行业的必然选择。各卷烟企业把提升物流管理水平、提高物流服务质量、降低物流成本、提高物流运行效率作为企业生存与发展的首要目标。本文的研究就是在这种大背景下产生的，在卷烟企业成品出库扫码环节，计算机通常需要与扫描器建立通讯来接收扫描数据以及对扫描器进行控制。扫描器的通讯接口为串口，串口通讯的传输介质是有线电缆，虽然有线传输能适应绝大多数的工业环境，但在一些特殊环境中（布线困难、温度低等），有线传输由于其自身的缺陷将无法适应。为了改善传统出库扫码通讯系统的弊端，在研究和分析当今最新通讯技术及信号转换技术的基础上，本文提出了一种基于串口转WIFI数据传输技术，可实现成品出库扫码的无线通讯。

2 基于串口转WIFI技术的卷烟成品出库扫码无线通讯系统总体设计

2.1 卷烟成品出库扫码无线通讯系统的结构设计

卷烟成品出库扫码无线通讯系统布局采用分级式结构，共分两层，上层为下达指令与数据接收层，配有出库终端，负责向扫描器下达扫描指令并监控和回收扫描数据，并向上一级的管理机回传已扫描的单据;下层为数据采集层，配有扫描器和串口转WIFI设备，扫描器负责扫一号工程码，串口转WIFI设备负责将扫描器的串口接口转换成能进行无线通讯的网络接口，通过串口转WiFi设备将扫描器的串口数据转换成TCP/IP数据，扫描器与串口转WIFI设备之间为串口有线连接。

2.2 无线通信技术标准的选择

目前无线通信技术标准主要有依靠移动通信网络的GSM、GPRS以及新兴的3G网络技术，也有短距离的自行组网的小型无线局域网技术如蓝牙、ZigBee、WIFI技术等。因此无线通信技术标准根据实际应用环境、可靠性、开发周期、运行成本等因素有很多种选择，本文设计的卷烟成品出库扫码无线通讯系统，作业的有效空间大小为20米*20米范围，属于短距离通讯，且从运行成本和性能要求上综合考虑，适合构建短距离通讯的小型无线局域网。以下为短距离通讯技术标准：蓝牙技术、无线局域网WiFj技术、ZigBee技术对照明细表。

在卷烟成品出库扫码通讯系统中需要的传输技术必须考虑以下几点：

（1）需要传输速度高，保证数据传输时响应迅速，三个协议中无线WIFI协议的传输速率最高为54Mbps;

（2）传输距离至少30M以内，以此来满足扫描设备布置的灵活性要求，从表中介绍的几种技术来看，WIFI技术的传输距离比ZIGBEE技术、蓝牙技术具有更大的优势;

（3）安全性要保证，三个技术协议中无线WIFI协议安全认证标准为WPA2，安全性最高;

（4）实际要求构建小型无线局域网，只有无线WIFI协议符合要求可以构建。

因此卷烟成品出库扫码通讯系统采用无线WIFI协议构建网络。无线WIFI协议又称802.11标准，使用的频段有2.4GHz和5GHz两个频段，无线WIFI协议在2.4GHZ频段穿透能力最强，不易受阻碍，信号传播距离最远，因此本次設计选用穿墙能力强的2.4GHz频段。

2.3 无线局域网的拓扑结构设计

无线通信从拓扑结构上可分为自组网和基础网，自组网也称STA组网模式，STA是站点，无线通信网络中每一个的终端（如手机、笔记本、掌上电脑PDA等）都可以称作是一个站点，网络中所有站点的地位是平等的，无须设置任何的中心控制结点。基础网也称AP组网模式， AP是一个网络的创建者，处于网络的中心节点，网络中所有的通信都要通过AP来实现数据的转发。出库扫码实际工作需要一台出库终端控制两个或更多个扫码器，STA模式只能一对一进行通讯，不能进行一对多通讯;AP模式可以做到一对一或一对多通讯，因此本次设计的卷烟出库扫码无线通讯系统，采用AP组网模式。

无线网络中设备可以分为三类 ：数据接入节点AP、终端节点ED、扩展节点RE。这三种设备是以各自在网络中实现的功能来划分的。

（1）数据接入节点AP是网络的数据中心，负责向网络中每个节点发送数据和接收来自每个节点的数据。本次设计配置的硬件设备为路由器;

（2）终端节点ED是具有执行功能的控制节点。配置的设备有出库终端串口转WIFI设备、扫码器;

（3）扩展节点RE是一个长期持续工作的节点，在网络中担当扩展网络覆盖范围的任务，它的实际工作就是转发信息。配置的设备为无线中继，本次设计中由于出库终端与扫描设备距离短，只设置1个扩展节点。

无线路由器作为网络的总控中心AP，出库终端、串口转WIFI设备和扫码器作为STA。通过路由器这个桥梁，出库终端与串口转WIFI设备和扫码器之间形成一个完整的小型无线局域网络，从而达到控制和数据交互的目的。以下为由ED、RE、AP设备构成的网络拓扑示意图。

2.4 卷烟成品出库扫码无线通讯系统主要流程设计

卷烟成品出库扫码无线流程分两步来进行，第一步为下达扫码指令段，这段流程为出库扫码通讯流程最开始段，只执行一次。即操作人员通过出库终端对扫码器下达扫码指令，指令通过路由器传递给串口转WIFI设备，串口转WIFI设备内部将TCP/IP指令转换成串口指令，并传递给扫码器执行;第二步为回收扫码数据段，即扫码器扫描一号工程码，通过串口将扫码数据传递给串口转WIFI设备，串口转WIFI设备内部将扫码串口数据转换成TCP/IP数据，并经由路由器传递给出库终端。完成所有扫描单据后，操作人员将扫描单据上传至一级的管理机，这样在厂内扫码通讯流程结束。

3 串口转WIFI设备的设计

3.1 串口转WIFI设备功能设计

串口转WIFI技术能够使串口设备具有TCP/IP网络接口的功能，并在TCP/IP网络通讯协议下传送数据，因此设计串口转WIFI设备时，要求串口转WIFI设备至少具备三个接口：一个与扫码器通讯的串口接口、一个具有TCP/IP通讯功能的TCP/IP接口、一个电源供电接口，按照实际使用的需求合理地选择各组成部分是设计串口转WIFI设备的关键，因此最终确定串口转WIFI设备由4部分功能模块组成：串口模块、处理器模块、无线通讯模块和电源模块，其组成结构图如图4所示。

串口模块是负责接收扫码器扫描的串口数据，并传递给处理器模块，或者将处理器模块发送的数据传给扫码器;处理器模块负责数据转换，将串口数据转换成TCP/IP数据，或将TCP/IP数据转换成串口数据;无线通讯模块负责将处理器模块发送来的数据转发出去，或者将TCP/IP数据发送给处理器模块，要求支持 802.11b/g/n 无线标准，频段范围2.412GHz-2.484GHz;电源模块采用DC5V 供电，电源输入具有 TVS 保护功能。

3.2 串口转WIFI设备接口设计

市面上的串口转WIFI设备有两种：内置式和外置式，内置式的串口接口为TTL针式接口;外置式的串口接口为九针口或接线端子，实际使用的扫描器接线盒内有两个串口接口：一个是副口为九针母口，另一个是主口为接线端子，没有TTL针式接口，因此本次设计采用外置式串口转WIFI设备。

串口模块的串口接口协议主要有RS232和RS485两种，为了维护方便，且与扫描器接线盒内副口的接口协议保持一致，设计中采用RS232串口协议。接口样式有两种：九针串口与接线端子，为了减少维修和重新安装时接线的麻烦，本次设计采用九针串口，数量取1个，保持串口转WIFI设备体积最小和功耗最低，串口引脚与扫描器接线盒的串口保持一致，主要為三根线TX/RX/GND，其余悬空。

电源模块的供电接口有两种样式：适配器和接线端子，本次设计采用两种接口，保证最大限度地适应外界供电环境接口，适配器支持5.5*2.1 标准电源接口，接线端子支持一进一出接线端子供电方式。

无线模块的外接口为外接天线，选用3dbi 天线，连接方式为SMA外螺内孔，具体接口框图如图5所示：

3.3 串口转WIFI设备的工作模式设计

串口转WIFI设备可工作于SOCKET通讯模式或命令模式。在SOCKET模式下，串口转WIFI设备可工作在透明传输、串口指令、HTTPD CLIENT、WEBSOCKET四种通讯模式下，可实现同步/异步收发传输器UART（UNIVERSAL ASYNCHRONOUS RECEIVER/TRANSMITTE）与网络设备之间的数据传输。在命令模式中，可使用AT（ATTENTION）命令对串口转WIFI设备进行UARTD的设置。本次设计采用SOCKET模式下的透明传输通讯模式实现数据交互。透传的通讯模式是无论传输的数据是什么，不会对其进行任何处理，只负责将需要转发的数据正确的传输到目的节点，与交换网络的介质、解调方式、传输方式和通讯协议无关。当串口转WIFI设备UART接口写入数据时，会自动向Socket转发数据;而串口转WIFI设备通过Socket接收的数据，都将通过UART接口发送出去。SOCKE有四种工作方式包括：TCP SERVER、TCP CLIENT、UDP SERVER、UDP CLIENT四种方式，从数据传输安全性考虑，TCP更具有优越性，在传送数据时，UDP管发不管到，而TCP管发也管到。成品出库扫码通讯系统需要出库终端控制多个扫码器，出库终端相当于服务器，扫码器相当客户端，因此串口转WIFI设备工作模式采用TCP CLIENT方式。具体如下图：

4 卷烟成品出库扫码无线通讯系统的实现过程

4.1 卷烟成品出库扫码无线通讯系统软件通讯的实现过程

用于卷烟成品出库扫码通讯的软件有：一号工程出库扫码管理软件、扫码设备调试软件。其中一号工程出库扫码管理软件属于远程设备的数据传输监控与控制系统，扫描设备调试软件属于对扫码器进行初始化配置和调试软件，这两款软件不属于本文研究的内容，我们只需要了解这两款软件与扫码设备间进行的数据通讯方式即可，两者的通讯方式为串口有线通讯，只能收发和控制串口数据。本节的重点研究的是如何在两款软件不做二次开发的情况下实现串口无线通讯，即收发和控制TCP/IP数据。这里引入了虚拟串口软件，通过虚拟串口软件可将TCP/IP连接、UDP广播，映射成本机虚拟串口，应用软件通过访问虚拟串口，对外可以完成远程控制、数据传输等功能。虚拟串口软件成为应用软件与远程设备进行TCP/IP通讯的桥梁。

串口应用软件在无线通讯系统中实现过程： 串口应用软件向内部的虚拟串口发送指令，内部的虚拟串口将该串口指令转换成TCP/IP指令，通过出库终端的物理网口将指令传递给路由器;由路由器传输的TCP/IP指令到达出库终端的物理网口，由物理网口传递到内部虚拟串口，内部的虚拟串口将该TCP/IP指令转换成串口指令，发送给串口应用软件。

4.2 卷烟成品出库扫码无线通讯系统硬件通讯的实现过程

出库终端（ED）、路由器（AP）、扫描器和串口转WIFI设备（ED），首先上电初始化，初始化后，出库终端、串口转WIFI设备向路由器发出请求入网帧，路由器接收出库终端、串口转WIFI设备发出的入网请求帧，并分配连接标识、端口号给新入网设备。出库终端向要连接的串口转WIFI设备发出广播连接帧并进入等待连接，对端的串口转WIFI设备处于监听状态，在接收到广播请求连接帧后给出响应帧建立连接，连接建立后便可以开始数据双向传输。

5 全文总结

本文针对卷烟企业成品出库扫码通讯现状和发展要求，提出并实现了一种基于串口转WIFI技术的卷烟成品出库扫码无线通讯系统设计方案。本方案将串口转WIFI技术应用到卷烟成品出库扫码通讯中，实现了串口设备之间具备无线通讯的能力的要求，串口设备之间的数据通讯再也不受位置和线缆的束缚，可移动性较好、交互性更强，建设成本和后期运行成本较低，可靠性高，且具有良好的拓展性和通用性。

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【通联编辑：梁书】