CN104618953A - 一种基于ieee802.15.4标准的2.4g无线通信技术射频性能的测试*** - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于IEEE802.15.4标准的2.4G无线通信技术的测试***。该***主要用于测试ISM频段16个信道的射频收发性能。本发明包括触摸屏手持设备和终端节点设备。终端节点设备采集数据发送给触摸屏手持设备，触摸屏手持设备将数据进行数据校验、数据解析，再通过数据显示模块直观的显示出来。通过对这些信息的分析，我们可以了解当前位置2.4G信道的射频性能状况。用户可通过手持设备下发测试指令，配置相关信息，大大增强了人机交互的便利性和效率。

Description

一种基于IEEE802.15.4标准的2.4G无线通信技术射频性能的测试***

技术领域

本发明涉及工业物联网领域，具体涉及工业物联网无线传感网络测试***。

背景技术

随着工业无线物联网技术的飞速发展，其应用领域越来越广泛，应用环境也越来越复杂，相应的对于底层设备的要求也越来越高。如何在工业现场合理地布置节点，如何使设备之间的通信链路质量达到最佳成为无线传感网***能否长久稳定运行的关键。由于布置在工业现场的无线节点要实时地进行相应的信息采集、处理和监控，终端节点种类较多，数量较大，所以导致对现场设备的维护工作会变的非常的繁杂。而一旦某个设备出现了问题，工作人员首先需要给故障设备定位，然后查找设备故障原因，最后进行维修或者更换。当现场的设备数量很多时，这项工作的工作量就会变的庞大无比。并且平时的维护也只能定期地进行巡查，周期较长，实时性较差。

发明内容

针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种实现了当前信道射频性能的直观显示，以及当前在线设备检测、底层终端节点设备数据上传、指令下发和反馈信号上行通信、能量扫描等的无线通信技术射频性能的测试***，本发明的技术方案如下：一种基于IEEE802.15.4标准的2.4G无线通信技术射频性能的测试***，其包括触摸屏手持设备和终端节点设备；

所述触摸屏手持设备包括第一通信模块、第一数据处理模块、数据存储模块和数据显示模块；所述第一通信模块包括第一数据发送模块和第一数据接收模块；所述第一数据处理模块包括第一数据校验模块、第一数据解析模块和第一数据封装模块；所述第一通信模块用于触摸屏手持设备和终端节点设备之间进行通信连接；第一数据处理模块用于对第一通信模块接收到的上行或者下行数据进行数据校验、解析或者封装；数据存储模块用于对第一数据处理模块的数据进行存放；所述数据显示模块用于对第一数据处理模块的解析信息进行显示；

所述终端节点设备包括第二通信模块、第二数据处理模块和数据采集模块；所述第二通信模块包括第二数据接收模块和第二数据发送模块；所述第二数据处理模块包括第二数据校验模块、第二数据解析模块和第二数据封装模块；所述第二通信模块用于对触摸屏手持设备和终端节点设备之间进行通信连接；所述第二数据处理模块用于对第二通信模块接收到的上行或者下行数据进行数据校验、解析或者封装；所述数据采集模块用于对现场的终端节点设备进行数据采集；

当测试当前信道的射频性能时，触摸屏手持设备与终端节点设备分别通过搭载在两者上的第一通信模块和第二通信模块建立起无线通信连接，进行数据的发送与接收。第一通信模块和第二通信模块均设置为相同信道再进行通信，两者进行通信的媒介是基于IEEE802.15.4标准的无线数据报文；无线数据报文是由第一数据处理模块和第二数据处理模块处理而成的，第一数据接收模块接收到数据报文后，将其存放在数据存储模块中，等待第一数据处理模块的处理，第一数据处理模块处理完数据报文后，将需要的数据提取出来存放数据存储模块，等待数据显示模块的调用显示。

进一步的，所述数据显示模块包含触摸屏校准界面，密码管理界面，上行下行通信界面，能量采集界面，剩余电量显示界面，密码修改界面；数据显示模块以文字、曲线图、柱状图方式将相关信息进行显示。

进一步的，所述触摸屏手持设备的硬件结构包括主控制器、电源模块、液晶屏模块、射频模块、存储模块、电量检测模块、LED模块、调试接口模块；

本发明的优点及有益效果如下：

本发明与无线终端节点通信时，通过点击触摸屏进入功能列表菜单，可以配置相关参数，包括选择TX或RX模式，信道号，设备ID号。将包含这些信息的数据包下发到底层终端节点，底层终端节点设备接收到后会进行解析，如果设备ID号和解析接收报文后得到的ID号一致就会将相应的信息显示在液晶屏上，这样就可以与相应的终端节点进行通信。比如，通过RX模式下本发明界面显示的实时收包个数、接受信号强度RSSI和链路质量显示LQI来测试本发明与终端节点设备的通信质量，以便在工业现场选择最合适的地点安装终端节点设备。实现了当前信道射频性能的直观显示，以及当前在线设备检测、底层终端节点设备数据上传、指令下发和反馈信号上行通信、能量扫描等一系列的功能。考虑到实际应用的情况，还设计和实现了密码管理和修改、电量检测等极具实用价值的功能。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例的测试***结构示意图；

图2为本发明的触摸屏手持设备硬件结构示意图；

图3触摸屏手持设备界面结构示意图；

图4软件***示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出一个非限定的实施例对本发明作进一步的阐述。但是应该理解，这些描述只是示例的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

附图1一种基于IEEE802.15.4标准的2.4G无线通信技术射频性能的测试***，其包括：触摸屏手持设备和终端节点设备。

所述触摸屏手持设备包括通信模块、数据处理模块、数据存储模块和数据显示模块。

所述通信模块包括数据发送模块和数据接收模块。

所述数据处理模块包括数据校验模块、数据解析模块和数据封装模块。

所述终端节点设备包括通信模块、数据处理模块、和数据采集模块。

所述通信模块包括数据接收模块和数据发送模块。

所述数据处理模块包括数据校验模块、数据解析模块和数据封装模块。

当测试当前信道的射频性能时，触摸屏手持设备与终端节点设备分别通过搭载在两者上的通信模块建立起无线通信连接，进行数据的发送与接收。手持设备的通信模块和终端节点的通信模块均设置为相同信道才可进行通信。两者进行通信的媒介是基于IEEE802.15.4标准的无线数据报文。

无线数据报文是由数据处理模块处理而成的。数据接收模块接收到数据报文后，将其存放在数据存储模块中，等待数据处理模块的处理。数据处理模块处理完数据报文后，将需要的数据提取出来存放在数据存储模块，等待数据显示模块的调用显示。

所述触摸屏手持设备首先配置一个通信信道和网络标识符并将其网络表置空。然后允许其他具有相同信道和网络标识符的终端节点设备加入自己的网络中。触摸屏手持设备若要读取下属某终端节点设备的数据信息，则触摸屏手持设备在信标帧中携带该设备的相关信息，如ID号，位置坐标等。终端设备收到后采用基于时槽的CSMA-CA机制发送MAC层数据请求命令。触摸屏手持设备发送应答帧，然后也采用基于时槽的CSMA-CA机制将数据读取指令发送给终端设备节点。终端节点设备收到指令后将数据采集模块采集到的数据经过数据处理模块处理后发送给协调器触摸屏手持设备。该数据报文经过数据解析模块解析后，与之前设置的设备ID号比对，若不一致，则丢弃该数据。若一致，则将其存放在数据存储模块中，等待数据显示模块的调用显示。

所述数据通信模块在上行通信时，数据通信模块将接收到的数据帧发送给数据处理模块，数据校验模块对数据进行CRC校验，若校验未通过，则丢弃数据帧，若校验通过，则对该数据帧进行解析。对于帧在网络中各层之间的传输，当从上层向下层传输时，每层都会在传输的帧中附加上反映本层相关信息的数据，分别称为各层的首部或尾部，而从下层向上层传输时，各层将附加的信息去掉。此时数据上行将依次通过IEEE 802.15.4物理层、MAC层和数据链路层。数据解析模块首先解析IEEE 802.15.4MAC帧头，判断该数据包是MAC信标帧、MAC命令帧、MAC数据帧或MAC确认帧。若该数据包是MAC信标帧或MAC命令帧则丢弃该数据包。若该数据包是MAC确认帧，则立即处理，通告数据链路层通信调度实体。若该数据包是MAC数据帧，则检查该数据包是否需要确认，如果需要，则立即回复确认帧。解析MAC数据帧时，判断该数据包目的地址是否属于本地子网，如果不属于本地子网，直接将该数据包丢弃。如果属于本地子网再判断本设备是否就是目的设备，如果不是则丢弃该数据包，如果是则将MAC层传递到调度核中的消息队列，等待上层的处理。数据通信模块在下行通信时，数据封装模块对用户下发的指令信息进行封装，为其添加MAC层帧头和MAC层帧尾，其中MAC层帧头包含序列号、目的PANID、目的地址、源PANID、源地址等信息，MAC层帧尾包含帧校验序列、LQI值、RSSI值等。数据校验模块、数据解析模块和数据封装模块的功能与以上所述类似，此处不再赘述。

所述数据显示模块包含触摸屏校准界面，密码管理界面，上行下行通信界面，能量采集界面，剩余电量显示界面，密码修改界面。数据显示模块以文字、曲线图、柱状图等方式多角度直观地将相关信息呈现在用户眼前。

参照图2所示，本发明所述的基于2.4GHz无线技术的触摸屏手持设备，包括主控制器、电源模块、液晶屏模块、射频模块、存储模块、电量检测模块、LED模块、调试接口模块；

所述主控制器采用意法半导体公司的STM32L152VBT6芯片，它主要用来接收、存储和转发2.4G频段的数据报文，处理，并将其中需要的数据信息显示到液晶显示屏；

所述电源模块是由电源接口模块、线性稳压模块和充电模块组成的。充电模块采用的是Maxim公司的一款专为锂电池充电的MAX1555芯片，外部通过电源接口模块由5V的直流电源进行充电。线性稳压模块采用AME8800，将锂电池的供电电压转化为3.3V稳压输出；

所述液晶屏模块采用的是基于ILI9341单芯片控制驱动器的TFT液晶显示屏。该液晶屏能够提供240RGB*320像素显示解决方案，支持8/9/16/18位数据总线的MCU接口，以及3/4线的SPI接口。移动图像的区域可以通过窗口地址功能在内部GRAM来指定。指定的窗口区域可以选择性地更新。另外ILI9341可以使用1.65-3.3V的I/O接口电压和一个对应的电压跟随电路来产生LCD电压，能够提供精确的电压控制来支持全色，8色显示模式和睡眠模式；

所述射频模块采用了台湾达盛电子公司推出的UZ2400无线射频收发芯片，该芯片符合IEEE802.15.4标准，其内部设计集成了接收机、发射机、MAC调制解调器并支持O-QPSK调制方式，该射频模块有250Kbps、1Mbps、2Mbps三种传输速率，该射频模块采用的是0.18微米的互补金属氧化物半导体加工制作而成，其先进的射频架构可以通过减少外部组件的个数有效的降低功耗。主控制器和射频模块通过一组SPI进行通信；

所述存储模块包括EEPROM存储模块和SD卡存储模块。EEPROM存储模块采用的是AT24C02。AT24C02是低工作电压的串行可擦除只读存储器，为了将触摸屏手持设备的历史校准值保留下来。SD卡存储模块采用的是Kingston的2G存储卡，主要用于显示屏库文件的存储；

所述电量检测模块采用Maxim公司的DS2780，内部集成了16位电流检测ADC，主控制器和DS2780之间通过1-Wire(PA2)总线连接。所述电量检测模块采用基于库仑计的方式来预测电池剩余电量，该种方法的工作原理是通过计算流经电池的电荷的数量，然后使用库仑计的方式预测当前电池电量。大部分使用库仑计方法测量剩余电量的方案中都是通过在测量电路中加入一个高精度低阻值的检流电阻，通过测量其两端的压降然后推算出电流，对该电流值按照时间进行积分运算得到电量的变化情况；

所述LED模块控制两个LED，分别指示电源、射频通信状态；

所述调试接口模块通过J-TAG接口与主控控制器连接。通过该接口可以在调试软件上对其进行单步执行、设置断点、读写芯片内部寄存器和存储器等操作；

参照图3-图4所示的无线触摸屏手持设备功能界面，包括触摸屏校准界面，密码管理界面，上行下行通信界面，能量采集界面，剩余电量显示界面，密码修改界面。

所述触摸屏校准界面是为了减小触碰误差而设计的。触摸屏处理的数据是点的物理坐标，该坐标是通过触摸屏控制器采集到的。在实际使用触摸屏时，由于各种因素不可避免的存在着一定的误差，如旋转，平移，这同样需要校正解决。电阻式触摸屏的材料本身有差异而且随着时间的推移，其参数也会有所变化，因此需要经常性的校正。本发明的触摸屏校准通过触摸获得四个点的物理坐标值，如果误差在允许的范围内就可以认为此次校准成功，否则重新校准。

所述密码管理界面是为了在触摸屏手持设备使用过程中保证其稳定性、规范性和专业性，避免因为不当操作导致现场设备发生故障。在进行触摸屏校准之后手持设备将自动进入密码管理界面。用户需要使用触摸笔点击0-9的数字输入，如果中途不慎输入错误可以点击delete键进行删除，然后重新输入密码。密码输入完毕后点击“YES”键，设备将自动检测输入密码是否正确。如果输入密码位数不对，将提示“The number of password is wrong”，如果输入密码错误，将提示“Error，please enter again！！！”,如果输入密码正确，将提示“Right！！！”并自动跳转到功能列表菜单。该设备初始密码默认为000000。如果在输入密码过程中不慎点击了YES键，设备将提示输入密码位数不对，用户可以继续输入剩余密码。

所述上行下行通信界面主要是针对底层终端节点设备实现与其通信的。手持设备通过密码管理***之后会进入功能列表菜单。在该页面中用户选择Up AndDown会进入上行下行通信选择界面。该界面共有三个选项：TX、RX和BACK。TX(下行通信)是指无线手持设备可以对底层的设备进行参数配置的操作。如果选择了这一功能设备选项，我们进入到信道选择界面，在该页面内可以自由配置选择2.4GHz频段内的十六个信道。然后点击NEXT PAGE设备会进入下发信息配置的页面，接着可以通过在此界面上输入一些底层节点设备需要配置的参数，然后打包成数据报文通过无线射频端下发出去。在这些参数信息中包括了底层设备需要配置的ID号信息。底层设备在接收到下发配置信息后需要先判断ID号是否匹配，如果匹配则底层设备会发送反馈报文到无线手持设备，手持设备接收到后进行解析来判断该底层设备是否配置成功，如果底层设备的ID号与手持设备下发配置的ID号不匹配则配置失败并且会在手持设备上显示出来，反之如果双方的ID号一致则配置成功。在手持设备的界面上会实时显示Success或者Failure以便通知用户。RX(上行通信)是指该无线手持设备可以在底层设备配置成功后进入接受状态，如果接收到了数据报文会先进行解析，然后分别计算出相应的接收包个数，发送包个数，RSSI值，LQI值和丢包个数等，并在液晶屏上实时的显示。在手持设备的界面上显示Success后，我们选择RX，然后点击NEXT PAGE设备会进入下一个界面，该界面内用户可以点击Stop或者Restart选择停止或者开始，如果用户选择Stop设备将停止接受对应信道内的数据包，如果用户选择Restart设备将重新开始接受相应信道内的数据包。两个功能配合使用可以实现设备在接收功能方面的重启。这样在实际使用时就增加了较大的灵活性。另外在该页面会实时的显示接收数据包的个数，发送数据包的个数，接收信号强度RSSI值、链路质量LQI值和丢包个数。

所述能量采集界面主要是通过读取接收设备的接受信号强度RSSI值和链路质量显示LQI值来反映通信质量。设备接收到数据报文之后读取相应的RSSI寄存器便可获得当前接收信号强度值，读取相应的LQI寄存器便可获得当前链路质量值，并将其装载到接收数据包中，用户可以将其打印出来进行观察。射频模块内部对RSSI和LQI已经经过相应的处理，使RSSI和接收信号强度之间、LQI和链路质量之间有着明确且固定的曲线关系。主控芯片通过SPI获得RSSI值和LQI值，将其映射到RSSI_Input Power曲线和LQI_Input Power曲线上。最后通过液晶屏显示出来。用户便可以很直观的观察当前距离发送端位置处的接收信号强度和通信链路质量。基于此用户可在终端节点设备安装时选择最合适的安装地点。

所述剩余电量显示界面主要是为了能够实时的监测电池电量的使用情况，以便提醒用户及时维护电池设备。用户可以在功能列表中选择Dump Energy(剩余电量)，设备随即跳转到电池电量检测页面，包括电流信息，当前电压信息和绝对剩余电量比例等。为了更加直观的显示电量信息，设计了电池外形的柱状图，当设备实时的获取到电量信息后该柱状图会根据电量的多少显示不同的颜色，通过不同颜色来提示用户当前电量的信息：电量高于70％时用绿色填充，表示当前电量充足。电量低于70％但是高于30％时用黄色表示，提醒用户当前电量较为充足。电量低于30％时用红色显示，以警醒用户该给设备充电了。

所述密码修改界面主要是为了使触摸屏手持设备使用更加灵活和安全。用户在功能列表菜单中选择了“Password Change”(密码改变)的功能后设备会跳转到相应的界面，在该界面具有两个输入框，分别输入需要设置的密码，且保证两次输入的密码一致，点击“YES”(确定)键。如果两次输入的密码一致，***则会提示：Right！，并将改变后的密码保存到内部FLASH中，设备掉电重启后会从相应的地址读取修改过后的密码。如果两次输入密码不一致则会提示：Wrong！，该设计的主要目的是为了保证用户修改密码的正确性。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于IEEE802.15.4标准的2.4G无线通信技术射频性能的测试***，其特征在于：包括触摸屏手持设备(1)和终端节点设备(2)；

所述触摸屏手持设备(1)包括第一通信模块(1_1)、第一数据处理模块(1_2)、数据存储模块(1_3)和数据显示模块(1_4)；所述第一通信模块(1_1)包括第一数据发送模块(1_1_1)和第一数据接收模块(1_1_2)；所述第一数据处理模块(1_2)包括第一数据校验模块(1_2_1)、第一数据解析模块(1_2_2)和第一数据封装模块(1_2_3)；所述第一通信模块(1_1)用于触摸屏手持设备(1)和终端节点设备(2)之间进行通信连接；第一数据处理模块(1_2)用于对第一通信模块(1_1)接收到的上行或者下行数据进行数据校验、解析或者封装；数据存储模块(1_3)用于对第一数据处理模块(1_2)的数据进行存放；所述数据显示模块(1_4)用于对第一数据处理模块(1_2)的解析信息进行显示；

所述终端节点设备(2)包括第二通信模块(2_1)、第二数据处理模块(2_2)、和数据采集模块(2_3)；所述第二通信模块(2_1)包括第二数据接收模块(2_1_1)和第二数据发送模块(2_1_2)；所述第二数据处理模块(2_2)包括第二数据校验模块(2_2_1)、第二数据解析模块(2_2_2)和第二数据封装模块(2_2_3)；所述第二通信模块(2_1)用于对触摸屏手持设备(1)和终端节点设备(2)之间进行通信连接；所述第二数据处理模块(2_2)用于对第二通信模块(2_1)接收到的上行或者下行数据进行数据校验、解析或者封装；；所述数据采集模块(2_3)用于对现场的终端节点设备进行数据采集；

当测试当前信道的射频性能时，触摸屏手持设备(1)与终端节点设备(2)分别通过搭载在两者上的第一通信模块(1_1)和第二通信模块(2_1)建立起无线通信连接，进行数据的发送与接收。第一通信模块(1_1)和第二通信模块(2_1)均设置为相同信道再进行通信，两者进行通信的媒介是基于IEEE802.15.4标准的无线数据报文；无线数据报文是由第一数据处理模块(1_2)和第二数据处理模块(2_2)处理而成的，第一数据接收模块(1_1_1)接收到数据报文后，将其存放在数据存储模块(1_3)中，等待第一数据处理模块(1_2)的处理，第一数据处理模块(1_2)处理完数据报文后，将需要的数据提取出来存放在数据存储模块(1_3)，等待数据显示模块的(1_4)调用显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于IEEE802.15.4标准的2.4G无线通信技术射频性能的测试***，其特征在于：所述数据显示模块(1_4)包含触摸屏校准界面，密码管理界面，上行下行通信界面，能量采集界面，剩余电量显示界面，密码修改界面；数据显示模块(1_4)以包括文字、曲线图、柱状图的方式将相关信息进行显示。

3.根据权利要求1所述的一种基于IEEE802.15.4标准的2.4G无线通信技术射频性能的测试***，其特征在于：所述触摸屏手持设备(1)的硬件结构包括主控制器、电源模块、液晶屏模块、射频模块、存储模块、电量检测模块、LED模块、调试接口模块。