短距離無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)在計量檢測中的應(yīng)用

【摘 要】 短距離無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)在計量檢測工作中的應(yīng)用是指用無線電波代替導(dǎo)線傳送儀器計量檢測得到的各種數(shù)據(jù)。避免連接檢測用的導(dǎo)線、電纜，不僅費時、費力，可靠性低，同時由于檢測人員在現(xiàn)場內(nèi)操作，極容易產(chǎn)生影響現(xiàn)場狀態(tài)等弊端。因此，提高計量檢測工作質(zhì)量和可操作性，特別是在惡劣環(huán)境中或密閉條件下進(jìn)行檢測時，更能顯示出其獨有的、不可替代的優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】 短距離無線數(shù)據(jù)通信技術(shù) 計量檢測 應(yīng)用

1 短距離無線數(shù)據(jù)通信的特點

短距離無線數(shù)據(jù)通信主要有以下幾個特點：一是短距離，一般在幾百米之內(nèi)；二是發(fā)射功率低，一般在10dbm以內(nèi)；三是傳輸速率低，一般在250kbps以下；四是功耗低，一副5號電池使用時間一般在3個月以上。

短距離無線數(shù)據(jù)通信一般使用單片數(shù)字信號射頻收發(fā)芯片與少量外圍元件構(gòu)成的無線收發(fā)模塊，也有的使用單片數(shù)字信號射頻收發(fā)芯片與單片機及外圍電路一起構(gòu)成的專用無線通信模塊。一般射頻芯片采用FSK（移頻鍵控）調(diào)制方式，工作于ISM（工業(yè)、醫(yī)療、科研）免許可證頻段。中國目前可以使用的ISM頻段是433MHz和2.4GHz。無線收發(fā)通信模塊包含簡單、透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，用戶無須對無線通信原理有較深的了解，只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸功能。開發(fā)簡單快速、應(yīng)用廣泛是它的突出優(yōu)點。由于數(shù)據(jù)傳輸率低、流量小、功耗低，用它組建小型無線網(wǎng)絡(luò)，更適合應(yīng)用在計量檢測工作中。這和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)具有較高傳輸率及較大流量不同，更接近ZigBee網(wǎng)絡(luò)，但實現(xiàn)起來比ZigBee網(wǎng)絡(luò)更簡單。

2 計量檢測領(lǐng)域應(yīng)用

筆者研制的冬季供暖室內(nèi)溫度檢測裝置，在冬季供暖期間室內(nèi)溫度的檢測中，做到了檢測時間內(nèi)，現(xiàn)場無人、連續(xù)測量、讀數(shù)準(zhǔn)確。解決使用普通溫度計、人員停留在現(xiàn)場（檢測雙方往往對這樣的檢測數(shù)據(jù)爭議較大）的傳統(tǒng)檢測方法有失準(zhǔn)確的問題，取得了較好的效果。

該裝置是由5個測溫發(fā)送節(jié)點和1個接收主機組成的短距離無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。檢測時，將測溫發(fā)送節(jié)點布放在室內(nèi)規(guī)定的位置，在室外或隔壁房間，用接收主機接收、顯示、記錄測溫發(fā)送節(jié)點發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)。

冬季供暖室內(nèi)溫度檢測裝置選用的無線收發(fā)模塊是nRF905。該芯片是挪威Nordic公司生產(chǎn)的單片無線收發(fā)器，可工作于433、868、915MHz3個ISM頻段。考慮到接收主機與測溫發(fā)送節(jié)點之間有墻壁阻隔，冬季供暖室內(nèi)溫度檢測裝置采用了電波穿墻能力較強的433MHz頻段，這也是選用nRF905的主要原因。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能組成，具有良好的通信效果。nRF905使用SPI接口可以和任何單片機（MCU）通信，地址、輸出功率和通信頻道可以通過程序配置。nRF905可以自動處理數(shù)據(jù)包字頭，內(nèi)置CRC校驗功能，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽俊RF905四種工作方式如表1所示。

表1 nRF905四種工作方式

在大空間環(huán)境溫濕度檢測中，傳統(tǒng)的檢測方法是使用鉑電阻，用導(dǎo)線連接一次傳感器和測溫裝置中的二次儀表進(jìn)行檢測。當(dāng)使用的傳感器較多時，不僅布線復(fù)雜、工作量大，而且可靠性低，難以保證檢測質(zhì)量。筆者研制的環(huán)境溫濕度無線自動檢測系統(tǒng)，應(yīng)用短距離無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，圓滿地解決了這個問題。

環(huán)境溫濕度無線自動檢測系統(tǒng)以小型短距離無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)為基礎(chǔ)，包括1個接收主機、3個測濕節(jié)點和15個測溫節(jié)點。系統(tǒng)同樣選用了nRF905無線收發(fā)模塊，工作在433MHz免執(zhí)照頻段（ISM頻段），采用輪詢應(yīng)答方式和頻分多址（FDMA）技術(shù)工作，有效避免了數(shù)據(jù)包在大氣中碰撞，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。無線測溫結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線測溫示意圖

節(jié)點由nRF905無線收發(fā)模塊、溫（濕）度傳感器和單片機（MCU）構(gòu)成。接收主機由nRF905無線收發(fā)模塊、單片機 （MCU）、實時時鐘芯片（RTC）和非易失性存儲器（EEPROM）構(gòu)成。18個節(jié)點（包括3個測濕節(jié)點）每個節(jié)點分配有一個地址和一個頻道，這些地址互不相同，每個頻道在頻域上互不重疊。工作時，18個節(jié)點啟動以后均保持靜默，等候主機輪詢，接到主機的輪詢信息后，判斷與本節(jié)點地址相同則立即應(yīng)答，將本節(jié)點的測量數(shù)據(jù)發(fā)送給接收主機。接收主機由單片機（MCU）控制，工作于跳頻狀態(tài)，依次跳轉(zhuǎn)到各個節(jié)點的頻道上，發(fā)送輪詢信息，接收節(jié)點發(fā)回的溫濕度和電源電壓數(shù)據(jù)，顯示各個節(jié)點的工作狀態(tài)。接收主機可以根據(jù)需要自動或人工記錄節(jié)點發(fā)回的測量數(shù)據(jù)，也可以通過數(shù)據(jù)線連接計算機（PC），向計算機發(fā)送節(jié)點的測量數(shù)據(jù)，通過上位機軟件現(xiàn)場顯示、分析。接收主機存儲的記錄可用上位機軟件讀出、顯示、分析、計算。還可以由上位機軟件生成記錄數(shù)據(jù)文件、按校準(zhǔn)規(guī)范計算的結(jié)果文件及生成檢測報告。溫濕度測量端如圖2所示。

圖2 溫濕度測量端

在實際使用時，可按用戶要求，將15個測溫節(jié)點和3個測濕節(jié)點布放在不同的空間層次上，測濕節(jié)點可布放在空間的中心。接收主機可以安放在空間內(nèi)，也可以安放在空間外的其他房間，還可以連接上位機，檢測、記錄和監(jiān)測同時進(jìn)行。上位機軟件設(shè)定端如圖3所示。

圖3 上位機軟件

經(jīng)過一年多的實際使用，無線通信技術(shù)的應(yīng)用對大空間環(huán)境溫濕度檢測時的優(yōu)越性非常明顯。可降低工作強度，節(jié)約時間，提高效率，保證檢測質(zhì)量。

3 結(jié)束語

目前，計量檢測工作應(yīng)用短距離無線數(shù)據(jù)通信的狀況，可以普遍的運用于壓力、流量、溫度等領(lǐng)域。短距離無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，將會解決計量檢測中“在線”檢測的難題，將會推動計量測試工作進(jìn)一步的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。