基于433频段无线传输的试验研究

王丹红++史智兴++孙剑锋

摘 要： 针对实际生产环境中对无线传输质量产生影响的因素，结合固态酿醋控制系统对433 MHz的无线传输模块进行试验研究。针对机械设备中存在的电磁波干扰、不同材质障碍物对无线信号的衰减损耗、不同房间不同楼层间传输的特性及特定环境下不同传输距离的误码率进行试验，重点衡量误码率、传输损耗、信号强度、传输距离等指标，试验结果可以为无线传输系统的设计提供参考。

关键词： 无线传输； 固态酿醋； 电磁干扰； 衰减损耗

中图分类号： TN925?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）11?0010?04

Experimental study on wireless transmission based on 433 frequency band

WANG Danhong， SHI Zhixing， SUN Jianfeng

（Institute of Information Science and Technology， Hebei Agricultural University， Baoding 071000， China）

Abstract： In view of the factors affecting on the wireless transmission quality in actual production environment， the solid?state vinegar brewing control system is combined to perform the experimental study for the wireless transmission module working at 433 MHz. The experiments of electromagnetic wave interference and obstacle with different materials existing in mechanical equipment influencing on the attenuation loss of wireless signal， transmission characteristics among different rooms and different floors， and bit error rate of different transmission distance in specific environment were carried on. The bit error rate， transmission loss， signal intensity， transmission distance and other indicators are measured emphatically. The experimental results can provide the reference for the design of wireless transmission system.

Keywords： wireless transmission； solid?state vinegar brewing； electromagnetic interference； attenuation loss

0 引 言

随着劳动力成本的日益增加和无线技术的提高，无线通信技术越来越多地应用于工、农、渔、副、林[1]。在实际应用中远程监测的应用一般是控制器结合传感器的检测和控制技术通过无线模块的传输来实现，在实际应用中如何在复杂环境中实现可靠的无线数据传输成为研究重点。

国内外也进行了影响无线传输质量的相关研究，如文献[2]在兰花大棚中测试了花卉对433 MHz载波频率的无线传感器网络通信质量的影响；文献[3]测试了信号在传输过程中棕榈树对不同频段信号的影响；文献[4]主要研究了自由空间损耗与地板损耗；文献[5]提出了楼层间隔、拐角个数窗户比例对传输的损耗，但是目前对影响无线传输性能的研究主要集中在自然环境下对特定的农作物、地板、简易楼层[6]。这些研究存在测试试验障碍物单一，试验环境固定等不足，不能适用于实际工业生产中无线传输的环境。本文结合固态酿醋生产的实际环境做了实际应用中无线传输影响因素的综合研究，为无线传输系统的设计提供参考。

1 硬件环境的搭建

本文结合某酱菜厂封闭式固态发酵酿醋设备改造课题，设计了一套基于433 MHz频道的远程监测系统，实现上位机对多套设备控制参数的实时远程检测和信息管理。

总体设计实现方案如下：以STC89C52单片机为核心，结合ADC0809数模转化芯片、三极管8050驱动继电器、7929键盘、蜂鸣器等搭建成下位机的控制及采集系统，采用SRWF?501无线模块搭建无线传输网络。

2 无线传输模块设计

系统采用基于射频IC CC1020的无线芯片SRWF?501进行上下位机的信息传输。封闭制醋工艺过程可分为五个阶段，每个阶段检测控制内容不同，因此每个阶段传输的数据大小不同，最少为2个字节最多为6个字节，为此便于通信管理，规定在数据传输过程中统一设定传输10个字节，内容不够统一补0。为了解决部分试验场地无法提供直流电源，采用PL2303HX实现SRWF?501与PC机的USB连接并实现PC机为无线模块供电。

3 通信性能检测及问题解决

根据在工厂实际环境的调查，针对无线信号在实际传输中会对传输质量产生影响的几个因素分别进行试验研究。在试验中传输性能的指标采用信号强度、误码率、丢包率相结合的方法。信号在传输时由于外界干扰和气温变化一天之内的信号强度也会存在变化，由搭建于信息院楼下的试验无线模块可以发现信号强度从早晨8：00—9：00，11：00—13：00，16：00—18：30这段时间会因为外界干扰因素增多信号传输质量受到较大影响。为了更好地让检测结果贴近于实际情况，试验时间多选于外界干扰较多的时间段。

3.1 传输距离测试

试验场地一以学校操场空旷地作为数据收发地，试验场地二以试验楼4楼及楼下场地分别作为数据发送地和接收地，测试在满足试验数据正确率的要求下最大的传输距离。

由于楼上到楼外的传输损耗远远大于空旷地，为了观察信号强度的变化，首先将发送端固定于416，将接收端由楼下逐渐向外移动到200 m处的信号变化如图1所示。根据信号强度的变化选取特定距离测试衡量传输质量的另一标准——误码率。检测结果见表1。

图1 楼内外信号强度变化

表1 检测结果

[场地 测试距离 /m 误码率 测试时间 /h 操场 200 10-4 24 信息院4楼 500 10-3 24 50 10-2 24 100 24 ]

由实验结果可知，在空旷地500 m内，楼内外传输距离在100 m内传输质量可以满足工业需求，楼内外传输时传输质量下降较快。

3.2 电磁波对433 MHz通信质量的影响

无线传输模块在生产现场通常被放置于工厂设备或计算机附近，强电和弱电混杂电磁干扰比较大，为了检测可能存在的电磁干扰对无线数据传输的影响，进行了三种试验：试验（a）是把无线模块放置于8 m宽15 m长，内有30台计算机同时工作的教学机房；试验（b）查看发送模块通电瞬间的数据变化；试验（c）把收发模块分别放置于机房内和机房外走廊，变化接收方位置，查看不同距离下电磁干扰的的通信影响。实验结果如图2所示。

图2 电磁干扰实验结果

从图2（a）可见，30台计算机正常工作或部分开关操作对无线信号传输质量没有影响。图2（b）显示将无线模块设置完成后发送模块接入电源瞬间会有大量乱码出现，但很快恢复正常。图2（c）显示随着通信距离增加，传输信号强度减小，外界干扰的影响增大。

3.3 不同障碍物对433 MHz无线传播的影响

参考实际在工厂应用时会遇到的障碍物：墙体，木门，楼房，铁质设备，以接收到的信号丢包率和信号强度作为检测标准。在不同通信距离下对检测目标进行试验，并通过Matlab对试验数据进行图像生成，得到不同障碍物对433 MHz传输的影响。在试验过程中主要选取操场和试验楼为试验场地，选择砖墙，木门，楼房，铁质设备为试验障碍物。

将无线发射模块固定在与木门、墙体、铁质设备，房屋等障碍物距离1 m处，发射功率為10 dBm，测试1 h内在不同通信距离下接收信号的强度， 分析不同障碍物对433 MHz无线信号的传输影响[7]。试验结果如图3所示。

图3 不同障碍物的传输特性

试验结果表明：无线信号在随着传输距离加大的过程中，信号强度总体呈下降趋势，木门、铁质设备在100 m范围内仍可以接收到信号，墙体对无线信号传输质量影响最大50 m处已经下降到-80 dBm，并可以发现随着障碍物厚度的增加衰减加大，每增加一堵墙体相当于在空旷地增加30 m的传输距离。

3.4 楼内楼间433 MHz的无线传输模型

工厂中的监测机一般安放于室内，屋外向屋内传输时，同样大小的窗户下房间越大屋内衰减越快；发射天线靠近墙面或者地面时也会造成一定的信号衰减，房屋内外的信号传播主要依靠窗户的绕射进入[7]。由不同障碍物对无线传输衰减性的影响可知墙体对无线传输造成的衰减最大，并且工业中会存在楼内各房间进行相互无线传输的情况，结合实际情况在楼内楼间进行无线传输试验研究。

同一楼层内传输性能研究分别采用1 m和1.5 m不同的天线高度，在不同传输距离下分别安置信号发送、接收端，观测信号传输质量变化。同时在发送端从1台到10台笔记本电脑开关对信号传输进行电磁干扰，信号损耗变化见表2，图4。

表2 信号损耗 dB

[天线

高度 /m 同楼层内距离 /m 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 53.74 59.33 64.92 66.47 68.61 72.15 75.11 80.32 87.67 1.5 56.36 59.12 64.87 65.72 69.21 71.84 76.36 79.94 86.96 ]

整个测试过程发现信号在楼内传输时信号多由门窗进入走廊内传输，信号损耗变化较小，同楼层内50 m内电磁干扰对信号传输基本没有干扰影响。

不同楼层间的无线传输模型对433 MHz信号在楼内跨层传输性能进行检测，特在信息院同一位置的不同楼层安放无线传输模块分别设置作为收发端。测得信号的强度变化如图5所示。

图4 两种天线高度下传输损耗

图5 楼间信号强度

根据信号的传输信号强度及误码率分析可以发现，在楼内短距离10 m之内上传输与下传输信号强度变化不大，信号强度在可接受范围之内，但楼内上下传输距离超过10 m之后上传输性能不如下传输，信号强度衰减严重，信号强度变化大，外来干扰增大、传输质量下降。

4 试验分析及总结

试验结果表明，在室外空旷地域传输距离500 m之内性能误码率完全可以满足工业需求。在满是电子设备的同一试验室内部传输20 m之内误码率非常低，电磁干扰影响不大，突然增加开启中的电子设备对传输基本无影响，但在信号强度下降时影响较大，传输中会由于外界的各种电磁干扰出现乱码。在测试中跨越不同障碍物时衰减不同，墙体影响最大，大量跨墙体进行传输时传输质量会明显下降，甚至出现收发码数不一致的情况，间隔频率随传输时间增大，每次持续约1 s，墙体的损耗对传输影响非常大。现代水泥建筑楼中无线信号的传输主要通过门窗进行传输，楼道内信号传输主要依靠走廊，楼内信号的上传质量优于下行质量，同样的设置条件下天线高度越高传输质量越好。无线信号在传输时，传输质量晚上优于白天，由白天试验数据可知，早晨8：00—9：00，11：00—13：00，16：00—18：30这几段时间会因为外界干扰因素增多信号传输质量受到较大影响。

对于增强信号传输质量的措施如下：

（1） 硬件方面：电源采用压器隔离、低通滤波等抗干扰技术，注意对元器件的接地和覆铜。采用可拆卸的AP天线并根据实际需要选取高增益。无线工作站一般分布于几个不同的房间中，需要跨越大量墙体进行传输时将无线天线置于室外或窗口远离地面处尽可能减少墙体、障碍物的阻挡，总接收端尽可能可以覆盖多个工坊。

（2） 通信协议方面的改进：正常情况下采用单片机自带多机通信功能，通信的协调完全由上位机控制，在传统的酿制产业中一般对各种参数的要求不是特别精确，根据与保定槐茂酱菜厂的实际联系，确定每10 min向总控室传输一次信息。主机每隔10 min依次呼叫轮询各个下位机，被叫到的下位机上传信息。按照上位机同时管理10 套设备（10个下位机）分析，每下位机每次传输的内容为10个字节，加上呼叫的时间，每下位机占用20 ms，10个下位机共需0.2 s。表明系统有很强的容错机制。根据协议， 上位机对下位机采用带地址码的数据帧发送数据，全部都接收，并将接收到的数据帧格式与规定格式相比较，一致则对数据保存、处理，否则丢弃这帧报文，再次向被丢弃信息的下位机发起呼叫直至信息符合要求[7]，并限制主站对接收信息的来源地址进行比较，非从站地址拒绝接收减少乱码。

参考文献

[1] 王刚.对工业自动化系统中远程集中控制管理的研究[J].科技创新与应用，2012（30）：111.

[2] 李小敏，臧英，罗锡文，等.兰花大棚内无线传感器网络433 MHz信道传播特性试验[J].农业工程学报，2013（13）：182?189.

[3] RIZMAN Z I， JUSOFF K， RAIS S S， et al. Microwave signal propagation on oil palm trees： measurements and analysis [J]. International journal on smart sensing and intelligent systems， 2011， 4（3）： 388?401.

[4] KEENAN J M， MOTLEY A J. Radio coverage in buildings [J]. British telecom technology， 1990， 8（1）： 19?24.

[5] TURKMANI A M D， DE TOLEDO A F. Modelling of radio transmissions into and with in multistory buildings at 900， 1800 and 2300 MHz [J]. IEE proceedings I： communications， speech and vision， 1993， 140（6）： 462? 470.

[6] 曹惠茹，苑俊英，郭中华，等.障碍物对无线传感器网络信道影响试验[J].传感技术学报，2014（8）：1108?1111.

[7] 袁玉湘，李国林，张春，等.433 MHz/900 MHz楼内楼间无线信道模型[J].清华大学学报（自然科学版），2005，45（1）：44?47.