基于微信小程序的扩频通信物联网系统开发

程亚维

（济源职业技术学院，河南济源，459000）

0 引言

随着现代通信速率和频率越来越高，通信信息越来越广泛，有效地消除干扰成为确保通信顺利进行的重要保障，也成为物联网通信领域一个非常重要的问题[1-3]。随着频谱资源的利用程度逐渐提高，其呈现出越来越拥挤的态势，其之间的相互干扰作用也表现得越来越明显，干扰后果也越来越严重[4]。大约在20 世纪50 年代中期开始，扩频通信逐渐得到发展。在发展初期其主要应用于军事领域的通信系统中，用于抗干扰、协助制导、研发抗多径[5-6]。随着交流平台的发展，其扩展程序逐渐成熟，其中微信小程序以其操作简单、运行轻量、易于实现，以及其基于发布/订阅的消息转发模型等优点，成为物联网系统中潜在的标准通信[7]。

基于此，本文提出基于微信小程序的扩频通信物联网系统开发研究。分别从硬件和软件两个方面对系统进行设计研究，并通过仿真分析验证了所提方法的有效性。

1 硬件设计

根据硬件原理需求设计的电路实物如图1 所示。由图1可知，此次设计的扩频通信物联网系统主要由电源模块、控制模块、通信模块和外围模块等组成，可以看出相对于传统设备开发，只需要增加一个Wi-Fi 通信模块即可让该设备具有连接到Wi-Fi 网络的能力，而借助联网能力便于实现更多控制方式，并且目前各类成熟的Wi-Fi 模块和其配套开发工具又使该过程变得更为高效。为此，本文主要设计Wi-Fi 模块和微控制器。

图1 硬件原理结构图

■1.1 Wi-Fi 模块

本文在对系统的Wi-Fi 模块进行设计时，主要需要考虑了数据传输速率、传输距离和发射功率三方面的因素，最终选用上海庆科推出的EMW1062 低功耗嵌入式Wi-Fi 模块。其功能实现的主要技术是直接序列扩频以及OFDM/CCK 技术，通过对无线通信信道进行调制，解调其由于干扰引起的通信异常问题，其应用的主要协议是2.4GHz IEEE802.11b/g/n，并具有功率放大器和电源管理单元，为了实现多元化设备的有效使用，设置有SDIO2.0/SPI 通讯接口，供电方式为3.3V 单电源供电。

在无线局域网使用方面，其完全符合IEEE802.11b/g/n 标准，在801.41b 条件下，最大数据传输速率可达到10Mbps；在801.41g 条件下，最大数据传输速率可达到49Mbps。在此基础上，本文选择SDIO 通信接口，通过其完成Wi-Fi 模块与微控制器之间的连接，实现对高数据吞吐量的适配。

■1.2 微控制器

作为扩频通信物联网系统的核心硬件，微控制器是决定系统运行效率以及通信系统造成运行的关键。对于微控制器的选型，本文主要从芯片的存储资源、外设资源以及处理速度三个方面进行考虑。首先，由于实现终端设备接入，以及网络通信时的嵌入系统和TCP/IP 协议，其需要具有实现HTTP 客户端、微信小程序客户端以及Wi-Fi 模块驱动能力，此过程需要500KB 左右的FLASH 存储空间和200KB 的RAM 空间；其次，为了能够与Wi-Fi 模块实现联通，微控制器需具有SDIO 接口。除此之外，作为扩频通信物联网系统中的一个通用设备，其需具备包括USART、USB、CAN 在内的必要外设装置；同时，为了确保实时稳定通信的顺利进行，微控制器在运算速度和处理速度上要具有较高的效率。基于上述考虑，本文采用了ST 公司的STM32F429VIT6 微控制器作为系统的微控制器设备，其运行基础是Cortex-M4内核芯片，在通信物联网系统中运行时，具有较高的可靠性。在引脚分布方面，其具有更少的引脚，因此在功率消耗方面始终稳定在较低水平，对于MCU 的低成本运行要求具有较高的适配性；同时，在计算能力方面，其可以实现对通信数据的高速计算，代码效率表现优异，并具备先进的中断响应机制；性能有效运行空间仅为8 位和16 位。STM32F429VIT6 最高工作频率可达180MHz，浮点运算单元和DSP 指令可在其中同时运行，可以在高速通信模式下实现对系统的任务管理与调度，确保终端设备通信的实时性；其自带的2048KB 的FLASH 程序存储区可以为常需提供充足内存，256KB 的静态随机存储区能够满足系统运行时产生的数据信息的缓存需求。

2 软件设计

■2.1 微信小程序服务设计

为实现微信小程序协议的通信服务机制，微信小程序客户端服务程序与微控制器建立连接，根据应用程序的需求捕获扩频码，当接收到STM32F429VIT6 推送的消息时，进行初步处理后再将消息发送给相应的应用程序进行处理。微信小程序客户端服务程序还可以接收应用程序的消息发送请求，以微信小程序消息格式对应用数据封装后将消息发送给微信小程序STM32F429VIT6，再由STM32F429VIT6 转发至其他客户端，其主要运行机制如图2 所示。

图2 运行机制示意图

■2.2 扩频信道捕获

微控制器接收到请求后，在实现扩频通信前，首先要对扩频信道进行采集。针对此，本文采用串行搜索捕获技术，对扩频信道进行捕获。通过对信道在一个扩频码周期内进行自相关运算，判断其是否满足通信系统扩频传输需求。

在一个扩频码周期内，将接收的扩频信号与本地产生的扩频码序列进行自相关运算。若积分器的输出信号幅度很小，说明本地扩频码序列与接收的扩频码序列尚未同步，则通过控制本地扩频码发生器将其相位移动1/2 个码片；若积分器出现峰值并大于预设的阈值，捕获成功。设扩频码序列长度为N，码元宽度为T，则扩频码序列的周期为Tc。若本地扩频码相位一开始就与接收的扩频码序列相同，只经过一次自相关运算就能完成捕获，而不需要扩频码产生器再改变本地扩频码的相位。那么串行搜索捕获法所需的最小同步时间为式（1）。

当捕获的扩频码出现各种相位状态的几率相同，串行搜索捕获法所需的平均捕获时间。在启动捕获后，系统首先获取微信小程序微控制器的连接信息，尝试与微信小程序代理微控制器建立连接，处理连接请求的交互数据，对信道捕获时间进行处理响应。当捕获时间突然中断时，则认为该区域内的捕获不具有实际意义。若每隔一段时间捕获周期出现了大幅度上升，则认为在该区域的捕获尝试的次数到达设定的阈值，不再进行信道捕获行为，其可以表示为式（2）。

式中，Δf、Δδ分别为捕获信道的频偏和相偏，ΔfTc为归一化频偏，A为高斯白噪声。根据式（2）的计算结果捕获扩频信道。

■2.3 扩频信道同步

对于捕获的通信信道，会存在部分波载频率不统一的情况，因此不可直接作为通信系统的扩频信道利用，基于此本文对捕获信道进行同步处理，以此提高信道的可利用率，改善通信信息的同步效果。

当捕获的扩频码序列载波频率的不一致，将序列位置第k 个符号间隔内异常信道进行同步处理，如式（3）：

式中，n 为高斯白噪声过程参数。

若序列满足Tc=minT，则有。式中，表示为高斯白噪声过程最佳参数。

通过上述方式提高捕获信道的可利用率，通过增加可用传输信道数量，提高系统通信的同步效果。

■2.4 扩频通信实现

在完成对扩频信道的归一化处理后，即可将其作为系统的通信信道进行信息传输。根据信号发出端提供的PUBLISH 消息，对其进行进一步的处理。确认接收通信任务有效后，通过微信小程序通信服务建立通信连接，微控制器接收发送请求主动发送数据到客户端。其实现流程包括以下主要步骤：

步骤1：根据设备验证过程获取的微信小程序的IP 地址和端口号与代理微控制器建立TCP 连接；

步骤2：根据设备验证过程获取的Username、Password和设备的ClientID、保活时间等向微信小程序代理微控制器发送一个通信消息流，与其建立一个协议级别的会话；

步骤3：当微信小程序连接成功后，每个客户端根据设备验证过程中的信号向STM32F429VIT6 发出请求，以完成后续的通信；

步骤4：客户端和微控制器连接成功并且扩频码捕捉完成后，每个客户端就可以根据波载同步结果，实现和其它客户端的通信；

步骤5：客户端和STM32F429VIT6 连接成功后，接收应用程序的消息发送请求，以微信小程序格式打包用户数据发送给代理微控制器，微控制器根据内容将消息推送给其他相应的客户端。

3 仿真分析

为了测试本文设计系统的性能进行了仿真测试。

■3.1 仿真参数

仿真平台为simulink，具体的仿真参数如表1 所示。

表1 系统仿真参数

■3.2 测试方法

在发送端向接收端发送具有突发帧信源数据，以256bit 的数据为一个基本单位，在其中添加10 个训练序列并进行封装，以此作为新源数据中的突发帧并将其进行映射处理。本文采用BPSK 方法获得映射结果后，运用长度为489 的扩频码进行扩频处理，用30MHz 的载波对扩频后的信源数据进行调制，在此基础上进行5 倍上采样，经过成形滤波器后，在带宽范围为45MHz 内信道上进行传输。

■3.3 测试结果

接收端接收到信号后，先对其进行载波解调，通过低通滤波器滤除掉高频信号。载波解调完成后，数据在进入接收端的过程中需要进行扩频传输，以此实现通信的高度同步。此时，系统进行扩频码捕获、信道同步。其中扩频码捕获以每246 个连续的输入数据为一个基本单位，进行一次自相关运算，其结果输出如图3 所示。

图3 扩频码捕获模块相关值

由图可知，每当扩频信号与本地滤波器的系数相位对齐时，自相关值会产生一个峰值，即每246 个自相关值累加会出现一个峰值，但由于白噪声干扰较大，其旁瓣值也较高，严重影响了同步性能，因此将自相关值进行同步处理。当序列数据自相关值与本地产生的训练序列数据对齐时，扩频码捕获和帧同步同时完成。该峰值明显远高于其他旁瓣，提高了同步性能。

4 结束语

面对着通信需求的大幅提高，建立有效的扩频通信物联网系统是实现即时通信的重要手段。在互联网快速发展的时代下，如何合理地运用时代产物，为通信物联网系统的构建提供更好的环境，是一种切实可行的方式。本文提出基于微信小程序的扩频通信物联网系统开发研究，实现了对通信过程中噪声干扰的有效过滤，具有较高的通信性能。通过该研究，以期为通信物联网的设计提供有价值的参考，为通信领域的良好发展提供帮助。