YU Xiaoqiang，YANGHui，2，*，YANG Haima，SONG Leilei，LI Jun，V Zivkovic

(1.School of Optical-Electronical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China; 2.Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System，University of Shanghai for Scienceand Technology，Shanghai200093，China; 3.School of Electrical and Electronic Engineering，University of Adelaide，Adelaide5005，Australia)

Wireless Sensor Node Based on Infrared Communication in Leaky Cable Detection*

YU Xiaoqiang1，YANGHui1，2，3*，YANG Haima1，SONG Leilei1，LI Jun1，V Zivkovic3

(1.School of Optical-Electronical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China; 2.Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System，University of Shanghai for Scienceand Technology，Shanghai200093，China; 3.School of Electrical and Electronic Engineering，University of Adelaide，Adelaide5005，Australia)

In order to reduce themutual interference between communication and leaky cable detection，an infrared communication node is proposed which can combinewith 485 Bus to build communication net.First，based on requirements in the process of radiation field test，PSoC is used as itsmain controller.Using MCU’s analog and digital resources，combining with infrared module and 485 Bus.A communication net is built.Finally，through PC software to its communication quality can be evaluated.Experimental data show thatunder115 200 bit/s communication baud rate Bit Error Rate is less than 1.5%.The standby currentof communication node is below 1μA.These vital characters basicallymeet the requirements of the system，such as stability，reliability，low power consumption and anti－interference ability.

leaky cable;PSoC;485 bus;infrared communication;PC software

漏泄電纜［1－2］是漏泄同軸電纜(Leaky Coaxial Cable)的簡稱，其結(jié)構(gòu)與普通的同軸電纜基本一致。電磁波在漏纜中縱向傳輸?shù)耐瑫r(shí)通過槽孔向外界輻射電磁波;外界的電磁場(chǎng)也可通過槽孔感應(yīng)到漏纜內(nèi)部并傳送到接收端。由于制作、運(yùn)輸、安裝等過程的不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致漏纜輻射特性的不確定性。因此，在使用前將會(huì)根據(jù)國標(biāo)GB/T 15875—1995對(duì)其輻射特性［3－4］進(jìn)行檢測(cè)。目前在國內(nèi)，信息產(chǎn)業(yè)部信息傳輸線質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心根據(jù)最新版IEC61196－4標(biāo)準(zhǔn)，自行研發(fā)了漏泄電纜耦合損耗自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。焦作鐵路電纜廠建立了國內(nèi)首家漏泄電纜檢測(cè)系統(tǒng)。兩者采用鐵軌及推車等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于漏纜檢測(cè)長度通常為100 m～150 m，所以檢測(cè)過程中，兩者設(shè)備利用率低、鋪設(shè)繁復(fù)、成本高。由于實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的是多頻段電磁信號(hào)，因此傳統(tǒng)的無線射頻通信影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種超低功耗的基于紅外通信［5－7］的無線傳感節(jié)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)表明，相比傳統(tǒng)的通信方案，本文設(shè)計(jì)的通信節(jié)點(diǎn)具有低功耗、穩(wěn)定、成本低等優(yōu)勢(shì)，下面將對(duì)基于PSoC的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)作詳細(xì)說明。

1 漏泄電纜檢測(cè)系統(tǒng)概述

耦合損耗是漏泄電纜區(qū)別于普通的通信電纜的一個(gè)重要指標(biāo)，它是表征漏泄電纜與外界環(huán)境之間相互耦合強(qiáng)度的特征參數(shù)。

在IEC61196－4和GB/T17737.4標(biāo)準(zhǔn)中，電纜長度至少要10倍于測(cè)量頻率下的波長，同時(shí)為確保測(cè)量有效，必須要有足夠的位置分辨率標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在95%接收概率時(shí)，每半波長要進(jìn)行10次測(cè)量來計(jì)算耦合損耗。因此耦合損耗的測(cè)量依靠人工是不可能實(shí)現(xiàn)的，必須借助計(jì)算機(jī)和自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)［8］。

圖1中，漏纜檢測(cè)系統(tǒng)由工程測(cè)試車、EMI檢測(cè)儀、信號(hào)源、車載PC、紅外通信鏈路及遠(yuǎn)程控制中心組成。其中，車載PC及遠(yuǎn)程控制中心都是基于LabVIEW［9］的上位機(jī)界面。在檢測(cè)軟件的控制下，遠(yuǎn)程控制中心將命令發(fā)送至紅外網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)車載紅外節(jié)點(diǎn)傳送至車載PC。命令分解后傳送至主控器及EMI測(cè)試儀。主控器將測(cè)得傳感器數(shù)據(jù)數(shù)上傳給車載PC，經(jīng)過紅外通信網(wǎng)絡(luò)傳回控制中心。系統(tǒng)對(duì)通信鏈路有以下要求:

(1)反復(fù)利用率高，成本低，鋪設(shè)方便;

(2)單個(gè)通信節(jié)點(diǎn)待機(jī)電流小于1μA;

(3)傳輸速率不低于115 200 bit/s，通信誤碼率小于2%;

(4)對(duì)漏泄電纜輻射電磁信號(hào)沒有干擾。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 紅外無線傳感通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

由于要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程可監(jiān)控，加上通信鏈路鋪設(shè)便捷、利用率高等要求，所以在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地必須采用無線通信。且對(duì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的電磁信號(hào)沒有干擾，鑒于實(shí)驗(yàn)檢測(cè)頻率為150 MHz～2.4 GHz，設(shè)計(jì)基于紅外波段的無線通信網(wǎng)絡(luò)。

2.1 紅外通信原理

紅外通信是利用紅外光進(jìn)行通信的一種空間通信方式。將所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)編碼后，通過控制紅外發(fā)光管閃爍完成電/光轉(zhuǎn)換，再利用紅外光接收器接收紅外光，輸出電信號(hào)，完成光/電轉(zhuǎn)換。為了提高數(shù)據(jù)的可靠性，通常對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，采用Ir－DA協(xié)議大大降低了誤碼率。IrDR1.1協(xié)議器件物理層框圖如圖2所示。

圖2 IrDR1.1物理層框圖

IrDA 1.1標(biāo)準(zhǔn)，即高速紅外，簡稱為FIR。與慢速紅速SIR相比，由于FIR不再依托UART，其最高通訊速率可達(dá)到4 Mbit/s，在物理層之上的IrLAP (Link Access Protocol)［10］層要求所有的紅外連接以9.6 kbit/s的速率(3/16調(diào)制)建立起始連接，這樣也保證了4 Mbit/s的設(shè)備可以與僅支持9.6 kbit/s的低速設(shè)備相通信，即保證向后可兼容。

2.2 紅外通信節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

首先，漏泄電纜檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信要求最大速率為115 200 bit/s，且通信節(jié)點(diǎn)具備低功耗功能，待機(jī)電流小于1μA且支持紅外通信，鑒于此節(jié)點(diǎn)處理器選擇Cypress公司生產(chǎn)的PSoC4200系列單片機(jī)CY8C4245AXI。片上可編程系統(tǒng)內(nèi)置放大器、濾波器等模擬資源，且有12 bit AD轉(zhuǎn)換器、SPI、RS232等數(shù)字資源，大大提高了開發(fā)進(jìn)度并且降低成本。44腳芯片提供兩個(gè)RS232接口，同時(shí)支持IrDA協(xié)議。在本設(shè)計(jì)中，一個(gè)用來作為紅外通信口，一個(gè)作為485聯(lián)網(wǎng)通信口。超低功耗［11－12］待機(jī)電流50nA，且快速喚醒時(shí)間小于5μs。其次，紅外收發(fā)器件采用Vishay生產(chǎn)的低功耗FIR器件TFDU6103，最高傳輸速率達(dá)到4Mbit/s。內(nèi)置紅外調(diào)制與解調(diào)電路，相比較而言傳統(tǒng)的光電對(duì)管需要相應(yīng)的調(diào)制解調(diào)電路，并且不能支持高速率的連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送，在本設(shè)計(jì)中采用一體式的紅外通信模塊，與PSoC4串口連接，提供工作使能端口。通信節(jié)點(diǎn)硬件連接如圖3所示，其中P0_3口連接TFDU工作使能端口，P0_4、P0_5端口為UART1串行通信口，連接模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收端。

2.3 紅外通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的紅外節(jié)點(diǎn)在波特率115 200 bit/s下，可靠傳輸距離達(dá)到1.5m，發(fā)散角30°。利用PSoC4的UART0通信口，通過MAX485通信芯片將節(jié)點(diǎn)連接到485總線，各節(jié)點(diǎn)相距2 m，賦予特定節(jié)點(diǎn)地址，組成通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)連接圖如圖4所示。

圖3紅外節(jié)點(diǎn)硬件連接圖

圖4 中，PSoC4與RS485及TFDU連接后構(gòu)成紅外通信節(jié)點(diǎn)，在485總線上具有唯一可識(shí)別地址，將眾節(jié)點(diǎn)485_A、485_B并行連接到總線上實(shí)現(xiàn)通信。

通信網(wǎng)絡(luò)工作分為兩個(gè)過程:上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送命令與下位機(jī)向上位機(jī)上傳數(shù)據(jù)。

圖4 紅外通信網(wǎng)絡(luò)連接硬件圖

工作流程分別為:

(1)上位機(jī)至下位機(jī)

上位機(jī)給紅外網(wǎng)絡(luò)中特定紅外節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中的紅外節(jié)點(diǎn)對(duì)比數(shù)據(jù)中的地址與本身地址，如果相同則接收數(shù)據(jù)。

(2)下位機(jī)至上位機(jī)

某通信節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)通信，上位機(jī)將接收到的地址與地址列表相比較，符合后接收數(shù)據(jù)。

3 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 紅外通信網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

為滿足低功耗要求，不處于通信區(qū)的紅外節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，由系統(tǒng)快速喚醒傳輸數(shù)據(jù)。通信數(shù)據(jù)分為控制命令與測(cè)試數(shù)據(jù)，控制命令由遠(yuǎn)程控制中心發(fā)出經(jīng)由紅外網(wǎng)絡(luò)最后由主控器完成控制命令。

節(jié)點(diǎn)工作流程如圖5所示。車載PC將主控器采集到的數(shù)據(jù)打包通過車載紅外上傳至紅外網(wǎng)絡(luò)。上傳數(shù)據(jù)包括行駛里程、當(dāng)前位移、蓄電池剩余電量、航線偏移狀態(tài)、當(dāng)前速度及EMI測(cè)試儀測(cè)得的電磁信號(hào)功率數(shù)據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù)格式如表1所示。

圖5 紅外節(jié)點(diǎn)工作流程

表1 紅外上傳數(shù)據(jù)表

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制中心是基于LabVIEW的人機(jī)界面，通過紅外網(wǎng)絡(luò)與測(cè)試端連接。運(yùn)界面主要分為任務(wù)管理區(qū)、參數(shù)配置區(qū)、圖形繪制區(qū)、工程車控制區(qū)及狀態(tài)顯示區(qū)。軟件接收測(cè)試數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)繪制功率譜及顯示工作狀態(tài)。測(cè)試任務(wù)結(jié)束后保存數(shù)據(jù)并可生成通用報(bào)表文件。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)采用漏泄電纜為寬頻帶異型槽漏泄同軸電纜SLYWY－50－32，輻射電磁信號(hào)中心頻率150 MHz，功率0 dBm。

(1)紅外通信測(cè)試

測(cè)試兩個(gè)紅外節(jié)點(diǎn)，在發(fā)散角30°內(nèi)，處于不同的距離傳輸10 000個(gè)8 bit二進(jìn)制數(shù)據(jù)，在漏泄電纜測(cè)試環(huán)境，不同工作時(shí)長的情況下重復(fù)100次不同定長數(shù)據(jù)傳輸，測(cè)試結(jié)果取平均后，誤碼率數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 不同通信距離下的誤碼率

由圖可見，多次通信實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)穩(wěn)定，在紅外節(jié)點(diǎn)在通信距離小于1.5 m的情況下誤碼率小于1.5%，理論通信距離為3.5 m，實(shí)測(cè)通信距離在3 m時(shí)誤碼率已經(jīng)達(dá)到95%，綜合系統(tǒng)要求及通信誤碼率，系統(tǒng)采用1.5 m通信距離。系統(tǒng)采用的增量式編碼器保證百米測(cè)距誤差小于1%，上位機(jī)控制檢測(cè)平臺(tái)運(yùn)行，完全能夠保證車載紅外與陸地紅外節(jié)點(diǎn)通信角度在30°內(nèi)，滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸安全性的要求。

(2)漏纜自動(dòng)檢測(cè)上位機(jī)通信測(cè)試

綜合通信距離及誤碼率，紅外節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)在相距導(dǎo)航線1.5 m處。

上位機(jī)接收數(shù)據(jù)繪制功率譜圖如圖7所示。由數(shù)據(jù)可見，中心頻率150 MHz，EMI測(cè)試儀測(cè)得的功率為－50 dBm。上位機(jī)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)顯示波形，經(jīng)運(yùn)算辨識(shí)出功率頻段等信息，能穩(wěn)定可靠的完成漏泄電纜檢測(cè)任務(wù)。

圖7 上位機(jī)接收EMI測(cè)試數(shù)據(jù)

通過實(shí)驗(yàn)實(shí)施證明，由于本通信節(jié)點(diǎn)具有體積小、紐扣電池供電、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)通信方式，具有對(duì)實(shí)驗(yàn)無干擾、鋪設(shè)簡單、反復(fù)利用率高及節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的漏纜檢測(cè)系統(tǒng)通信方案是基于紅外波段的數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于電磁信號(hào)檢測(cè)沒有干擾，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。相比于較傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程可監(jiān)控，提高了設(shè)備利用率，降低了成本。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，紅外通信網(wǎng)絡(luò)能滿足系統(tǒng)的安全、高效、低功耗及高穩(wěn)定性等技術(shù)要求，在漏泄電纜檢測(cè)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

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于小強(qiáng)(1990－)，男，碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)楣怆娋軠y(cè)試技術(shù)，anhuiyuxiaoqiang@126.com;

楊暉(1981－)，男，副教授，研究領(lǐng)域?yàn)楣怆娋軠y(cè)試技術(shù)，yanghui313@ 126.com。

基于紅外通信的無線傳感節(jié)點(diǎn)在漏纜檢測(cè)中的應(yīng)用*

于小強(qiáng)1，楊暉1，2，3*，楊海馬1，宋磊磊1，李軍1，V Zivkovic3

(1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093;2.上海理工大學(xué)/上海市現(xiàn)代光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200093; 3.阿德雷德大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，澳大利亞阿德雷德5005)

為了解決漏泄電纜檢測(cè)過程中射頻通信對(duì)實(shí)驗(yàn)有干擾的問題，設(shè)計(jì)了一種基于紅外的通信節(jié)點(diǎn)。首先，根據(jù)漏泄電纜輻射場(chǎng)檢測(cè)需求，采用可編程片上系統(tǒng)作為處理器，利用其內(nèi)置的模擬及數(shù)字資源配合TFDU紅外通信芯片構(gòu)成通信節(jié)點(diǎn)，加入485總線構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，縮小體積，降低成本，提高可靠性。然后，詳細(xì)介紹了紅外通信方案及其實(shí)現(xiàn)方法。最后，結(jié)合漏泄電纜檢測(cè)上位機(jī)軟件對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)測(cè)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，磁區(qū)通信性能良好。目前已運(yùn)用于上海電纜研究所漏泄電纜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

漏泄電纜;可編程偏上系統(tǒng);485總線;紅外通信;上位機(jī)軟件

TN925.98;TP212

A

1004－1699(2014)01－0149－04

2013－11－04修改日期:2013－12－29

C:7210B

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.01.027

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61007002，61302181);上海市教委重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目(J50505);研究生教育創(chuàng)新項(xiàng)目