Wireless Sensor Node Based on Infrared Communication in Leaky Cable Detection*

YU Xiaoqiang，YANGHui，2，*，YANG Haima，SONG Leilei，LI Jun，V Zivkovic

(1.School of Optical-Electronical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China; 2.Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System，University of Shanghai for Scienceand Technology，Shanghai200093，China; 3.School of Electrical and Electronic Engineering，University of Adelaide，Adelaide5005，Australia)

Wireless Sensor Node Based on Infrared Communication in Leaky Cable Detection*

YU Xiaoqiang1，YANGHui1，2，3*，YANG Haima1，SONG Leilei1，LI Jun1，V Zivkovic3

(1.School of Optical-Electronical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China; 2.Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System，University of Shanghai for Scienceand Technology，Shanghai200093，China; 3.School of Electrical and Electronic Engineering，University of Adelaide，Adelaide5005，Australia)

In order to reduce themutual interference between communication and leaky cable detection，an infrared communication node is proposed which can combinewith 485 Bus to build communication net.First，based on requirements in the process of radiation field test，PSoC is used as itsmain controller.Using MCU’s analog and digital resources，combining with infrared module and 485 Bus.A communication net is built.Finally，through PC software to its communication quality can be evaluated.Experimental data show thatunder115 200 bit/s communication baud rate Bit Error Rate is less than 1.5%.The standby currentof communication node is below 1μA.These vital characters basicallymeet the requirements of the system，such as stability，reliability，low power consumption and anti－interference ability.

leaky cable;PSoC;485 bus;infrared communication;PC software

漏泄電纜［1－2］是漏泄同軸電纜(Leaky Coaxial Cable)的簡稱，其結(jié)構(gòu)與普通的同軸電纜基本一致。電磁波在漏纜中縱向傳輸?shù)耐瑫r通過槽孔向外界輻射電磁波;外界的電磁場也可通過槽孔感應到漏纜內(nèi)部并傳送到接收端。由于制作、運輸、安裝等過程的不穩(wěn)定因素，導致漏纜輻射特性的不確定性。因此，在使用前將會根據(jù)國標GB/T 15875—1995對其輻射特性［3－4］進行檢測。目前在國內(nèi)，信息產(chǎn)業(yè)部信息傳輸線質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心根據(jù)最新版IEC61196－4標準，自行研發(fā)了漏泄電纜耦合損耗自動測試系統(tǒng)。焦作鐵路電纜廠建立了國內(nèi)首家漏泄電纜檢測系統(tǒng)。兩者采用鐵軌及推車等方法進行數(shù)據(jù)采集，由于漏纜檢測長度通常為100 m～150 m，所以檢測過程中，兩者設(shè)備利用率低、鋪設(shè)繁復、成本高。由于實驗檢測的是多頻段電磁信號，因此傳統(tǒng)的無線射頻通信影響實驗結(jié)果。基于此，本文設(shè)計了一種超低功耗的基于紅外通信［5－7］的無線傳感節(jié)點。

實驗表明，相比傳統(tǒng)的通信方案，本文設(shè)計的通信節(jié)點具有低功耗、穩(wěn)定、成本低等優(yōu)勢，下面將對基于PSoC的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計作詳細說明。

1 漏泄電纜檢測系統(tǒng)概述

耦合損耗是漏泄電纜區(qū)別于普通的通信電纜的一個重要指標，它是表征漏泄電纜與外界環(huán)境之間相互耦合強度的特征參數(shù)。

在IEC61196－4和GB/T17737.4標準中，電纜長度至少要10倍于測量頻率下的波長，同時為確保測量有效，必須要有足夠的位置分辨率標準規(guī)定，在95%接收概率時，每半波長要進行10次測量來計算耦合損耗。因此耦合損耗的測量依靠人工是不可能實現(xiàn)的，必須借助計算機和自動測量系統(tǒng)［8］。

圖1中，漏纜檢測系統(tǒng)由工程測試車、EMI檢測儀、信號源、車載PC、紅外通信鏈路及遠程控制中心組成。其中，車載PC及遠程控制中心都是基于LabVIEW［9］的上位機界面。在檢測軟件的控制下，遠程控制中心將命令發(fā)送至紅外網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)車載紅外節(jié)點傳送至車載PC。命令分解后傳送至主控器及EMI測試儀。主控器將測得傳感器數(shù)據(jù)數(shù)上傳給車載PC，經(jīng)過紅外通信網(wǎng)絡(luò)傳回控制中心。系統(tǒng)對通信鏈路有以下要求:

(1)反復利用率高，成本低，鋪設(shè)方便;

(2)單個通信節(jié)點待機電流小于1μA;

(3)傳輸速率不低于115 200 bit/s，通信誤碼率小于2%;

(4)對漏泄電纜輻射電磁信號沒有干擾。

圖1 檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 紅外無線傳感通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

由于要實現(xiàn)檢測系統(tǒng)遠程可監(jiān)控，加上通信鏈路鋪設(shè)便捷、利用率高等要求，所以在實驗場地必須采用無線通信。且對實驗檢測的電磁信號沒有干擾，鑒于實驗檢測頻率為150 MHz～2.4 GHz，設(shè)計基于紅外波段的無線通信網(wǎng)絡(luò)。

2.1 紅外通信原理

紅外通信是利用紅外光進行通信的一種空間通信方式。將所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)編碼后，通過控制紅外發(fā)光管閃爍完成電/光轉(zhuǎn)換，再利用紅外光接收器接收紅外光，輸出電信號，完成光/電轉(zhuǎn)換。為了提高數(shù)據(jù)的可靠性，通常對傳輸數(shù)據(jù)進行編碼，采用Ir－DA協(xié)議大大降低了誤碼率。IrDR1.1協(xié)議器件物理層框圖如圖2所示。

圖2 IrDR1.1物理層框圖

IrDA 1.1標準，即高速紅外，簡稱為FIR。與慢速紅速SIR相比，由于FIR不再依托UART，其最高通訊速率可達到4 Mbit/s，在物理層之上的IrLAP (Link Access Protocol)［10］層要求所有的紅外連接以9.6 kbit/s的速率(3/16調(diào)制)建立起始連接，這樣也保證了4 Mbit/s的設(shè)備可以與僅支持9.6 kbit/s的低速設(shè)備相通信，即保證向后可兼容。

2.2 紅外通信節(jié)點的硬件設(shè)計

首先，漏泄電纜檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信要求最大速率為115 200 bit/s，且通信節(jié)點具備低功耗功能，待機電流小于1μA且支持紅外通信，鑒于此節(jié)點處理器選擇Cypress公司生產(chǎn)的PSoC4200系列單片機CY8C4245AXI。片上可編程系統(tǒng)內(nèi)置放大器、濾波器等模擬資源，且有12 bit AD轉(zhuǎn)換器、SPI、RS232等數(shù)字資源，大大提高了開發(fā)進度并且降低成本。44腳芯片提供兩個RS232接口，同時支持IrDA協(xié)議。在本設(shè)計中，一個用來作為紅外通信口，一個作為485聯(lián)網(wǎng)通信口。超低功耗［11－12］待機電流50nA，且快速喚醒時間小于5μs。其次，紅外收發(fā)器件采用Vishay生產(chǎn)的低功耗FIR器件TFDU6103，最高傳輸速率達到4Mbit/s。內(nèi)置紅外調(diào)制與解調(diào)電路，相比較而言傳統(tǒng)的光電對管需要相應的調(diào)制解調(diào)電路，并且不能支持高速率的連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送，在本設(shè)計中采用一體式的紅外通信模塊，與PSoC4串口連接，提供工作使能端口。通信節(jié)點硬件連接如圖3所示，其中P0_3口連接TFDU工作使能端口，P0_4、P0_5端口為UART1串行通信口，連接模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收端。

2.3 紅外通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

經(jīng)實驗測試，本文設(shè)計的紅外節(jié)點在波特率115 200 bit/s下，可靠傳輸距離達到1.5m，發(fā)散角30°。利用PSoC4的UART0通信口，通過MAX485通信芯片將節(jié)點連接到485總線，各節(jié)點相距2 m，賦予特定節(jié)點地址，組成通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)連接圖如圖4所示。

圖3紅外節(jié)點硬件連接圖

圖4 中，PSoC4與RS485及TFDU連接后構(gòu)成紅外通信節(jié)點，在485總線上具有唯一可識別地址，將眾節(jié)點485_A、485_B并行連接到總線上實現(xiàn)通信。

通信網(wǎng)絡(luò)工作分為兩個過程:上位機向下位機發(fā)送命令與下位機向上位機上傳數(shù)據(jù)。

圖4 紅外通信網(wǎng)絡(luò)連接硬件圖

工作流程分別為:

(1)上位機至下位機

上位機給紅外網(wǎng)絡(luò)中特定紅外節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中的紅外節(jié)點對比數(shù)據(jù)中的地址與本身地址，如果相同則接收數(shù)據(jù)。

(2)下位機至上位機

某通信節(jié)點請求數(shù)據(jù)通信，上位機將接收到的地址與地址列表相比較，符合后接收數(shù)據(jù)。

3 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 紅外通信網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

為滿足低功耗要求，不處于通信區(qū)的紅外節(jié)點進入睡眠狀態(tài)，由系統(tǒng)快速喚醒傳輸數(shù)據(jù)。通信數(shù)據(jù)分為控制命令與測試數(shù)據(jù)，控制命令由遠程控制中心發(fā)出經(jīng)由紅外網(wǎng)絡(luò)最后由主控器完成控制命令。

節(jié)點工作流程如圖5所示。車載PC將主控器采集到的數(shù)據(jù)打包通過車載紅外上傳至紅外網(wǎng)絡(luò)。上傳數(shù)據(jù)包括行駛里程、當前位移、蓄電池剩余電量、航線偏移狀態(tài)、當前速度及EMI測試儀測得的電磁信號功率數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)格式如表1所示。

圖5 紅外節(jié)點工作流程

表1 紅外上傳數(shù)據(jù)表

3.2 上位機軟件設(shè)計

遠程控制中心是基于LabVIEW的人機界面，通過紅外網(wǎng)絡(luò)與測試端連接。運界面主要分為任務(wù)管理區(qū)、參數(shù)配置區(qū)、圖形繪制區(qū)、工程車控制區(qū)及狀態(tài)顯示區(qū)。軟件接收測試數(shù)據(jù)，并實時繪制功率譜及顯示工作狀態(tài)。測試任務(wù)結(jié)束后保存數(shù)據(jù)并可生成通用報表文件。

4 實驗結(jié)果及分析

實驗采用漏泄電纜為寬頻帶異型槽漏泄同軸電纜SLYWY－50－32，輻射電磁信號中心頻率150 MHz，功率0 dBm。

(1)紅外通信測試

測試兩個紅外節(jié)點，在發(fā)散角30°內(nèi)，處于不同的距離傳輸10 000個8 bit二進制數(shù)據(jù)，在漏泄電纜測試環(huán)境，不同工作時長的情況下重復100次不同定長數(shù)據(jù)傳輸，測試結(jié)果取平均后，誤碼率數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 不同通信距離下的誤碼率

由圖可見，多次通信實驗所得數(shù)據(jù)穩(wěn)定，在紅外節(jié)點在通信距離小于1.5 m的情況下誤碼率小于1.5%，理論通信距離為3.5 m，實測通信距離在3 m時誤碼率已經(jīng)達到95%，綜合系統(tǒng)要求及通信誤碼率，系統(tǒng)采用1.5 m通信距離。系統(tǒng)采用的增量式編碼器保證百米測距誤差小于1%，上位機控制檢測平臺運行，完全能夠保證車載紅外與陸地紅外節(jié)點通信角度在30°內(nèi)，滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸安全性的要求。

(2)漏纜自動檢測上位機通信測試

綜合通信距離及誤碼率，紅外節(jié)點網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)在相距導航線1.5 m處。

上位機接收數(shù)據(jù)繪制功率譜圖如圖7所示。由數(shù)據(jù)可見，中心頻率150 MHz，EMI測試儀測得的功率為－50 dBm。上位機根據(jù)接收的數(shù)據(jù)顯示波形，經(jīng)運算辨識出功率頻段等信息，能穩(wěn)定可靠的完成漏泄電纜檢測任務(wù)。

圖7 上位機接收EMI測試數(shù)據(jù)

通過實驗實施證明，由于本通信節(jié)點具有體積小、紐扣電池供電、穩(wěn)定等優(yōu)點，相比于傳統(tǒng)通信方式，具有對實驗無干擾、鋪設(shè)簡單、反復利用率高及節(jié)能等優(yōu)點。

5 結(jié)論

本文設(shè)計的漏纜檢測系統(tǒng)通信方案是基于紅外波段的數(shù)據(jù)傳輸，對于電磁信號檢測沒有干擾，確保實驗數(shù)據(jù)的可靠性。相比于較傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠程可監(jiān)控，提高了設(shè)備利用率，降低了成本。實驗數(shù)據(jù)表明，紅外通信網(wǎng)絡(luò)能滿足系統(tǒng)的安全、高效、低功耗及高穩(wěn)定性等技術(shù)要求，在漏泄電纜檢測領(lǐng)域有很好的應用前景。

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于小強(1990－)，男，碩士研究生，研究領(lǐng)域為光電精密測試技術(shù)，anhuiyuxiaoqiang@126.com;

楊暉(1981－)，男，副教授，研究領(lǐng)域為光電精密測試技術(shù)，yanghui313@ 126.com。

基于紅外通信的無線傳感節(jié)點在漏纜檢測中的應用*

于小強1，楊暉1，2，3*，楊海馬1，宋磊磊1，李軍1，V Zivkovic3

(1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海200093;2.上海理工大學/上海市現(xiàn)代光學重點實驗室，上海200093; 3.阿德雷德大學電氣與電子工程學院，澳大利亞阿德雷德5005)

為了解決漏泄電纜檢測過程中射頻通信對實驗有干擾的問題，設(shè)計了一種基于紅外的通信節(jié)點。首先，根據(jù)漏泄電纜輻射場檢測需求，采用可編程片上系統(tǒng)作為處理器，利用其內(nèi)置的模擬及數(shù)字資源配合TFDU紅外通信芯片構(gòu)成通信節(jié)點，加入485總線構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，縮小體積，降低成本，提高可靠性。然后，詳細介紹了紅外通信方案及其實現(xiàn)方法。最后，結(jié)合漏泄電纜檢測上位機軟件對通信網(wǎng)絡(luò)進行評測。實驗數(shù)據(jù)表明，磁區(qū)通信性能良好。目前已運用于上海電纜研究所漏泄電纜自動檢測系統(tǒng)。

漏泄電纜;可編程偏上系統(tǒng);485總線;紅外通信;上位機軟件

TN925.98;TP212

A

1004－1699(2014)01－0149－04

2013－11－04修改日期:2013－12－29

C:7210B

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.01.027

項目來源:國家自然科學基金項目(61007002，61302181);上海市教委重點學科項目(J50505);研究生教育創(chuàng)新項目