基于功能依赖的无线通信系统设计

Design of Wireless Communication System Based on Functional Dependence

摘要: 近些年，随着电子信息技术的快速发展，无线通信产品的使用变得越来越广泛。然而，现实中无线通信产品的安装调试却非常困难，由于通信双方的数据传输存在着盲盒效应，使得产品安装调试很不便。为此提出了基于功能依赖的无线通信系统设计，通过设计关键的通信数据控制模块，保障通信过程的可靠性。研究依据功能依赖原理把通信系统进行划分、并设计出相应的通信功能模块。依据通信的物理性依赖，设计了嵌入式WIFI通信硬件的监控和管理功能模块；针对通信双方设备连接的状态，开发了通信的服务端和访问端(终端)的连接操控模块；为了保证连接双方通信的有效性，研发了通信数据收发测试模块。最后，研究对设计的功能模块进行了测试验证，结果表明研究方法是有效的可行的。

Abstract: In recent years, with the rapid development of electronic information technology, the use of wireless communication products has become increasingly widespread. However, in reality, the installation and debugging of wireless communication products are very difficult, as there is a blind box effect in the data transmission between the communication parties, which makes product installation and debugging very inconvenient. A wireless communication system design based on functional dependencies has been proposed to ensure the reliability of the communication process by designing key communication data control modules. Research divides communication systems based on the principle of functional dependency and designs corresponding communication functional modules. Based on the physical dependence of communication, a monitoring and management module for embedded WIFI communication hardware has been designed; We have developed a connection control module for the communication server and access terminal (terminal) based on the connection status of devices between the two parties; In order to ensure the effectiveness of communication between the two parties, a communication data transmission and reception testing module has been developed. Finally, the research conducted testing and verification on the designed functional modules, and the results showed that the research method is effective and feasible.

1. 引言

近些年来，无线通信技术的使用更加广泛[1]，促进了WIFI、NFC、蓝牙等近场无线通信技术的出现[2] [3]。其中，WIFI技术由于它传输距离远与传输效率高的特性而被人们优先使用[4]。WIFI功能不只具有无线上网的功能，用户还可以通过WIFI网络进行远距离的通信[5]，甚至实现了对某些设备的智能控制[6]，使生活更加智能化。目前，嵌入式系统在日常生活中使用非常普遍[7] [8]，于是，就带来了嵌入式终端访问网络资源的问题[9] [10]。而对于嵌入式系统的WIFI能否实现通信连接[11]、上网获取网络资源成为了一个焦点问题[12] [13]。所以，研究基于功能依赖的无线通信系统的设计是非常必要的[14] [15]。鉴于嵌入式系统的WIFI无线通信应用的广泛性，本文主要以WIFI无线通信为基础展开研究设计[16]。

WIFI是使用IEEE802.11b的协议进行通信的，它能够将个人电脑、手持设备等多种嵌入式终端连接起来[12]，形成一个无线的局域网，实现设备之间的无线通信[13]。WIFI通信这些年来主要用在PC机上，现在要把WIFI通信引进到嵌入式系统中来。但是，对于一个普通的嵌入式终端来说，这方面功能的使用就没有这么广泛，而且有些技术保密与限制机制的存在，造成了技术壁垒。于是，对它进行研究、形成并提供经典范式还是非常有意义的。

嵌入式产品所支持的操作系统有Vxworks、IOS、以及谷歌公司的Android等多个种类，其中Android操作系统有多种优势而被广泛使用，首先因其占有开源代码的优势被大多数开发者所选择；其次，Android嵌入式系统是将应用于大型服务器上的Linux系统进行裁剪修改而成的一种新型操作系统，具有使用方便、技术成熟、功能强大、运行稳定等优点；另外，Android作为嵌入式操作系统还有它可以应用于多种硬件平台，以及有利于缩短软件与硬件的开发周期的优势。本文所研究的WIFI通信应用就是基于Android系统开发平台而开发的。

在嵌入式Android系统环境下实现的WIFI通信应用设计，其开发内容主要包括三个部分：通信系统资源监控与管理、通信功能接口开发、系统通信服务。研究最后通过系统开发实验测试验证了设计方法的可行性和实用性。

2. 功能依赖的通信设计

2.1. 无线通信分析

嵌入式WIFI通信系统由硬件系统与软件系统两个大的部分构成，硬件系统采用嵌入式系统与现有的WIFI模块的集成，软件系统则需要由用户编程来完成。WIFI通信系统服务主要包括：服务端与终端的WIFI连接服务、通信系统的WIFI监控服务、服务端与终端之间的通信服务。通信服务可以从以下几点进行理解。

(1) 对嵌入式硬件系统WIFI模块进行识别与管理，硬件系统是通过扫描WIFI网络，输入秘钥连接WIFI无线上网的。

(2) 对通信系统进行功能分类，划分为不同的独立功能应用模块，通过不同的功能模块实现不同的通信功能操作。

(3) 功能模块的算法实现。整体设计采用了分层模块化程序设计思想，各个模块功能独立实现。这样处理后，系统的可操作性和功能扩展性得以加强，出现错误也好及时发现与纠正。

(4) 通信服务通过无线WIFI支撑运行。相互连接的无线WIFI系统可以进行多种媒体形式的信息发送和传输，如无线WIFI网络办公、文件传递、音乐视频的分享等。

以上情况能够凸显嵌入式无线WIFI的性能优势，突破时间空间的限制，为用户的各种活动提供快捷的基础性的应用支撑。

2.2. 功能依赖的通信架构设计

为了实现通信系统的无线通信及其方便维护的要求，这里使用了功能依赖的设计方法，通过此方法设计出支撑系统通信必须的功能模块。支撑整个系统通信的功能模块构成了通信系统架构。功能依赖就是为了实现某项系统目标而按照相互依存关系设计的系列支撑性功能模块，系统和模块两个实体就构成了功能依赖关系。功能依赖的功能模块可以是物理产品、技术方法、技术组织等资源。功能依赖可以使用数学模型进行表达，通过对系统建模来实现。功能依赖方法不同于以往的功能框图法，功能框图法主要是把系统各组成功能使用框图的方式直接呈现出来，对模型设计意义考虑较少；而功能依赖方法的系统设计是按照系统组织部分的依存关系逻辑得到的功能模块，更具科学意义。

为了实现嵌入式系统的WIFI通信，要先对硬件WIFI模块进行设计，然后进行软件功能设计。模块设计中，硬件设计为现有的嵌入式通用模组，软件是自行设计。软件功能能够体现WIFI通信功能，控制嵌入式的服务端服务的开启。服务将通过Android操作系统的两个嵌入式(终端)终端进行接入连接，形成一个WIFI无线网，都连接到整个服务网，使用终端与终端之间数据通信的方式来实现嵌入式WIFI通信。应用程序实现用户之间的一种更加方便的方式去实现通信和信息传递。

通过上述对无线通信系统的描述，可以设无线通信系统为S，通信系统S的功能单元为F(X)，这里称X是F(X)的依赖，如果X存在N个分量。

那么就有式(1)：

$\{\begin{array}{l}X=\left\{X_1,X_2,\cdots ,X_N\right\}\\ 5\le N\le 9\end{array}$ (1)

式(1)中，按照软件工程的思想，同层次模块分量N的取值一般为5~9之间，即N = 7 ± 2。

进一步得到F(X)的划分，即式(2)：

$F\left(X\right)=\left\{F\left(X_1\right),F\left(X_2\right)\cdots F\left(X_N\right)\right\}$ (2)

这里称F(X₁)… F(X_N)是F(X)的多个依赖。

如果X_N存在M维度上划分，即有式(3)。

$\{\begin{array}{l}X=X_{MN}\\ 5\le N\le 9，1\le M\le 5\end{array}$ (3)

相应的有式(4)：

$F\left(X\right)=\left\{F\left(X_{1N}\right),F\left(X_{2N}\right)\cdots F\left(X_{MN}\right)\right\}$ (4)

那么，F(X)就构成了一个矩阵，其对应每一个分类功能表达可记为f_mn。

功能矩阵如下式(5)：

$F\left(X\right)=\left[\begin{array}{ccc}{f}_{11}& \cdots & f_{1n}\\ ⋮& \ddots & ⋮\\ f_{m1}& \cdots & f_{mn}\end{array}\right]$ (5)

根据依赖规则，任一功能分量必须是独立的、不可重复的模块。功能模块则存在下列关系式(6)。

$\{\begin{array}{c}F\left(X_{MN}\right)\otimes F\left(X_{IJ}\right)=Ф\\ M\ne I,N\ne J\end{array}$ (6)

基于上述功能依赖的通信系统设计思想，嵌入式WIFI通信系统的系统架构设计的图示表示如图1所示。架构类似一个树形结构，结构展示了嵌入式WIFI通信的各个重要的单元模块，以及实现通信过程的模块关系。

Figure 1. Diagram of the communication system

图1. 通信系统架构图

2.3. 通信服务的功能依赖设计

按照功能依赖的设计方法设计出通信系统的服务功能。

WIFI通信系统硬件为嵌入式系统与现有WIFI模块的集成，嵌入式内置WIFI驱动、MAC、WIFI协议、无线安全协议等部分。

WIFI通信系统软件为Android系统应用软件，可分为以下三个模块：WIFI连接器、WIFI通信终端和WIFI通信服务端模块。

WIFI连接器基本功能如图2所示：

Figure 2. Diagram of the basic functions for WIFI connector

图2. WIFI连接器基本功能图

当WIFI连接成功后，返回系统进入通信应用软件APP (终端)，再控制嵌入式设备(服务端)也接入WIFI无线网并开启服务器，使用终端检测连入服务端，最后实现终端与服务端通信。

通信流程如图3所示：

Figure 3. Diagram of the communication processes

图3. 通信流程图

从整个流程图中可以得出的在整个应用程序运行中，参与方式大部分都采用用户直接参与的方式进行，这就更好地从软件方面实现了需求中提及了的增强客户体验的要求。在通信过程中，服务端可根据用户接入服务方式不同，进行点对点电线通信和一对多信息群发功能的选择处理。

3. 功能模块的实现方法

按照功能依赖方法在实现系统功能模块的同时，还要考虑系统通信连接的稳定性、安全性等问题。通信的稳定性与安全性研究较为广泛，本文仅从软硬件基础连接可视方面进行设计，能够较好的保障通信系统基本的稳定性和安全性。此部分给出了关键的连接设计，解决软硬件相互之间的基本连接问题。进一步为保障通信连接的稳定性与安全性，重点介绍了设备连接设计方法、通信服务连接设计方法。

3.1. 关键连接的设计

除了一些众所周知的英文缩写，如IP、CPU、FDA，所有的英文缩写在文中第一次出现时都应该给出其全称。文章标题中尽量避免使用生僻的英文缩写。

系统软硬件的连接是通过接口实现的，WIFI通信的接口分为两类：可视界面的接口和内部函数类接口。前者也就是通常所说的界面，即UI开发，后者则是内部调用的函数接口，通常不见。下面给出了常用接口的两大类开发方法。

(1) WIFI通信设备接口

在WIFI通信设备应用打开之后进入欢迎界面模块或者说是主界面，其布局使用了RelativeLayout整体布局，用ImageView类来显示图片，然后对其大小、形状、位置、颜色等进行设计，呈现相应的界面设计效果。

主界面对应的内部程序接口如下代码。

public class SplashActivity extends Activity {

@Override

protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {

super.onCreate(savedInstanceState);

setContentView(R.layout.activity_splash);

ThreadUtils.runInSubThread(new Runnable( )

public void run(){

try {

Thread.sleep(3000);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

}

) }

startActivity (new Intent(getApplicationContext(),

LoginActivity.class));

(2) 收发信内容接口模块

通信信息的内容显示在发送与接收的窗口当中，窗口采用了两个Linear Layout的布局设计。显示内容包括通信时间，用户头像，发送的消息等。

接收界面与发送界面的布局区别就是为左对齐布局和文本接收框颜色不同，其他部分全部一致。

(3) 通信设备控制接口

管理所有可连接和可交换信息的设备，把所有的通信设备进行列表，其界面设计为LinearLayout水平线性布局，显示设备标题、颜色、大小、图标等内容。

3.2. 设备连接设计

(1) 设备管理UI设计

设备管理设计了一个通过扫描可展示的WIFI列表界面，列表中显示的是周围可连接的WIFI设备。界面中包含的可连接设备可进行选择操作，当某设备被选中时，可对其进行发送信息、连接该设备、断开连接等方面的操作。

(2) WIFI监管的实现

WIFI状态的监测功能设计，旨在提升物理设备连接的稳定性。在主功能实现程序中创建了一个Wifi Activity类，能够实现对WIFI的监听，见下列功能实现代码。

//设置监听

iv_switch.setOnClickListener (OnClickListener);

scan.setOnClickListener (OnClickListener);

connet.setOnClickListener (OnClickListener);

checkNetWorkState.setOnClickListener (OnClickListener);

new Task().start();

随后判断当前WIFI的状态，若打开，则不用再开WIFI开关，直接点击扫描WIFI按钮进入下一步即可，否则先开启WIFI后才能进行扫描阶段。调用Wifi Helper.java文件检测与扫描WIFI，获取扫描结果。扫描完成后，单击WIFI连接按钮，程序跳转至嵌入式系统设置中连接WIFI界面，选择可以连入的WIFI网络，输入WIFI秘钥即可连接。再检测一次WIFI连接状态，设置新的结果(WIFI已开启或是WIFI已关闭)，编程如下：

//检测WIFI的当前状态

class Task implements Runnable {

final handler handler = new Handler();

public void start(){

//要将之前发送的消息移除掉，避免发送重复消息

handler. removeCallbacksAndMessages(null);

handler. postDelayed(this, 500);

}

@Override

public void run(){

changeState ();

handler. postDelayed (this, 500);

}

}

public void changeState (){

if (checkNetCardState())

iv_switch.setActivated(true);

tv_toast.setText (“wifi已开启”);

} else {

iv_switch.setActivated(false);}

由于扫描周围WIFI得到的结果与显示结果功能较为复杂，所以建立一个新的MyAdapter类，构建判断方法测试WIFI信号强度，并对应不同等级强度的WIFI信号图片，与WIFI信息一同在主布局界面列表控件中显示出来。

@Override

public View getView(int position, View convertView, ViewGroup parent) {

View view = null;

view = inflater.inflater(R.layout.item_wifi_list, null);

ScanResult scanResult = list.get(position);

TextView testview = (TextView) view.findViewById(R.id.textView);

testview .setText(scanResult.SSID);

ImageView imageView = (ImageView) view.findViewById(R.id.imageView);

//检测wifi强度

if (Math.abs(scanResult.level) > 80) {

imageView.setImageDrawable (context.getResources().getDrawable(R.drawable.xg));

}else if (Math.abs(scanResult.level) >60) {

imageView.setImageDrawable (context.getResources().getDrawable(R.drawable.xf));

}else {

imageView.setImageDrawable (context.getResources().getDrawable(R.drawable.xe));

};

return view;

}

}

3.3. 服务连接设计

WiFi通信服务连接的设计，重在解决连接的安全性问题。

服务端提供服务是先把服务器启动，然后检测设备终端连接情况。

① 创建一个线程，等待其他终端的连接；② 如果终端连接成功，分配置一个线程给终端；③在该线程内等待用户数据；④ 最后分配一个线程给终端，编程如下。

public class Server {

/**

* @param args

*/

Public static void main(String[] args){

try {

// ①创建一个线程，等待其他终端的连接

final ServerSocket server = new ServerSocket(8090);

System.out.println(“---服务器启动---” + new Data().toString());

new Thread() {//

public void run() {

while (true) {

Connection conn = null;

try {

Socket client = server.accept();

System.out.println (“---有客户端接入---” + client);

//②如果终端连接成功，分配置一个线程给终端

conn = new Connection(client);

conn.addOnRecevieMsglistener (new LoginMsgListener (conn));

conn.addOnRecevieMsglistener (new LoginMsgListener (conn));

conn.addOnRecevieMsglistener (new LoginMsgListener (conn));

conn.addOnRecevieMsglistener (new LoginMsgListener (conn));

//③在该线程内等待用户数据

…

Connection类中存放连接，断开连接，配置监听器与等待数据的功能程序段。

在连接消息类中，向服务器发送信息提示终端上线与下线，并把下线的终端从列表中移除，以免混淆，协议相应程序如下。

public class ConnectionManager {

public static HashMap<Long, Connection> cons = new HashMap < Long, Connection > ();

public static BuddyList list = new BuddyList();

public static void put(long accout, Connection conn) {

System.out.println(“====账号” + account + “上线了”);

remove(account, conn);

User u = Db.getByAccount(account);

Bubby item = new Buddy();

item.account = u.account;

item.avatar = u.avatar;

item.nick = u.nick;

list.buddyList.add(item);

}

public static void remove(long accout) {

if (conns.containsKey (accout)) {

System.out.println(“====账号” + account + “上线了”);

为了终端方便连入服务器，将通信服务端程序生成Jar包在远程服务器中一直运行。

4. 通信功能测试

软件设计完成，进入测试环节，根据测试结果对软件系统进行功能优化，增加软件稳定性。测试环境为Android 4.3版本以上的嵌入式系统。系统的关键测试点有WIFI连接程序测试、WIFI通信终端测试、WIFI通信服务端测试。

4.1. WIFI连接测试

WIFI连接测试是测通信终端的连接状态，连接状态是通过嵌入式系统应用软件的图标显示给用户。进入设备连接界面，检测当前WIFI状态，点击图标打开WIFI，扫描周围WIFI网络，点击连接WIFI按钮，在系统中选择WIFI，输入密码连入WIFI，设备连接的状态使用下列图标表示，见图4和图5所示。

Figure 4. WIFI connect closed

图4. WIFI连接关闭

Figure 5. WIFI connect open

图5. WIFI连接开启

在WIFI关闭情况下，检测状态为WIFI已关闭，如图4所示，点击WIFI图标打开WIFI，WIFI图标显示为绿色并由关闭图标换成开启图标，显示为WIFI连接开启或成功，如图5所示。

4.2. WIFI通信服务测试

WIFI通信服务模块的各类服务操作可以通过点击应用程序显示的图标实现。进入主界面后，按登录协议输入账号密码登录，进入设备列表界面，选择可通信的设备，进行收发消息通信。规定不能与自己通信，通信时空消息不能发送。

登录成功后，系统跳转至已连接设备列表界面，并显示登录成功，接下来就可以进行信息通信了，例如设备5向设备4发送消息“你好”，设备4收到消息，显示消息“你好”，效果如图6、图7所示。

Figure 6. Message sending from Dev. 4 to Dev. 5

图6. 设备4向设备5发送消息

Figure 7. Receipting message in Dev. 5

图7. 设备5接收消息

嵌入式终端设备4再给设备5发送“你好，很高兴认识你！”的消息，设备4完整的收到消息，消息成功地显示在设备4上。

5. 总结

提出的基于功能依赖的无线通信应用设计了WIFI通信资源的监控与管理问题、实现了WIFI通信基本接口的开发、以及通信的数据信息传输的测试方法等，为WIFI通信开发活动提供了基本的范式参考，节约了嵌入式WIFI通信应用开发活动的重复浪费，提升工作效率和开发周期。在应用程序开发过程中，对软件功能进行分析，对接口界面进行布局，按照活动逻辑设计应用软件中的布局与相关功能。应用迭代式的功能调试，检测应用程序功能的使用情况。

在开发过程中，研读了国内外论文和期刊，网上的技术博客，实现了以上通信系统基本功能。因此，课题还存在很多需要改进和完善的地方，例如基于WIFI通信的效率问题，通信过程的稳定性、可靠性问题，WIFI通信网络连接优化问题都是后续值得的研究。

致 谢

论文受到了多个基金的资助，在此表示感谢。

基金项目

海南省科技厅2022年自然科学基金重大专项项目，题为“拓扑向量空间辨识及其多网络车辆智能诊断应用”，项目编号：722RC740。辽宁省教育厅2023年度基本科研项目、面上项目“社交网络谣言传播源点定位方法研究”，项目编号：JYTMS20231713。2025年度海南省高等学校教育教学改革研究重点项目“大学生移动学习力评价指标体系构建研究”，项目编号：Hnjg2025ZD-63。

NOTES

^*通讯作者。