小功率無線通訊在四表中的應(yīng)用及發(fā)展

引言：自國家無線電管理委員會(huì)將470～510Mhz規(guī)劃給民用無線計(jì)量儀表等類型設(shè)備使用，各類表計(jì)制造企業(yè)紛紛開始進(jìn)行小功率無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯考爱a(chǎn)品化設(shè)計(jì)。其中可能因行業(yè)應(yīng)用的不同而影響整體設(shè)計(jì)方案不同，同時(shí)各地方表計(jì)的主管部門也紛紛推出鼓勵(lì)政策，以促進(jìn)該類行業(yè)的科技創(chuàng)新及產(chǎn)品應(yīng)用。

1. 小功率無線通訊在電表中的應(yīng)用及發(fā)展

電表的發(fā)展經(jīng)過了機(jī)械式計(jì)量到電子式計(jì)量的過程，目前正在由電子式計(jì)量進(jìn)入到電子智能化的階段，并且發(fā)展迅速。

電表應(yīng)用的自動(dòng)抄表經(jīng)歷了紅外抄表，RS485總線通訊抄表，PLC電力線載波抄表，及目前正在發(fā)展的小功率無線抄表、GPRS抄表的階段。在目前的市場(chǎng)中，各總抄表方式共存、互補(bǔ)，并且在新的國家電網(wǎng)的電表標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)將通訊模塊的物理接口做出強(qiáng)制規(guī)定，也為電表的各種通訊方式的兼容鋪平了道路。小功率無線抄表之所以在各類抄表模式的競(jìng)爭中引起表計(jì)制造廠家的關(guān)注，主要有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

1)抄通率高。2)通訊效率高。3)安裝成本低。4)可拓展應(yīng)用多。5)小功率無線技術(shù)門檻低，易于形成產(chǎn)品。

總體說來在實(shí)際應(yīng)用中小功率無線通訊在目前的階段主要可以解決不入戶抄表，實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，電表故障監(jiān)測(cè)及未來實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)合理分配電能等等功能。

電表由于有穩(wěn)定的供電電源，相對(duì)對(duì)于智能化發(fā)展的過程中，對(duì)自身計(jì)量及智能控制，數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中的能耗相對(duì)要求并不是非?？量?，所以能夠在應(yīng)用中靈活處理無線抄表碰到的問題，但也有其他三表中要求更高的電氣指標(biāo)。

在電表的應(yīng)用中基本要求具有如下的技術(shù)功能：

1) 自行組網(wǎng)功能。2) 通訊自動(dòng)調(diào)頻功能。3) 可根據(jù)功能的拓展需求自升級(jí)功能。

1.1 自組網(wǎng)功能

無線自組網(wǎng)是一組以無線鏈路進(jìn)行通信、由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)形成得網(wǎng)絡(luò), 它是一個(gè)多跳的臨時(shí)性自治系統(tǒng)。

與單跳的無線網(wǎng)絡(luò)不同，自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間是通過多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的, 需要路由協(xié)議進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)決策。無線信道變換的不規(guī)則性, 節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、加入、退出網(wǎng)絡(luò)等也會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變換, 路由協(xié)議的作用就是在這種環(huán)境下，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換，交換路由信息。定位目的節(jié)點(diǎn)位置，產(chǎn)生、維護(hù)和選擇路由，并根據(jù)選擇的路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，提供網(wǎng)絡(luò)的連通性。它是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)互相通信的基礎(chǔ)。

無線自組網(wǎng)的主要特點(diǎn)在于不需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施支撐，不需要預(yù)先配置主機(jī)，能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)快速的組建起一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)可以任意移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，沒有專用的固定基站或路由操作作為網(wǎng)絡(luò)的管理中心，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都兼有主機(jī)和路由器的功能；節(jié)點(diǎn)間以對(duì)等的方式進(jìn)行通信, 具有高度的協(xié)作性，網(wǎng)絡(luò)路由學(xué)藝通常采用分布式控制方式，比中心結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有更強(qiáng)的魯棒性和抗毀性等。

1.2 防沖撞通訊或自動(dòng)跳頻功能

在設(shè)置路由設(shè)備的頻率時(shí)，由于采用的是同頻收發(fā)，自然就存在節(jié)點(diǎn)之間的同頻干擾問題。在解決這個(gè)問題時(shí)，可以使用載波偵聽多點(diǎn)接入/ 避免沖撞的方法。在每次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要先等待一個(gè)任意長的周期，在這個(gè)任意的退避時(shí)間之后，如果設(shè)備發(fā)現(xiàn)信道空閑，就會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)幀；反之，如果設(shè)備發(fā)現(xiàn)信道正忙，則將等待任意長的周期后，再次嘗試接入信道。這樣可大大降低沖突發(fā)生次數(shù)的概率，從而能夠滿足抄表的需要。

1.3 自動(dòng)升級(jí)功能

根據(jù)日后的用戶需求，增加更多的功能及產(chǎn)品升級(jí)、調(diào)整等，無線抄表的方案在設(shè)計(jì)之初需要預(yù)留自升級(jí)的功能及接口，這樣可以大大增加產(chǎn)品的使用期限及附加值。

2. 小功率無線通訊在氣、水表中的應(yīng)用及發(fā)展

隨著國家的節(jié)能減排的大政策背景下，氣、水表的發(fā)展將實(shí)現(xiàn)跨越是發(fā)展的趨勢(shì)。由目前仍然在使用的以機(jī)械式計(jì)量為主的方式直接進(jìn)入到智能式計(jì)量、控制的方式。

氣、水表有一個(gè)共同的特點(diǎn)：電源部分絕大多數(shù)都是使用電池進(jìn)行供電。所以對(duì)于無線抄表的實(shí)現(xiàn)則相比電表對(duì)于自身能耗的指標(biāo)要嚴(yán)格許多。

主要的技術(shù)要求如下：

1) 超低功耗

由于氣、水表都是使用電池進(jìn)行供電，在原有的電子部分增加無線通訊的功能，并不顯著減少工作使用壽命的要求，則對(duì)設(shè)計(jì)者提出更高的要求。

有于自組網(wǎng)為保持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及通訊路徑的穩(wěn)定，必須要頻繁進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的通訊，所以在目前的技術(shù)背景下則能難實(shí)現(xiàn)超低功耗的要求。

當(dāng)然也可以根據(jù)實(shí)際的最終抄表系統(tǒng)要求，以固定網(wǎng)絡(luò)的方式實(shí)現(xiàn)，即設(shè)立固定路由，其余節(jié)點(diǎn)則指定和固定路由通訊的方式實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)無線抄表。協(xié)議也相對(duì)簡單及高效。

低功耗的實(shí)現(xiàn)也有賴于抄表系統(tǒng)的實(shí)際用戶需求，例如水、氣表單月在某時(shí)間段進(jìn)行工作，其余時(shí)間都處于非工作狀態(tài)以減少功耗。

根據(jù)無線信號(hào)的強(qiáng)弱，自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射功率，以減少功耗等等。

目前在水、氣表中的應(yīng)用中，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式為主要方式，可以最簡化抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及最高效率化數(shù)據(jù)采集。

2) 無線信號(hào)穿透能力強(qiáng)

由于水、氣表的安裝及使用基本在每用戶房屋內(nèi)，所以無線抄表可以實(shí)現(xiàn)不入戶抄表，及用戶不在房屋內(nèi)進(jìn)行抄表等實(shí)際問題。無線信號(hào)的穿透力則顯得非常重要。為提高點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的抄表效率，實(shí)際表計(jì)廠家要求能夠無線信號(hào)能夠穿越樓層5～7層。實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，穿透力和超低功耗需要取一個(gè)平衡點(diǎn)，往往需要經(jīng)過大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以達(dá)到最佳性能比。

3) 體積小型化

由于水、氣表的體積越來越小型化，本身機(jī)械傳感器部分的體積較大，留給電子計(jì)量及無線通訊模塊的結(jié)構(gòu)空間相對(duì)很小。這就要求電子部分的設(shè)計(jì)盡量小型化。所以對(duì)無線通訊模塊的集成度提出更高的要求。

3. 小功率無線通訊在熱表中的應(yīng)用

熱表目前的發(fā)展在近幾年非常迅速，隨著國家關(guān)注民生問題，解決社會(huì)矛盾的要求，熱表需求在中國的北部迅速增加。

目前熱表主要有兩種類型，一種是散熱片式熱能計(jì)量，主要針對(duì)老的供暖系統(tǒng)加裝計(jì)量表；另一種是新建供暖系統(tǒng)的管道式計(jì)量表。

在管道式計(jì)量表的技術(shù)需求基本和水、氣表的需求一致。散熱片式熱能計(jì)量表則有集成度更高的需求，傳感器的信號(hào)處理、計(jì)算，及計(jì)量數(shù)據(jù)的無線傳遞盡量能夠在一顆芯片中完成，這樣可大大提高表計(jì)的精度及減少功耗，延長表計(jì)的電池使用壽命。[!--empirenews.page--]

結(jié)束語：

隨著國內(nèi)無線抄表的標(biāo)準(zhǔn)越來越清晰，將帶來小功率無線通訊在表類行業(yè)的應(yīng)用春天，也將出現(xiàn)更多的不同需求和應(yīng)用。芯科實(shí)驗(yàn)室推出的EZRadioPro產(chǎn)品系列以高發(fā)射功率，高靈敏度及高效率的能耗比在多家表計(jì)廠家中勝出，得到廣泛應(yīng)用。在2009年推出的無線單片機(jī)Si10xx系列，以更高的集成度，超低功耗在電、水、氣、熱表的應(yīng)用中占據(jù)無線抄表市場(chǎng)的領(lǐng)頭羊位置，也將勢(shì)必幫助中國的表計(jì)行業(yè)無線抄表蓬勃發(fā)展。

劉俊，貝能國際產(chǎn)品經(jīng)理