基于433M无线扩频技术在密闭空间的应用*

2017-12-26李文峰邱贤玉苏梦圆徐友飞

电子器件 2017年6期

关键词：扩频通信功耗无线

李文峰,邱贤玉,苏梦圆,徐友飞

(西安科技大学通信与信息工程学院,西安 710054)

基于433M无线扩频技术在密闭空间的应用*

李文峰*,邱贤玉,苏梦圆,徐友飞

(西安科技大学通信与信息工程学院,西安 710054)

针对密闭空间实时数据采集困难和信道利用率低的问题,提出一种基于433M无线扩频通信技术,将其运用于远程数据的通信。该设计采用STM8S103为主控芯片,用于对外设信号的调制解调,其数据传输率可达500 kbit/s。无线收发模块对采集的实时数据进行433M扩频处理并发送至外部信号接收器,实现数据的传输。实验结果表明:当信号的最大发射功率为-132 dBm时,功率损耗最低为100 mW,密闭空间与外界通信距离达到2 000 m,可以满足通信的指标。该技术具有良好的应用前景。

无线扩频通信;调制解调;接收灵敏度;密闭空间;433M

随着科技的进步和发展,无线通信技术已经运用到科学和医疗等行业。虽然在无线通信如此普及的今天,还是有运营商的无线信号覆盖不到的地方。特别是一些密闭空间(如电梯井道,矿井矿道,输油管道以及各种管道内部)需要无线通信技术和无线通信设备[1-5]。这些密闭空间内的无线通信有时候和人们的生命安全息息相关,必须要保证无线通信的质量。再加上无线通信的广泛应用,无线频道资源变得非常拥挤,干扰繁多[6-10]。因此选取短距离无线扩频通信技术,将信息数据进行频谱扩展后再传输到终端。有效地解决了密闭空间数据通信传输的困扰。

1 基本原理

设计采用的的无线通信技术包括:外设信号采集单元;433 MHz模块无线发射与接收单元;调制解调单元。外设A为获取信号,接收的信号或数据采用STM8S103主控芯片调制为匹配信息,并将匹配信息发送至无线发射模块进行处理[11]。无线收发模块对采集的实时数据进行433 MHz扩频处理,并通过传输协议RS232传输给解调单元。解调处理后的数据发送至外设B,从而形成依次交互式的数据通信传输。

具体实现如图1所示。

图1 无线通信数据传输原理图

2 具体实现

在短距离无线通信中,选取STM8S103为主控芯片,可以满足设计需求。该芯片由8 bit单片机提供容量为8 kbyte的Flash程序存储器,拥有真正的数据EEPROM。高度集成了内部时钟震荡器、看门狗和掉电复位功能[12]。STM8S103的射频收发器拥有高度可配置的调制解调器,支持不同的调制格式,其数据传输率可达500 kbit/s。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项,能使性能得到提升。STM8S103为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输等信息处理提供广泛的硬件支持[13]。在本次的模块设计方案中,STM8S103控制芯片的作用是将接收到的运行数据调制解调为匹配信息,并将匹配信息发送至无线收发模块,还用于接收经无线收发模块处理过的扩频信息,并将扩频信息发送至外部信号接收器,实现其对数据的传输。

无线收发模块,将SX1278芯片与现有的SI4432模块,HC-12模块,nRF24L模块作对比,在发射功率同为443 MHz的情况下,SI4432模块的最高传输速率为256 kbit/s下的接收灵敏度为-121 dBm,HC-12模块的最高传输速率为236 kbit/s下的接收灵敏度为-100 dBm,nRF24L模块的最高传输速率为250 kbit/s下的接收灵敏度为-94 dBm,而SX1278芯片的最高传输速率为300 kbit/s下的接收灵敏度为-139 dBm。一般来说,接收灵敏度每下降6 dB,通信距离会减少一半,所以通过与SI4432模块,HC-12模块和nRF24L模块对比,可以看出3个对比模块的接收距离均达不到要求的长度[14]。因此采用SX1278芯片,该无线模块支持LoRa调制模式,在集成化和选择性能上具有明显的优势,与传统调制技术相比解决了传统设计需要在通信范围、抗干扰能力以及功耗上作出妥协的问题,它具有通信距离远、抗干扰能力强、功耗低等优越性能。

扩频通信是密闭空间无线通信的关键技术,在数据发射端以扩频编码进行扩频调制,在数据接收端以相关解调技术收集信息,频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成,用编码及调制的方法来实现的,与所传信息数据无关;在接收端则用同样的码序列进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据[15]。按实际情况将传输速率编程配置为0～300 kbit/s,中心频率为433 MHz,同时也可按实际情况编程配置为433 MHz～520 MHz。数据经过高斯频移键控(GFSK)调制后,产生匹配无线发射模块的数据,由天线发送至无线接收模块。解调器对实时数据进行处理,通过RS232传输协议发送到外设信号接收器,这样就可以完成全部的收发数据的过程[16]。这对密闭空间的通信数据传输极为有利,降低了信号传输的损耗,并能将外设采集器采集的数据一对一发送至外设接收器,大大地降低了差错率和误码率[17]。保证了通信的质量,解决了一直以来密闭空间信号失真严重的问题[18]。

3 无线数据传输技术测试

3.1 丢包率测试

本实验设计使用 433 MHz 无线数据传输模块,同时做实验来验证其准确性：对不同的计算机各使用一个无线数据传输模块，通过写入代码来控制该模块，间隔2 s发送段有效字符串的信号。所植入的代码数据传输的数据格式如下所示：

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

测试选取一系列模拟数据进行实验验证，产生的字符串为：

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

在设定好有效字符串的基础上,将每组数据定时传输4分钟，并实时接收数据。接收到的数据进行差错校验主要分为：数据正确、数据报错、数据无效3种形式。采用表格将测试的数据全部记录归档，便可计算出数据传输的误码率。

实验主要测试无线数据传输模块的有效传输距离和丢包率的关系。为了测试此模块的性能,该实验分别设置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个组进行实验。

从图2中的数据显示趋势:无线传输模块在2 000 m范围内出错和丢失率都很小不超过3%,基本在可允许的误差范围内。距离超过2 000 m开始信号的出错率和丢失的情况逐渐增大,从距离2 000 m时候的2%,到3 600 m时候接近15%。可以清晰地看到2 000 m左右是最佳的通信距离。根据对无线传输模块的实验结果来看足以满足数据的传输需求。

图2 信息传输出错率和通信距离关系图

3.2 通信传输距离的测试

无线收发模块的通信传输距离与调制信号频率及幅度,工作电压及电池容量,接收灵敏度,收发环境等有关。我们主要对工作电压和接收灵敏度进行了详细测试。经过测试,数据模块具有较宽的电压范围3.0 V～12.0 V,不同的电压下传输距离不同。当工作电压为3 V时,密闭空间传输距离约200 m～500 m,发射功率较小;当工作电压为5 V时,密闭空间传输距离约700 m～800 m;当工作电压为12 V时,为最佳工作电压,具有较好的发射效果,发射电流约60 mA,空旷地传输距离1 000 m～2 000 m,写字楼能够穿透7层/18.2 kbit/s发射功率约为100 mW。当工作电压大于12 V时功耗增大,误码率增大,有效发射功率不再明显提高。当最大电压为12 V时,密闭空间与外界的通信距离能够达到2 000 m。实现了密闭空间的远距离信号传输。

3.3 信号功耗的测试

密闭空间中信号传输的通信距离是随着发射功率增大而增大,同时通信距离越远,无线收发模块的功耗也就越大。选取电梯井道和楼宇中心进行试验,实时测试信号的传输距离与功耗的关系。采用锂电池供电,最大发射功率分别取为:-113 dBm、-120 dBm、-125 dBm、-132 dBm,频率波段设置为433 MHz的ISM频段。可以得到在不同发射功率下的功耗和通信距离参数,如表1所示。

表1 通信距离及功耗测试

4 结论

设计详细介绍了基于433 MHz频段的无线通信技术的数据传输原理与具体实现,同时也讨论对比了各个模块的性能指标。通过实验和现场测试,验证了433M无线数据传输模块的有效性。由实验测试数据表明:在功耗为100 mW时,密闭空间与外界的通信的最佳距离能够达到2 000 m。此时传输信号的误码率最低,发射功率密度最低,功耗相对较低,不易对其他设备造成干扰,对同频干扰及各种噪声具有极强的抑制能力,能很好地完成密闭空间数据的采集、处理、分析与传输。解决了密闭空间通信困难造成的巨大损失问题,取得了显著的成效。

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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

项目来源:国家重点研发计划项目(2017YFC0703204);陕西省科技统筹创新工程计划项目(2015KTCQ03-10)

2016-09-24修改日期2016-12-09

TN770

1005-9490(2017)06-1571-04