李文峰,邱賢玉,蘇夢圓,徐友飛

(西安科技大學通信與信息工程學院,西安 710054)

基于433M無線擴頻技術(shù)在密閉空間的應用*

李文峰*,邱賢玉,蘇夢圓,徐友飛

(西安科技大學通信與信息工程學院,西安 710054)

針對密閉空間實時數(shù)據(jù)采集困難和信道利用率低的問題,提出一種基于433M無線擴頻通信技術(shù),將其運用于遠程數(shù)據(jù)的通信。該設(shè)計采用STM8S103為主控芯片,用于對外設(shè)信號的調(diào)制解調(diào),其數(shù)據(jù)傳輸率可達500 kbit/s。無線收發(fā)模塊對采集的實時數(shù)據(jù)進行433M擴頻處理并發(fā)送至外部信號接收器,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。實驗結(jié)果表明:當信號的最大發(fā)射功率為-132 dBm時,功率損耗最低為100 mW,密閉空間與外界通信距離達到2 000 m,可以滿足通信的指標。該技術(shù)具有良好的應用前景。

無線擴頻通信;調(diào)制解調(diào);接收靈敏度;密閉空間;433M

隨著科技的進步和發(fā)展,無線通信技術(shù)已經(jīng)運用到科學和醫(yī)療等行業(yè)。雖然在無線通信如此普及的今天,還是有運營商的無線信號覆蓋不到的地方。特別是一些密閉空間(如電梯井道,礦井礦道,輸油管道以及各種管道內(nèi)部)需要無線通信技術(shù)和無線通信設(shè)備[1-5]。這些密閉空間內(nèi)的無線通信有時候和人們的生命安全息息相關(guān),必須要保證無線通信的質(zhì)量。再加上無線通信的廣泛應用,無線頻道資源變得非常擁擠,干擾繁多[6-10]。因此選取短距離無線擴頻通信技術(shù),將信息數(shù)據(jù)進行頻譜擴展后再傳輸?shù)浇K端。有效地解決了密閉空間數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)睦_。

1 基本原理

設(shè)計采用的的無線通信技術(shù)包括:外設(shè)信號采集單元;433 MHz模塊無線發(fā)射與接收單元;調(diào)制解調(diào)單元。外設(shè)A為獲取信號,接收的信號或數(shù)據(jù)采用STM8S103主控芯片調(diào)制為匹配信息,并將匹配信息發(fā)送至無線發(fā)射模塊進行處理[11]。無線收發(fā)模塊對采集的實時數(shù)據(jù)進行433 MHz擴頻處理,并通過傳輸協(xié)議RS232傳輸給解調(diào)單元。解調(diào)處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至外設(shè)B,從而形成依次交互式的數(shù)據(jù)通信傳輸。

具體實現(xiàn)如圖1所示。

圖1 無線通信數(shù)據(jù)傳輸原理圖

2 具體實現(xiàn)

在短距離無線通信中,選取STM8S103為主控芯片,可以滿足設(shè)計需求。該芯片由8 bit單片機提供容量為8 kbyte的Flash程序存儲器,擁有真正的數(shù)據(jù)EEPROM。高度集成了內(nèi)部時鐘震蕩器、看門狗和掉電復位功能[12]。STM8S103的射頻收發(fā)器擁有高度可配置的調(diào)制解調(diào)器,支持不同的調(diào)制格式,其數(shù)據(jù)傳輸率可達500 kbit/s。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項,能使性能得到提升。STM8S103為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃畔⑻幚硖峁V泛的硬件支持[13]。在本次的模塊設(shè)計方案中,STM8S103控制芯片的作用是將接收到的運行數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)為匹配信息,并將匹配信息發(fā)送至無線收發(fā)模塊,還用于接收經(jīng)無線收發(fā)模塊處理過的擴頻信息,并將擴頻信息發(fā)送至外部信號接收器,實現(xiàn)其對數(shù)據(jù)的傳輸。

無線收發(fā)模塊,將SX1278芯片與現(xiàn)有的SI4432模塊,HC-12模塊,nRF24L模塊作對比,在發(fā)射功率同為443 MHz的情況下,SI4432模塊的最高傳輸速率為256 kbit/s下的接收靈敏度為-121 dBm,HC-12模塊的最高傳輸速率為236 kbit/s下的接收靈敏度為-100 dBm,nRF24L模塊的最高傳輸速率為250 kbit/s下的接收靈敏度為-94 dBm,而SX1278芯片的最高傳輸速率為300 kbit/s下的接收靈敏度為-139 dBm。一般來說,接收靈敏度每下降6 dB,通信距離會減少一半,所以通過與SI4432模塊,HC-12模塊和nRF24L模塊對比,可以看出3個對比模塊的接收距離均達不到要求的長度[14]。因此采用SX1278芯片,該無線模塊支持LoRa調(diào)制模式,在集成化和選擇性能上具有明顯的優(yōu)勢,與傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)相比解決了傳統(tǒng)設(shè)計需要在通信范圍、抗干擾能力以及功耗上作出妥協(xié)的問題,它具有通信距離遠、抗干擾能力強、功耗低等優(yōu)越性能。

擴頻通信是密閉空間無線通信的關(guān)鍵技術(shù),在數(shù)據(jù)發(fā)射端以擴頻編碼進行擴頻調(diào)制,在數(shù)據(jù)接收端以相關(guān)解調(diào)技術(shù)收集信息,頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成,用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的,與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān);在接收端則用同樣的碼序列進行相關(guān)同步接收、解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)[15]。按實際情況將傳輸速率編程配置為0～300 kbit/s,中心頻率為433 MHz,同時也可按實際情況編程配置為433 MHz～520 MHz。數(shù)據(jù)經(jīng)過高斯頻移鍵控(GFSK)調(diào)制后,產(chǎn)生匹配無線發(fā)射模塊的數(shù)據(jù),由天線發(fā)送至無線接收模塊。解調(diào)器對實時數(shù)據(jù)進行處理,通過RS232傳輸協(xié)議發(fā)送到外設(shè)信號接收器,這樣就可以完成全部的收發(fā)數(shù)據(jù)的過程[16]。這對密閉空間的通信數(shù)據(jù)傳輸極為有利,降低了信號傳輸?shù)膿p耗,并能將外設(shè)采集器采集的數(shù)據(jù)一對一發(fā)送至外設(shè)接收器,大大地降低了差錯率和誤碼率[17]。保證了通信的質(zhì)量,解決了一直以來密閉空間信號失真嚴重的問題[18]。

3 無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)測試

3.1 丟包率測試

本實驗設(shè)計使用 433 MHz 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊,同時做實驗來驗證其準確性：對不同的計算機各使用一個無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過寫入代碼來控制該模塊，間隔2 s發(fā)送段有效字符串的信號。所植入的代碼數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式如下所示：

id#elevator#latitude#longitude#distance#error rate@ checkSum。

測試選取一系列模擬數(shù)據(jù)進行實驗驗證，產(chǎn)生的字符串為：

D1#5452#31. 178373#121.12784475#12.4#283. 3@1283930。

在設(shè)定好有效字符串的基礎(chǔ)上,將每組數(shù)據(jù)定時傳輸4分鐘，并實時接收數(shù)據(jù)。接收到的數(shù)據(jù)進行差錯校驗主要分為：數(shù)據(jù)正確、數(shù)據(jù)報錯、數(shù)據(jù)無效3種形式。采用表格將測試的數(shù)據(jù)全部記錄歸檔，便可計算出數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。

實驗主要測試無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的有效傳輸距離和丟包率的關(guān)系。為了測試此模塊的性能,該實驗分別設(shè)置3 600 m,3 200 m,2 800 m,2 400 m,2 000 m,1 600 m,1 200 m,800 m,400 m,0 m等10個組進行實驗。

從圖2中的數(shù)據(jù)顯示趨勢:無線傳輸模塊在2 000 m范圍內(nèi)出錯和丟失率都很小不超過3%,基本在可允許的誤差范圍內(nèi)。距離超過2 000 m開始信號的出錯率和丟失的情況逐漸增大,從距離2 000 m時候的2%,到3 600 m時候接近15%?？梢郧逦乜吹? 000 m左右是最佳的通信距離。根據(jù)對無線傳輸模塊的實驗結(jié)果來看足以滿足數(shù)據(jù)的傳輸需求。

圖2 信息傳輸出錯率和通信距離關(guān)系圖

3.2 通信傳輸距離的測試

無線收發(fā)模塊的通信傳輸距離與調(diào)制信號頻率及幅度,工作電壓及電池容量,接收靈敏度,收發(fā)環(huán)境等有關(guān)。我們主要對工作電壓和接收靈敏度進行了詳細測試。經(jīng)過測試,數(shù)據(jù)模塊具有較寬的電壓范圍3.0 V～12.0 V,不同的電壓下傳輸距離不同。當工作電壓為3 V時,密閉空間傳輸距離約200 m～500 m,發(fā)射功率較小;當工作電壓為5 V時,密閉空間傳輸距離約700 m～800 m;當工作電壓為12 V時,為最佳工作電壓,具有較好的發(fā)射效果,發(fā)射電流約60 mA,空曠地傳輸距離1 000 m～2 000 m,寫字樓能夠穿透7層/18.2 kbit/s發(fā)射功率約為100 mW。當工作電壓大于12 V時功耗增大,誤碼率增大,有效發(fā)射功率不再明顯提高。當最大電壓為12 V時,密閉空間與外界的通信距離能夠達到2 000 m。實現(xiàn)了密閉空間的遠距離信號傳輸。

3.3 信號功耗的測試

密閉空間中信號傳輸?shù)耐ㄐ啪嚯x是隨著發(fā)射功率增大而增大,同時通信距離越遠,無線收發(fā)模塊的功耗也就越大。選取電梯井道和樓宇中心進行試驗,實時測試信號的傳輸距離與功耗的關(guān)系。采用鋰電池供電,最大發(fā)射功率分別取為:-113 dBm、-120 dBm、-125 dBm、-132 dBm,頻率波段設(shè)置為433 MHz的ISM頻段。可以得到在不同發(fā)射功率下的功耗和通信距離參數(shù),如表1所示。

表1 通信距離及功耗測試

4 結(jié)論

設(shè)計詳細介紹了基于433 MHz頻段的無線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸原理與具體實現(xiàn),同時也討論對比了各個模塊的性能指標。通過實驗和現(xiàn)場測試,驗證了433M無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的有效性。由實驗測試數(shù)據(jù)表明:在功耗為100 mW時,密閉空間與外界的通信的最佳距離能夠達到2 000 m。此時傳輸信號的誤碼率最低,發(fā)射功率密度最低,功耗相對較低,不易對其他設(shè)備造成干擾,對同頻干擾及各種噪聲具有極強的抑制能力,能很好地完成密閉空間數(shù)據(jù)的采集、處理、分析與傳輸。解決了密閉空間通信困難造成的巨大損失問題,取得了顯著的成效。

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ApplicationofWirelessSpreadSpectrumTechnologyBasedon433MinConfinedSpace*

LIWengfeng*,QIUXianyu,SUMengyuan,XUyoufei

(College of Communication and Information Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

A new method of applying 433M wireless spread-spectrum communication technology has been put forward to telecommunication data transmission to solve the problems of real-time data acquisition and low channel utilization in confined space. It adopts STM8S103 as main control chip to modem peripheral signal and realizes 500 kbit/s transfer rate. Wireless transceiver module processes real-time data into 433M spread-spectrum and sends them to the external signal receiver to achieve data transmission. The experimental result shows that when the maximum transmitting power reaches -132 dBm,power consumption will decrease to 100 mW as minimum and the communication distance between confined space and outside can be up to 2 000 meters. It can meet data-indexes of communication. So this technology has a good prospect.

wireless spread spectrum communication;modulation and demodulation;receiver sensitivity;confined space;433M

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.046

項目來源:國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0703204);陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2015KTCQ03-10)

2016-09-24修改日期2016-12-09

TN770

A

1005-9490(2017)06-1571-04

李文峰(1969-),男,河南襄城人,教授,博士,主要研究方向為應急救援及礦山信息化技術(shù),liwenfeng@xust.edu.cn;

邱賢玉(1991-),男,甘肅武威人,西安科技大學在校研究生,專業(yè):通信與信息系統(tǒng),主要研究方向為無線通信信息傳輸,qiuxianyu314@163.com。