林 碩，張榮晶

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福州350003）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)計(jì)量器具上實(shí)現(xiàn)智能化和網(wǎng)絡(luò)化是大勢(shì)所趨[1-3]。目前，電子汽車(chē)衡主要以采用秤臺(tái)、傳感器、電纜和儀表的有線連接結(jié)構(gòu)為主。無(wú)論電子汽車(chē)衡采用的是模擬傳感器還是數(shù)字傳感器，均難以做到“即裝即用”，也難以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，難以與其他智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，形成統(tǒng)一的管理系統(tǒng)，也無(wú)法滿足智能計(jì)量校準(zhǔn)的要求。目前，有部分廠家研制出了“無(wú)線”電子汽車(chē)衡，但多數(shù)的實(shí)現(xiàn)方式是在接線盒或儀表上加裝了采用藍(lán)牙協(xié)議的無(wú)線通信模塊，這種方法仍存在傳輸距離短、故障率高、維護(hù)困難等問(wèn)題[4]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有安裝靈活、擴(kuò)展簡(jiǎn)便、自組網(wǎng)等特點(diǎn)，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于稱重傳感器中可解決上述問(wèn)題，同時(shí)具有低功耗、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，為車(chē)輛稱重?cái)?shù)據(jù)管理和監(jiān)測(cè)提供高效便捷的手段[5]。因此，本文提出了一種基于LoRa技術(shù)的低功耗無(wú)線傳輸模塊的設(shè)計(jì)方案，并將該模塊應(yīng)用于稱重傳感器中，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛稱重系統(tǒng)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化。

1 LoRa技術(shù)特點(diǎn)與稱重傳感器

1.1 LoRa技術(shù)原理

LoRa技術(shù)是低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）通信技術(shù)中的一種，是美國(guó)Semtech公司提供的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案[6]。LoRa主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括 433 MHz、868 MHz、915 MHz等。采用了高擴(kuò)頻因子，從而獲得較高的信號(hào)增益，接收靈敏度可達(dá)-148 dBm，從而降低發(fā)射功率，減小功耗。LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端（或內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及應(yīng)用服務(wù)器組成，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。目前，國(guó)內(nèi)廠商研發(fā)的無(wú)線稱重系統(tǒng)主要采用ZigBee或藍(lán)牙技術(shù)，所使用的頻段是在2.4 G頻點(diǎn)。2.4 G頻段具有傳輸速率高的優(yōu)勢(shì)，但是汽車(chē)衡稱重具有數(shù)據(jù)量小、信號(hào)傳輸中障礙物多等特點(diǎn)，所以其優(yōu)勢(shì)很難體現(xiàn)。而且由于工作頻率較高，信號(hào)的越障、穿透能力較弱，在很多汽車(chē)衡使用場(chǎng)合 （如高速公路收費(fèi)站、礦山等）無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。而433 MHz頻段頻率較低，信號(hào)的穿透、繞射能力較強(qiáng)，信號(hào)衰減小，適用于車(chē)輛稱重系統(tǒng)使用環(huán)境[7]。同時(shí)，LoRa具有的低功耗特性，可有效延長(zhǎng)設(shè)備的維護(hù)周期。

1.2 稱重傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在車(chē)輛稱重系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，稱重傳感器、顯示儀表均含有無(wú)線模塊，其中儀表同時(shí)作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，接收并顯示稱重?cái)?shù)據(jù)。稱重傳感器數(shù)量為4～16個(gè)，安裝在承載器下方。同一用戶的多臺(tái)稱重設(shè)備可通過(guò)網(wǎng)關(guān)、有線或無(wú)線連接至數(shù)據(jù)管理中心。網(wǎng)關(guān)與傳感器通信方式采用主從式結(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點(diǎn)在接收到網(wǎng)關(guān)的取數(shù)據(jù)命令或被觸發(fā)設(shè)定條件時(shí)開(kāi)始采集和數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理結(jié)束后立即發(fā)送，等待接收到網(wǎng)關(guān)正確回應(yīng)后休眠。傳感器的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

1.3 稱重傳感器的硬件結(jié)構(gòu)

稱重傳感器采用5 V鋰離子蓄電池同時(shí)為測(cè)量電路、MCU、ADC、以及無(wú)線模塊供電。為提高測(cè)量電路的穩(wěn)定性，保證稱重?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要保證供電的持續(xù)性；但無(wú)線模塊僅在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)被喚醒。因此電源處理部分采用兩路LDO供電。在稱重時(shí)，粘貼在彈性體上的電阻應(yīng)變片在受載時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與載荷相關(guān)的電壓信號(hào)，通過(guò)ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)到外部E2PROM中，并由傳感器端的無(wú)線模塊發(fā)送。儀表端接收信號(hào)后進(jìn)行轉(zhuǎn)換和顯示。傳感器硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 車(chē)輛稱重系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Network framework of weighing system

圖2 無(wú)線稱重傳感器硬件Fig.2 Composition of the load cell

2 無(wú)線傳輸模塊硬件電路的設(shè)計(jì)

無(wú)線傳輸模塊由MCU、RF芯片、晶振、濾波器、RF開(kāi)關(guān)以及天線組成，如圖3所示。MCU作為主控芯片，用來(lái)配置RF芯片，同時(shí)控制RF芯片的供電電源，使無(wú)線模塊僅在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)被喚醒。RF芯片主要負(fù)責(zé)調(diào)制從MCU發(fā)來(lái)的信號(hào)，或者解調(diào)從天線經(jīng)過(guò)濾波器得到的信號(hào)。晶振為RF芯片提供頻率源。接收電路和發(fā)送電路是由濾波器構(gòu)成的，主要是負(fù)責(zé)濾除不必要的頻率，以免對(duì)目標(biāo)頻段造成干擾。天線主要負(fù)責(zé)接收和發(fā)送信號(hào)。實(shí)際的硬件電路如圖3所示。

圖3 無(wú)線模塊硬件電路Fig.3 Composition of the module

2.1 RF芯片的選型

RF芯片采用的是美國(guó)Semtech公司的SX1278芯片，其帶寬范圍為7.8～500 kHz，擴(kuò)頻因子為6～12，工作在433 MHz/470 MHz頻段。接收靈敏度可達(dá)到-148 dBm，最大鏈路預(yù)算為168 dB，最大發(fā)射功率20 dBm。SX1278具有低電流消耗的特點(diǎn)，在sleep模式下電源電流僅200 nA；在接收模式下，最大電源消耗電流為12 mA；在發(fā)送模式下，電源消耗電流為 120 mA（RFOP=+20 dBm）。

2.2 接收和發(fā)送濾波電路

在圖4中，無(wú)線傳輸電路中方框A1和方框A2區(qū)域內(nèi)的電路為接收信號(hào)的濾波電路，通過(guò)電感和電容組成LC帶通濾波電路，濾除通信頻率外的信號(hào)，只讓特定的信號(hào)通過(guò)，避免天線接收到的其他頻率的信號(hào)對(duì)SX1278芯片通信的影響，提高接收的靈敏度。方框B1和B2區(qū)域中所示的電路為發(fā)送信號(hào)的濾波電路，采用的是橢圓低通濾波電路，濾除不需要的帶外噪聲，減少了頻帶干擾，提升了無(wú)線模塊的抗干擾性能。電容C28和C9將前級(jí)濾波器輸出的直流分量濾除，再通過(guò)下一級(jí)的濾波放大電路后經(jīng)過(guò)天線發(fā)送。

圖4 無(wú)線傳輸模塊收發(fā)電路Fig.4 Transceiver module of wireless module

2.3 接收和發(fā)送選擇電路

SX1278是一個(gè)半雙工的收發(fā)器，在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時(shí)需要進(jìn)行模式切換，因此需要一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)模式的轉(zhuǎn)換，如圖5所示。PE4259是RF開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)信號(hào)的頻率范圍為1～3 GHz，使用時(shí)，將VDD引腳拉至高電平，通過(guò)控制CTRL引腳來(lái)選擇天線是與發(fā)送電路還是接收電路相連。與接收電路和發(fā)送電路分別用一根天線相比，用RF開(kāi)關(guān)在接收和發(fā)送模式之間進(jìn)行切換的實(shí)現(xiàn)方式，在提高接收靈敏度的同時(shí)減小天線的數(shù)量和PCB板的面積。

圖5 無(wú)線傳輸模塊收發(fā)選擇電路Fig.5 Selective circuit of transceiver module

3 軟件設(shè)計(jì)

傳感器的功耗管理是通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)共同實(shí)現(xiàn)的[8-10]。傳感器空閑時(shí)開(kāi)啟無(wú)線模塊的休眠模式，在休眠時(shí)間段內(nèi)手動(dòng)或周期性開(kāi)啟接收功能，監(jiān)聽(tīng)是否有網(wǎng)關(guān)發(fā)送的“前導(dǎo)碼”；當(dāng)接收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送“前導(dǎo)碼”后立即“喚醒”MCU開(kāi)啟串口接收，接收校驗(yàn)無(wú)誤后，開(kāi)啟工作模式：開(kāi)啟無(wú)線模塊電源和ADC完成數(shù)據(jù)采集；采集完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)關(guān)閉片內(nèi)ADC和基準(zhǔn)的模擬外設(shè)；數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給無(wú)線模塊進(jìn)行發(fā)送。發(fā)送完成并得到網(wǎng)關(guān)正?；貞?yīng)后，MCU進(jìn)入等待模式：切換至外部低頻晶振。等待狀態(tài)下，MCU只有定時(shí)器和晶振工作。

軟件程序流程如圖6所示，傳感器上電后取片外E2PROM存儲(chǔ)的程序版本、修正參數(shù)、網(wǎng)關(guān)地址等配置信息后，通過(guò)自檢燈顯示狀態(tài)是否正常。根據(jù)設(shè)計(jì)，當(dāng)稱重傳感器受到大于設(shè)定值的載荷時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和無(wú)線模塊；如果傳感器無(wú)動(dòng)作，則通過(guò)儀表（網(wǎng)關(guān)）手動(dòng)發(fā)送“喚醒”信號(hào)。所以程序開(kāi)啟中斷，檢測(cè)是否有載荷“喚醒”，或手動(dòng)喚醒命令，當(dāng)有取數(shù)命令下發(fā)后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和數(shù)組填充。沒(méi)有“喚醒”命令則仍保持“休眠”狀態(tài)，直到下一次喚醒。

圖6 程序流程Fig.6 Flow chart of software design

4 模塊測(cè)試與功耗計(jì)算

本項(xiàng)目測(cè)試是利用電流分析儀，對(duì)研制的無(wú)線模塊在工作過(guò)程中不同階段的瞬時(shí)電流和平均電流，評(píng)估傳感器正常工作24 h的功耗。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 無(wú)線模塊功耗測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of wireless module power consumption

根據(jù)設(shè)計(jì)，無(wú)線模塊只在稱重時(shí)喚醒，每次采集和發(fā)送過(guò)程控制在1 s以內(nèi)；而稱重傳感器在工作時(shí)間內(nèi)需長(zhǎng)時(shí)間預(yù)熱，稱重傳感器供橋電壓3.3 V，內(nèi)阻700 Ω。以稱重系統(tǒng)每天工作12 h，累計(jì)稱重120次進(jìn)行每日功耗計(jì)算：

因此采用6000 mA/h的鋰離子電池供電，理論上可使用75天以上。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于LoRa擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，運(yùn)行在433 MHz頻段的低功耗稱重系統(tǒng)無(wú)線傳輸模塊的設(shè)計(jì)。采用低功耗射頻IC芯片、低插入損耗射頻開(kāi)關(guān)、輸入帶通濾波器和輸出低通濾波器等，結(jié)合合理的軟件流程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)稱重傳感器對(duì)載荷的準(zhǔn)確采集和可靠無(wú)線傳輸，同時(shí)降低設(shè)備功耗。傳感器采用鋰離子電池供電，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，使用6000 mA/h電池，系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行75天以上。解決了當(dāng)前稱重系統(tǒng)中存在的線纜成本高、維護(hù)更換困難、難以進(jìn)行稱重?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控和校準(zhǔn)管理等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛稱重的智能化。

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