自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

付琳琳，章 杰，林宇慧，程樹英，陳金伙

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院 微納器件與太陽(yáng)能電池研究所，福建 福州 350108）

無線通信技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到人們生活和工作的各個(gè)方面，包括日常使用的手機(jī)和無線電話等，其中3G無線通信[1]是21世紀(jì)最熱門的應(yīng)用之一。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的創(chuàng)新，2G網(wǎng)絡(luò)提供的業(yè)務(wù)已不能滿足人們的需求，3G業(yè)務(wù)成為人們新的追求。3G業(yè)務(wù)的推出，不僅能夠滿足人們對(duì)語(yǔ)音通信的需求，還支持?jǐn)?shù)據(jù)通信，在傳輸速率及效率上都有了很大的提高。近年來，嵌入式無線通信技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域[2]，尤其是在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[3]中，通過對(duì)嵌入式平臺(tái)軟硬件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)控，節(jié)省了人力物力資源。但是由于無線通信的移動(dòng)性，需要隨著環(huán)境的改變作相應(yīng)的改變，以適應(yīng)環(huán)境的需要，提高系統(tǒng)的工作性能和穩(wěn)定性。

基于上述情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)無線通信軟件包，它通過USB口將3G Modem與三星S3C6410微處理器相連，USB作為一個(gè)虛擬串口實(shí)現(xiàn)AT指令的收發(fā)。該軟件包既可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和短信等方式的通信功能，又可以根據(jù)外界網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化調(diào)整網(wǎng)絡(luò)模式使通信模塊工作在最優(yōu)狀態(tài)。該軟件包可以通過與嵌入式設(shè)備相連實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)控，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)

1.1 無線通信系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)可以進(jìn)行自適應(yīng)無線通信的軟件包，系統(tǒng)可以在完成無線通信的基礎(chǔ)上根據(jù)環(huán)境變化作出自適應(yīng)處理。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)可劃分為硬件平臺(tái)層、驅(qū)動(dòng)程序?qū)?、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層 4層，如圖1所示。應(yīng)用層程序包括語(yǔ)音通信、短信通信和數(shù)據(jù)通信等，分別通過串口對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行讀和寫操作，互不影響，并且可以同時(shí)進(jìn)行。這樣就可以方便地進(jìn)行應(yīng)用程序的升級(jí)、移植和擴(kuò)展，而不對(duì)其他應(yīng)用程序造成影響。而且在不改變系統(tǒng)硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，可以對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)展，方便了系統(tǒng)的升級(jí)改造。

圖1 無線通信系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.2 自適應(yīng)無線通信軟件包

自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)主要包括語(yǔ)音通信、短信通信和數(shù)據(jù)通信等。系統(tǒng)不僅可以根據(jù)不同的功能需求啟動(dòng)相應(yīng)的功能，而且可以在不同的網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行無縫切換，以適應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的改變，使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。軟件包的組成及其接口函數(shù)如圖2所示。

圖2 無線通信軟件包及接口函數(shù)

2 自適應(yīng)無線通信軟件包的實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件平臺(tái)及軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)是基于WinCE6.0平臺(tái)的VS2005的AT指令編程。WinCE6.0作為微軟發(fā)布的一款嵌入式操作系統(tǒng)[4]，具有高度的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。VS2005作為WinCE6.0的一個(gè)開發(fā)環(huán)境，具有高度的集成性和擴(kuò)展性。

系統(tǒng)軟件采用標(biāo)準(zhǔn)的通信軟件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)的移植和升級(jí)。軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要的應(yīng)用程序包括語(yǔ)音程序、短消息程序、串口程序和數(shù)據(jù)通信程序等。

圖3 系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

2.2 自適應(yīng)的實(shí)現(xiàn)

自適應(yīng)控制可以看作是一個(gè)能根據(jù)環(huán)境變化智能調(diào)節(jié)自身特性的反饋控制系統(tǒng)，以使系統(tǒng)能按照一些設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)工作在最優(yōu)狀態(tài)[5]。本文的自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)就是根據(jù)這一原理，根據(jù)不同時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度等參數(shù)，選擇較好的網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)工作在最佳的網(wǎng)絡(luò)模式。

本文使用的CDMA2000無線通信模塊支持CDMA1X和EVDO兩種網(wǎng)絡(luò)模式，因此可以在這兩種網(wǎng)絡(luò)模式中進(jìn)行工作。關(guān)鍵是怎樣實(shí)現(xiàn)它們之間的自由切換。具體實(shí)現(xiàn)原理如下：程序通過檢測(cè)線程函數(shù)不停地監(jiān)測(cè)兩種網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度，由于接收緩沖區(qū)會(huì)有很多不同的數(shù)據(jù)，先將串口接收到的數(shù)據(jù)保存在一個(gè)隊(duì)列中，在隊(duì)列中查找有效的信號(hào)返回參數(shù)。提取其中的有效返回值，通過比較選出較好的網(wǎng)絡(luò)，最后通過軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模式的切換。通過這種方式可以選擇信號(hào)較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)，使得通信質(zhì)量顯著提高。

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，測(cè)試串口及無線通信模塊連接情況。當(dāng)串口正常打開時(shí)，程序執(zhí)行信號(hào)檢測(cè)線程函數(shù)，通過發(fā)送AT指令檢測(cè)CDMA1X和EVDO信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量。將串口接收緩存收到的數(shù)據(jù)保存在一個(gè)隊(duì)列中，通過查找函數(shù)查找其中有效的信號(hào)返回子字符串，然后通過分析信號(hào)返回指令提取有效數(shù)值。通過比較信號(hào)值確定信號(hào)較優(yōu)的一方，繼續(xù)檢測(cè)比較，直到較優(yōu)的信號(hào)一方保持一段時(shí)間后才進(jìn)行切換網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)時(shí)間可以根據(jù)具體需要自行設(shè)定。切換網(wǎng)絡(luò)之前首先要發(fā)送指令查詢當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)模式，若為較優(yōu)模式則不做任何操作，若為較差模式，則切換到較優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)模式中。其處理的流程圖如圖4所示。

2.3 無線通信功能實(shí)現(xiàn)

無線通信系統(tǒng)的主要功能分為語(yǔ)音通信、短信通信和數(shù)據(jù)通信3個(gè)部分。

圖4 自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)流程圖

（1）語(yǔ)音通信

語(yǔ)音通信部分主要實(shí)現(xiàn)電話呼叫功能，通過AT指令編程實(shí)現(xiàn)電話呼叫、接聽和掛斷等功能。撥打電話時(shí)，輸入呼叫方電話號(hào)碼，通過調(diào)用 Call（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)來電時(shí)，可以選擇 Dial up（）或 Dial down（）進(jìn)行接聽或掛斷。

（2）短信通信

短信通信部分的主要功能是完成短信的收發(fā)、讀取和刪除等。首先輸入電話號(hào)碼和短信內(nèi)容[6]，調(diào)用發(fā)送函數(shù)SMS（num，msg）進(jìn)行發(fā)送。讀取短信時(shí)，根據(jù)短信列表選擇要讀取的短信的序列號(hào)，調(diào)用讀取函數(shù)Read（index）。刪除短信時(shí)，給出要?jiǎng)h除的短信的序列號(hào)，調(diào)用刪除函數(shù)Delete（index）。此外，短信部分還增加了短信群發(fā)功能，其難點(diǎn)在于正確判斷每條短信的發(fā)送是否成功。群發(fā)的流程是：首先確定將要發(fā)送的手機(jī)號(hào)碼和短信內(nèi)容，然后發(fā)送第一條信息，當(dāng)串口監(jiān)聽收到返回值“OK”時(shí)說明發(fā)送成功，則進(jìn)行下一條的發(fā)送，過程同上直至將短信全部發(fā)送完畢。由于短信發(fā)送之間的時(shí)延時(shí)間很短，因此所有群發(fā)的短信幾乎同時(shí)到達(dá)用戶。短信發(fā)送流程如圖5所示。

（3）數(shù)據(jù)通信

無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信部分包括Modem的RAS撥號(hào)上網(wǎng)和Socket通信，實(shí)現(xiàn)Modem和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)互聯(lián)，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。首先，無線Modem進(jìn)行RAS撥號(hào)（如圖6所示）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問，能夠?yàn)g覽網(wǎng)頁(yè)等；然后通過Socket編程實(shí)現(xiàn)開發(fā)板與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間的通信，如圖7所示。

圖5 短信通信流程圖

圖6 RAS遠(yuǎn)程撥號(hào)流程

圖7 TCP客戶端和服務(wù)器通信流程

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 軟件測(cè)試平臺(tái)

該系統(tǒng)軟件測(cè)試平臺(tái)由三星S3C6410開發(fā)板和CDMA2000無線通信模塊組成。S3C6410通過USB接口作為虛擬串口與CDMA2000無線通信模塊進(jìn)行連接，進(jìn)而連接到CDMA網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行無線通信。CDMA2000無線通信模塊由一個(gè)帶USB接口的3G Modem和一張電信的STK卡組成。

3.2 測(cè)試結(jié)果

將軟件包嵌入到設(shè)備中，系統(tǒng)初始化以后打開串口，系統(tǒng)將會(huì)不停地自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備周圍的CDMA1X和EVDO網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量，串口返回值如圖8所示。然后，系統(tǒng)提取串口返回值中的有效信號(hào)值并進(jìn)行比較，得出信號(hào)較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)并切換到該網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)串口值得出CDMA1X信號(hào)較強(qiáng)，因此，系統(tǒng)將模式切換到CDMA1X模式，如圖9所示。

給出電話號(hào)碼，調(diào)用撥打電話函數(shù)撥打電話。給出電話號(hào)碼和短信內(nèi)容，則可以將短信發(fā)送到指定用戶，測(cè)試界面如圖10和圖11所示。同時(shí)，根據(jù)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的IP地址和端口號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)開發(fā)板與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)互聯(lián)，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。此時(shí)，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器，WinCE6.0系統(tǒng)作為客戶端，通信界面如圖10和圖12所示。

圖8 串口返回值

圖9 切換到CDM1X模式

圖10 短信及數(shù)據(jù)通信界面

圖11 手機(jī)接收短信

圖12 TCP通信遠(yuǎn)程服務(wù)器端

本文完成了一個(gè)自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了短信、語(yǔ)音及數(shù)據(jù)通信功能，以及在兩種不同的網(wǎng)絡(luò)模式中自適應(yīng)重選和切換。該系統(tǒng)不僅可以選擇不同的通信方式進(jìn)行通信，而且可以優(yōu)選駐留在信號(hào)較優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)模式。將該系統(tǒng)應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)控和報(bào)警系統(tǒng)中，可以大大提高工作的便捷性和準(zhǔn)確性。該軟件的實(shí)現(xiàn)是基于WinCE6.0的VS2005的AT指令編程，采用標(biāo)準(zhǔn)的軟件通信架構(gòu)，具有簡(jiǎn)易的接口和完善的功能，可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)軟件的升級(jí)和移植，適用于支持WinCE6.0的各種設(shè)備中。

[1]Xia Jun.The third-generation-mobile （3G） policy and deploymentin China： Currentstatus， challenges， and prospects[J].Telecommunications Policy，2011，35（1）：51-63.

[2]Wang Xiaoli， LiJianwei.CDMA-based application of wireless intelligent monitoring system[C].2010 International Conference on Computer， Mechatronics， Control and Electronic Engineering（CMCE），2010：278-281.

[3]Hong Fuzhou.Wirelesscommunication design in water factory monitor system by sockets[C].WiCOM′08，2008：1-5.

[4]Zhou Yulin， Ning Yang， Lu Guiqiang.Customization and application development of Windows CE.Net core[C].PHEI，2005：36-40.

[5]陳毅紅.一種自適應(yīng)智能交通控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（1）：23.

[6]CHENG T S， SIGNORE K W D， LIN F.Cost effective treatment of short message service on the paging channel for the CDMA system [J].Bell Labs Technical Journal，2007，12（2）：133-144.