物联网与短距离无线通信技术[董健]第五章

第五章IrDAIrDA概述IrDA通信原理IrDA协议IrDA应用本章内容红外线是指波长超过红色可见光的电磁波，IrDA（红外通讯）顾名思义就是通过红外线进行数据传输的无线技术，利用红外线技术电脑间或其它相关设备可以进行无线数据交换。在电脑技术发展早期，数据都是通过线缆传输的，线缆传输连线麻烦，需要特制接口，颇为不便。于是后来就有了红外、蓝牙、802.11等无线数据传输技术。在红外通讯技术发展早期，存在好几个红外通讯标准，不同标准之间的红外设备不能进行红外通讯。为了使各种红外设备能够互联互通，1993年，由二十多个大厂商发起成立了红外数据协会（IrDA），统一了红外通讯的标准，这就是目前被广泛使用的IrDA红外数据通讯协议及规范。IrDA概述红外线通信是一种廉价、近距离、无线、低功耗、保密性强的通讯方案，主要应用于近距离的无线数据传输，也有用于近距离无线网络接入。它的发展是从早期的IRDA规范（115200bps）到ASKIR（1.152Mbps)，再到最新的FASTIR（4Mbps），红外线接口的速度不断提高，使用红外线接口和电脑通信的信息设备也越来越多。1993年起，由HP、COMPAQ、INTEL等多家公司发起成立了红外数据协会(InfraredDataAssociation,简称IRDA)，建立了统一的红外数据通信标准。一年以后，第一个IRDA的红外数据通讯标准——IrDA1.0发布，又称为SIR(SerialInfraRed)，它是基于HP开发出来的一种异步的、半双工的红外通信方式。通过对串行数据脉冲和光信号脉冲编解码实现红外数据传输。IrDA1.0的最高通讯速率只有115.2Kbps，适应于串行端口的速率。IrDA发展史到1996年，该协会发布了IrDA1.1标准，即FastInfraRed，简称为FIR。FIR采用了全新的4PPM调制解调技术，其最高通讯速率达到4Mbps，这个标准是目前运用得最普遍的标准，我们在采购红外产品时也应注意这标准的产品。继IRDA1.1之后，IRDA又发布了通讯速率高达16Mbps的VFIR技术(VeryFastInfraRed)。不断提高的速率使红外线使它在短距无线通信领域占有一席之地，而不仅是数据线缆的替代。红外线的传输距离为1~100CM，传输方向的定向角30度，点对点直线数据传输。对于每一步的发展，都为数据的传输带来了更大的进步，或者是其应用更加的易于掌握，而红外线通信技术的发展，也使得她能够运用到很多的设备中去，虽然，在这以后还出现了许多的其他的类型的数据传输技术，但是随着红外线技术的不断提高，其使用度在日常生活中还是占据了很大的比例。IrDA发展史红外通讯技术适合于低成本、跨平台、点对点高速数据连接，尤其是嵌入式系统。其主要应用：设备互联、信息网关。设备互联后可完成不同设备内文件与信息的交换。信息网关负责连接信息终端和互联网。红外通讯技术是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持其特点主要有：⑴通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。⑵主要是用来取代点对点的线缆连接。⑶新的通讯标准兼容早期的通讯标准。⑷小角度（30度锥角以内），短距离，点对点直线数据传输，保密性强。IrDA的特点⑸传输速率较高，目前4M速率的FIR技术已被广泛使用，16M速率的VFIR技术已经发布。⑹不透光材料的阻隔性，可分隔性，限定物理使用性，方便集群使用：红外线技术是限定使用空间的。在红外不传输的过程中，遇到不透光的材料，如墙面。它就会反射，这一特点，确定了每套设备之间，可以在不同的物理空间里使用。⑺无频道资源占用性，安全特性高：红外线利用光传输数据的这一特点确定了它不存在无线频道资源的占用性，且安全性特别高。在限定的空间内使用进行窃听数据可不是一件容易的事。⑻优秀的互换性，通用性。因为采用了光传输，且限定物理使用空间。红外线发射和接收设备在同一频率的条件下，可以相互使用。⑼无有害辐射，绿色产品特性：科学实验证明，红外线是一种对人体有益的光谱，所以红外线产品是一种真正的红色产品。此外，红外线通信还有抗干扰性强，系统安装简单，易于管理等优点。IrDA的特点红外数据通讯技术的缺点：（1）受视距影响其传输距离短；（2）要求通信设备的位置固定；（3）其点对点的传输连接，无法灵活地组成网络等。（4）对于每一项技术，他都具有自身的或者说受外在的一些影响，会有一些不足之处，但是，我们看到更多是它的优点，掌握他的优缺点，充分去利用，扬长避短。IrDA的特点红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PWM）和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（PPM）两种方法。简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。红外线通信技术原理IrDA1.0标准简称SIR(SerialInfrared，串行红外协议)，它是基于HP-SIR开发出来的一种异步的、半双工的红外通信方式，它以系统的异步通信收发器(UniversalAsynchronousReceiver／Transmitter，UART)为依托，通过对串行数据脉冲的波形压缩和对所接收的光信号电脉冲的波形扩展这一编解码过程(3／16EnDec)实现红外数据传输。SIR的最高数据速率只有115.2kbps。在1996年，发布了IrDA1.1协议，简称FIR(FastInfrared，快速红外协议)，采用4PPM(PulsePositionModulation，脉冲相位调制)编译码机制，最高数据传输速率可达到4Mbps，同时在低速时保留1.0标准的规定。之后，IrDA又推出了最高通信速率在16Mbps的VFIR(VeryFastInfrared)技术，并将其作为补充纳入IrDA1.1标准之中。红外线通信技术标准IrDA标准都包括三个基本的规范和协议：红外物理层连接规范IrPHY(InfraredPhysicalLayerLinkSpecification)、红外连接访问协议IrLAP(InfraredLinkAccessProtoco1)和红外连接管理协议IrLMP(InfraredLinkManagementProtoco1)。IrPHY规范制订了红外通信硬件设计上的目标和要求；IrLAP和IrLMP为两个软件层，负责对连接进行设置、管理和维护。在IrLAP和IrLMP基础上，针对一些特定的红外通信应用领域，IrDA还陆续发布了一些更高级别的红外协议，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P和IrBus等（见下图）。红外线通信技术标准红外线通信技术标准IrBus红外线通信协议层图：下面将从协议架构、基带与射频、应用协议进一步介绍红外线通信技术。IrDA协议IrDA协议堆IrDA的协议堆可以划分成两部分：核心协议和可选协议。IrDA的核心协议包括：物理层协议、链路接入协议、链路管理协议和服务发现协议。核心协议完成对物理传输媒介的监测与控制，发现设备，可靠的数据链路的建立与维持，高层数据包的适配，不同协议数据的复用与流量控制。IrDA的可选协议包括：提供虚拟串口通信，支持OBEX协议，支持话音数据流和呼叫控制等。IrDA协议（1）核心协议的实现方式：IrDA的IrLMP负责数据的复用和高级别的业务发现。IrLAP建立可靠的数据链路，有差错监测、数据重传和低级别流控；（2）IrDA中设备发现和服务发现的协议为ITLAP和IrLMP，IrLMP中的信息接入服务（IAS）提供了本设备所支持的服务类型的信息。（3）话音通信的处理方式：IrDA中，话音数据流和呼叫控制信令都承载于TinyTP协议上，话音数据流的处理开销比蓝牙大。蓝牙的TCS-BIN协议，基于ITU-TQ.931标准，IrDA和蓝牙的AT-Commands都基于ITU-TV.25和GSM07.07协议。（4）通信的处理方式:IrDA的数据通信主要建立在OBEX的基础上，立足于各种数据对象的高速交换与处理，提供了众多的数据对象格式和灵活的操作方式。IrDA提供了虚拟串口和并口，供应用程序选择使用。IrDA协议当IrDA被建立时,它为自己设置下列目标：建立可互操作的，廉价的红外线资料互连标准能维持无连接的，定向无线电传送的使用者模型，能适应活动的宽带的的要连接到外围设备和主机的应用。IrDA选择短射程的、无连接的、点对点定向的红外线通信模型有两主要的原因。第一,它初始的目标市场为支持IrDA的设备将是可移动的第二,IrDA选择这个通信模型因为它最低的价格。IrDA建立连接通信分四个阶段。IrDA建立连接的过程1.设备发现和地址解析发现过程是IrDA设备查明在通讯范围是否有其它设备的过程。在此情况下，发现范围内所有设备的地址，也就是IrLAP操控的设备序号，也有的是由IrLMP层指定的。哪个设备的发现程序占有时间槽，那个设备就控制发现过程。当范围内有多个设备时，这种分槽的办法减少了冲突的可能性。在等待560ms后（普通断开方式规则），初始设备在每个时间槽的头部开始发现过程，并广播帧标记。当听到初始发现槽时，设备将随机选择一个响应。当设备接收到它选择槽的帧标记时，传送一个发现响应帧。在发现过程中所有的帧都采用HDLC的无编号的交换标识（XID）类型。如果参加发现过程的设备有重复的地址，那就需启动地址解析过程。地址解析过程与发现过程相似，它用探测地址冲突来启动过程，仅解析有冲突的地址。初始设备向冲突的地址传送地址解析XID命令，这个地址的设备选择另一个随机地址和槽响应。初始这像以前一样传送槽标记，而原先地址冲突的设备选择恰当的槽响应。一旦过程结束，每个设备将有唯一地址。如果仍有冲突，此过程反复进行。IrDA建立连接的过程2.链接建立一旦发现和地址解析过程完成后，应用层可以决定它希望连接到哪一个被发现的设备。应用层将发一个连接请求，它最终选择调用适当的IrLAP服务原语。IrLAP层连接远程设备是采用发送带轮换查询位（pollbit）的设置正常响应模式（SNRM）的命令帧。假设远程的设备能接受连接，它将发送一个带中止位的无编号应答响应帧，指示连接已经被接受。在正常环境下，启动连接的设备（发送SNRM）是主设备，其它设备是从设备。IrDA建立连接的过程3.信息交换和链接复位信息交换过程的操作实在主从模式下进行的，就是主设备控制从设备的访问。主设备发出命令帧，从设备响应。为了保证在同一时间里只有一个设备能传送帧，一个传送许可令牌在主、从设备间交换。一个传送许可令牌在主、从设备间交换。主设备通过发送带轮换查询位的控制帧传递一个传送许可令牌给从设备，从设备通过带结束位的响应帧返回令牌。传送数据时，从设备保留令牌，一旦数据传输结束或达到最长转换时间，它必须将令牌返回主设备。当然，主设备也受最长传送时间的限制，但没有数据传送时，主设备允许保留令牌。IrDA建立连接的过程IrDA建立连接的过程4.链接终止一旦数据传输完，主、从设备之一将断开链接。如果主设备希望断开链接，它将发送带轮询位的断开命令给从设备。从设备返回带终止位的未编号确认帧应答。两个设备将都处于正常断开模式，采用其参数（9600bps）。一旦两个设备处于正常中断模式，传输媒介对于任何设备都是空闲的，都可以开始设备发现，地址解析，连接建立过程。IrLAP协议分析IrDA提供的服务分为两大类，即面向连接的服务和无连接的服务。具体分为4种：－Request由上层协议送达，用来激活服务－Indication用于将服务初始化请求通知上层应用－Response上层协议用于接受服务请求－ConfirmIrLAP层报告服务结果IrDA基带与射频IrD