曹 廣 趙建平 劉中強(qiáng) 龍 永

(曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院,山東 曲阜 273165)

3G網(wǎng)絡(luò)無線熱量抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曹 廣 趙建平 劉中強(qiáng) 龍 永

(曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院,山東 曲阜 273165)

為了實(shí)現(xiàn)熱量抄表系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的無線傳輸，設(shè)計(jì)了一款基于3G網(wǎng)絡(luò)的新型無線熱量抄表系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)以3G網(wǎng)作為支撐網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合Si4432模塊，不僅實(shí)現(xiàn)了抄表系統(tǒng)的完全無線化，而且解決了當(dāng)前無線熱量抄表系統(tǒng)中無線模塊傳輸距離短、穿透能力差等問題。給出了Si4432模塊傳輸系統(tǒng)和3G網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的傳輸原理和電路設(shè)計(jì)原理圖。通過實(shí)際測(cè)試表明，數(shù)據(jù)能及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)送和接收，整個(gè)系統(tǒng)具有功耗低、通信距離遠(yuǎn)、通信誤碼率低和穿墻能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

Si4432 3G網(wǎng)絡(luò) 無線熱量抄表系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集 低功耗

0 引言

目前，熱量表的抄表方式主要有人工抄表、RS- 485總線抄表、無線射頻抄表等。而現(xiàn)在很多小區(qū)采用的ZigBee[1]組網(wǎng)的無線抄表系統(tǒng)的效果也不太理想，系統(tǒng)存在傳輸距離短、穿透能力差等問題，加之民用建筑的墻壁使得信號(hào)嚴(yán)重衰減，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能及時(shí)、準(zhǔn)確的傳輸[2]。

隨著科技的進(jìn)步，無線代替有線是必然趨勢(shì)。但

目前無線推廣存在瓶頸，即傳輸距離近，一旦遇到墻的阻擋，通信距離就大大縮短?；?G網(wǎng)絡(luò)的無線熱量抄表系統(tǒng)，以3G網(wǎng)為支撐網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合Si4432[3]無線模塊，實(shí)現(xiàn)了熱量表數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸。該設(shè)計(jì)避免了人工抄表的繁瑣，具有無需布線、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)架構(gòu)Fig.1 Architecture of overall design

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以MSP430F149作為微處理器，以Si4432無線模塊、3G網(wǎng)絡(luò)作為無線傳輸系統(tǒng)的組成部分，適合中長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)采集和無線傳輸。整個(gè)系統(tǒng)可分為3層：數(shù)據(jù)采集層、中繼層和管理層。數(shù)據(jù)采集層位于每個(gè)用戶的住宅內(nèi)，主要包括熱量表和Si4432模塊。中繼層(集中器)位于樓宇的公共位置，主要由Si4432模塊、MSP430F149和3G模塊組成。熱量表和集中器之間通過Si4432模塊進(jìn)行通信，集中器和總控制中心通過3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

2 無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 Si4432模塊傳輸系統(tǒng)

Si4432提供了先進(jìn)的無線傳輸功能[4]，頻率選擇范圍為240～930 MHz。+20 dBm的輸出功率和-118 dBm的接收靈敏度保證了傳輸范圍和穿透能力。Si4432以64 B為單位交替?zhèn)鬏敽徒邮諗?shù)據(jù)包，接收路徑使用一個(gè)單轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)鏡像抑制混頻2-level FSK/GFSK/OOK調(diào)制接收信號(hào)到一個(gè)中低頻率。該芯片的13～16引腳是標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口。引腳SDN決定Si4432的工作狀態(tài)。當(dāng)SDN=1時(shí)，芯片處于掉電模式;當(dāng)SDN=0時(shí)，芯片處于常規(guī)工作模式。引腳SCLK用于同步Si4432和MSP430F149之間的串行數(shù)據(jù)傳輸。SDO和SDI用于MSP430F149和Si4432之間的數(shù)據(jù)傳輸。nSEL為片選信號(hào)，只有當(dāng)片選信號(hào)為低電平時(shí)，MSP430F149對(duì)Si4432的操作才有效。Si4432模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Si4432硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of Si4432

在開闊地帶,Si4432的傳輸距離可達(dá)1 000～2 000 m，但在室內(nèi)環(huán)境下信號(hào)的傳播特性就會(huì)發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致傳輸距離減小。路徑損耗[5]是一個(gè)必須考慮的因素。路徑損耗的一個(gè)簡(jiǎn)單模型為：

式中：β為與頻率、天線高度及其他因素有關(guān)的損耗；r0為參考距離；r為接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的距離；n為路徑損耗指數(shù)；P為分割接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的墻壁數(shù)目；Q為樓板的數(shù)目；FAF(q)為樓板的衰減系數(shù)；WAF(p)為墻體的衰減系數(shù)。

在發(fā)射功率為20dBm、接收靈敏度為-118dBm、頻率為930MHz的情況下，發(fā)射機(jī)穿過10m的房間、水泥墻和50m的開放區(qū)域仍能使鏈路閉合。鏈路預(yù)算如表1所示。通過理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量，當(dāng)信號(hào)穿過5層混凝土墻或者5層高的建筑物時(shí)，Si4432芯片仍能接收到信號(hào)[6]。根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸距離，適當(dāng)調(diào)節(jié)發(fā)送功率和接收靈敏度，可最大限度地減少系統(tǒng)的功耗。另外Si4432模塊成功運(yùn)用了天線分集技術(shù)，提高了系統(tǒng)的鏈路預(yù)算。20dBm的功率放大器彌補(bǔ)了由于PCB板面積小和天線性能差帶來的局限性，而其他的方案需要使用昂貴的外部功率放大器來增加功率。

表1 鏈路預(yù)算Tab.1 Link budget

2.2 3G網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

3G模塊[7]是實(shí)現(xiàn)集中器與控制中心無線雙向通信的關(guān)鍵部件，它將集中器里的數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳到控制中心。自2009年開始，中國(guó)有3家運(yùn)營(yíng)商在使用3G網(wǎng)絡(luò)，分別是中國(guó)移動(dòng)的時(shí)分同步碼分多址標(biāo)準(zhǔn)(time division-synchronous code division multiple access，TD-SCDMA)網(wǎng)絡(luò)、中國(guó)電信的碼分多止(code division multiple access 2000，CDMA2000)網(wǎng)絡(luò)和中國(guó)聯(lián)通的寬帶碼分多址標(biāo)準(zhǔn)(wide band code division multiple access，WCDMA)網(wǎng)絡(luò)[8]。中國(guó)聯(lián)通公司的WCDMA網(wǎng)絡(luò)支持上行5.76 Mb/s及下行14.4 Mb/s。對(duì)于無線抄表系統(tǒng)來說，在一定區(qū)域范圍內(nèi)要求成百上千的熱量表同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，因此對(duì)傳輸速率有較高要求，所以選擇上行速率較高、技術(shù)比較成熟的WCDMA技術(shù)。通過WCDMA制式的3G模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，并采用虛擬撥號(hào)局域網(wǎng)技術(shù)(virtual private dial-up networks,VPDN)進(jìn)行組網(wǎng)。VPDN技術(shù)是指利用撥號(hào)客戶端接入互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商(internet service provider,ISP)的VPN(virtual private network)解決方案，是一種按需連接的VPN，可在必要時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，按流量計(jì)費(fèi),大大節(jié)省了用戶的專線租用費(fèi)用。同時(shí)，移動(dòng)VPDN的安全技術(shù)可為網(wǎng)絡(luò)提供基本的安全服務(wù)。

3G模塊撥號(hào)上網(wǎng)后，通過無線WCDMA網(wǎng)絡(luò)和Internet與主控中心建立鏈接[9]。目前，WCDMA單基站接入無線熱量表采集器終端的數(shù)量是有限的，超過一定數(shù)量后會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)堵塞。為避免網(wǎng)絡(luò)堵塞,主控中心采用短信激活、報(bào)警激活等多種3G模塊上下線工作模式。當(dāng)需要數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，激活模塊進(jìn)行無線撥號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸完畢后自動(dòng)下線。采取這樣的工作模式可保持WCDMA網(wǎng)絡(luò)暢通。

3G網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的硬件主要采用EM770W模塊，EM770W支持USIM卡業(yè)務(wù)。圖3為EM770W 3G模塊電路圖。

圖3 EM770W原理圖Fig.3 Schematic diagram of EM770W

MSP430F149通過引腳UCA0RXD、UCA0TXD與EM770W的異步串行口UART1_RX、UART1_TX相連，并通過這兩個(gè)管腳傳送AT指令控制EM770W模塊的運(yùn)行以及數(shù)據(jù)收發(fā)。

EM770W需要外接USIM卡。在USIM_RST、USIM_IO、USIM_CLK上加裝33 pF的濾波電容，可濾除天線信號(hào)的干擾。

3 系統(tǒng)部分軟件設(shè)計(jì)

3.1 Si4432發(fā)送程序

當(dāng)發(fā)送模塊完成初始化后，通過配置Si4432寄存器3Eh來設(shè)置數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，并通過SPI連續(xù)寫寄存器7Fh,將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送FIFO。最后，打開“發(fā)送完中斷允許”標(biāo)志，禁止其他中斷，開始發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢時(shí)，nIRQ被拉低，產(chǎn)生低電平，從而通知MSP430F149數(shù)據(jù)包已發(fā)送完畢。此時(shí)，MSP430F149會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，Si4432讀取該信號(hào)后拉高nIRQ，系統(tǒng)進(jìn)入空閑模式，關(guān)閉發(fā)送功能，等待下一次數(shù)據(jù)發(fā)送[10]。Si4432無線發(fā)送流程圖如圖4所示。

圖4 Si4432無線發(fā)送流程Fig.4 Wireless transmit of Si4432

3.2 Si4432接收程序

程序完成初始化后，通過訪問寄存器4Bh，獲取數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度信息，接收緩存；然后打開有效包中斷并禁止其他中斷。

nIRQ用來檢測(cè)有效數(shù)據(jù)包是否被檢測(cè)到。如果nIRQ變?yōu)榈碗娖剑硎緮?shù)據(jù)包被檢測(cè)到。接著讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)nIRQ變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，讀取中斷狀態(tài)并拉高nIRQ。

當(dāng)接收數(shù)據(jù)完畢后，關(guān)閉接收功能系統(tǒng)，進(jìn)入下一次數(shù)據(jù)循環(huán)接收狀態(tài)。

Si4432無線接收程序流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試

Si4432模塊傳輸系統(tǒng)的測(cè)試首先是利用串口調(diào)試助手對(duì)系統(tǒng)的通信狀況進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)通信成功。在實(shí)際測(cè)試過程中，將Si4432收、發(fā)模塊分別放在相距80 m的兩幢樓里，此時(shí)信號(hào)需穿過4層混凝土墻。經(jīng)測(cè)試，收、發(fā)模塊均能正常工作，測(cè)試結(jié)果表明數(shù)據(jù)能及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)送和接收。試驗(yàn)3 h無通信故障，信息無丟失。當(dāng)Si4432收、發(fā)模塊間隔6層混凝土墻時(shí)，通信出現(xiàn)故障；大于7層混凝土墻時(shí)，通信中斷。測(cè)試表明，Si4432能完成中長(zhǎng)距離的無線數(shù)據(jù)傳輸。

3G網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)測(cè)試如下：通過TCP&UDP測(cè)試軟件測(cè)試，3G模塊成功將集中器所收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給一臺(tái)具有公網(wǎng)IP的主機(jī)和一臺(tái)具有內(nèi)網(wǎng)IP的主機(jī)。

通過測(cè)試可以看出，本文設(shè)計(jì)的基于3G網(wǎng)絡(luò)的無線熱量抄表系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，能夠正常工作，而且具有很高的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用MSP430F149作為處理器，Si4432作為無線收發(fā)器，利用3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款高集成度、超低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臒o線抄表系統(tǒng)。Si4432模塊穿墻能力強(qiáng)、通信誤碼率低，即使穿過數(shù)道墻體和樓板仍能得到準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。3G網(wǎng)絡(luò)安全、穩(wěn)定，按流量收費(fèi)，節(jié)約了成本。通過論證和實(shí)際測(cè)量表明，基于3G網(wǎng)絡(luò)的無線熱量抄表系統(tǒng)能很好地完成數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸，確保無線抄表系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行。因此，該系統(tǒng)具有很高的實(shí)用推廣價(jià)值。

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科技期刊關(guān)鍵詞和引言的撰寫

關(guān)鍵詞是論文的檢索標(biāo)志，是表達(dá)文獻(xiàn)主題概念的自然語(yǔ)言詞匯，一般是詞和詞組。

科技論文的關(guān)鍵詞是從其題名、摘要和正文中選出來的。關(guān)鍵詞包括3部分：1)敘詞(正式主題詞)，經(jīng)過規(guī)范化的并收入主題詞表中的詞或詞組；2)非正式主題詞(詞表中的上位詞+下位詞+替代詞)；3)自由詞(標(biāo)引需要但主題詞表中找不到的詞)。

每篇論文中應(yīng)專門列出3～8個(gè)關(guān)鍵詞，其中敘詞應(yīng)盡可能多一些。關(guān)鍵詞作為論文的組成部分，置于摘要段之后。

引言又稱前言或緒論，是論文整體的有機(jī)組成部分。引言寫在正文之前，屬于整篇論文的引論部分。它的作用是向讀者初步介紹文章內(nèi)容。

引言要寫得自然、概括、簡(jiǎn)潔、確切。引言中要寫的內(nèi)容大致有如下幾項(xiàng)：1)研究的理由、目的和背景 ；2)理論依據(jù)、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和研究方法；3)預(yù)期的成果及其作用和意義。

引言的寫作要求是：1)開門見山，不繞圈子。注意一起筆就切題，不能鋪墊太遠(yuǎn)；2)言簡(jiǎn)意賅，突出重點(diǎn)；3)尊重科學(xué)，不落俗套。

引言中要求寫的內(nèi)容較多，而篇幅有限，這就需要根據(jù)研究課題的具體情況確定闡述重點(diǎn)。共知的、前人文獻(xiàn)中已有的不必細(xì)寫，主要寫好研究的理由和目的，使讀者對(duì)論文有一個(gè)總體的了解。

Design of the Wireless Heat Meter Reading System Based on 3G Network

In order to realize the wireless transmission of data acquisition and transmit in heat meter reading system, the new type of wireless heat meter reading system based on 3G network has been designed. With the 3G network as the supporting network, and combining with Si4432 module, the design realizes complete wireless meter reading system, and the problems of short transmission distance and weak capability of wall penetration existing in current wireless heat meter reading system are solved. The transmission principles of Si4432 module transmission system and 3G network transmission system, and the schematic diagram of circuit design are given. The practical test shows that the data can be transmitted and

on time and accurately, the entire system features low power consumption, long communication distance and low bit error rate of communication as well as strong capability of wall penetration.

Si4432 3G network Wireless heat meter reading system Data acquisition Lower power consumption

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：11302118)；

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：ZR2013AQ015)。

曹廣(1987-),男,現(xiàn)為曲阜師范大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事無線通信的研究。

TN92

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506014

修改稿收到日期：2014-09-17。