基于433M無線擴頻技術在密閉空間的應用*

李文峰,邱賢玉,蘇夢圓,徐友飛

(西安科技大學通信與信息工程學院,西安 710054)

基于433M無線擴頻技術在密閉空間的應用*

李文峰*,邱賢玉,蘇夢圓,徐友飛

(西安科技大學通信與信息工程學院,西安 710054)

針對密閉空間實時數據采集困難和信道利用率低的問題,提出一種基于433M無線擴頻通信技術,將其運用于遠程數據的通信。該設計采用STM8S103為主控芯片,用于對外設信號的調制解調,其數據傳輸率可達500 kbit/s。無線收發模塊對采集的實時數據進行433M擴頻處理并發送至外部信號接收器,實現數據的傳輸。實驗結果表明:當信號的最大發射功率為-132 dBm時,功率損耗最低為100 mW,密閉空間與外界通信距離達到2 000 m,可以滿足通信的指標。該技術具有良好的應用前景。

無線擴頻通信;調制解調;接收靈敏度;密閉空間;433M

隨著科技的進步和發展,無線通信技術已經運用到科學和醫療等行業。雖然在無線通信如此普及的今天,還是有運營商的無線信號覆蓋不到的地方。特別是一些密閉空間(如電梯井道,礦井礦道,輸油管道以及各種管道內部)需要無線通信技術和無線通信設備[1-5]。這些密閉空間內的無線通信有時候和人們的生命安全息息相關,必須要保證無線通信的質量。再加上無線通信的廣泛應用,無線頻道資源變得非常擁擠,干擾繁多[6-10]。因此選取短距離無線擴頻通信技術,將信息數據進行頻譜擴展后再傳輸到終端。有效地解決了密閉空間數據通信傳輸的困擾。

1 基本原理

設計采用的的無線通信技術包括:外設信號采集單元;433 MHz模塊無線發射與接收單元;調制解調單元。外設A為獲取信號,接收的信號或數據采用STM8S103主控芯片調制為匹配信息,并將匹配信息發送至無線發射模塊進行處理[11]。無線收發模塊對采集的實時數據進行433 MHz擴頻處理,并通過傳輸協議RS232傳輸給解調單元。解調處理后的數據發送至外設B,從而形成依次交互式的數據通信傳輸。

具體實現如圖1所示。

圖1 無線通信數據傳輸原理圖

2 具體實現

在短距離無線通信中,選取STM8S103為主控芯片,可以滿足設計需求。該芯片由8 bit單片機提供容量為8 kbyte的Flash程序存儲器,擁有真正的數據EEPROM。高度集成了內部時鐘震蕩器、看門狗和掉電復位功能[12]。STM8S103的射頻收發器擁有高度可配置的調制解調器,支持不同的調制格式,其數據傳輸率可達500 kbit/s。通過開啟集成在調制解調器上的前向誤差校正選項,能使性能得到提升。STM8S103為數據包處理、數據緩沖、突發數據傳輸等信息處理提供廣泛的硬件支持[13]。在本次的模塊設計方案中,STM8S103控制芯片的作用是將接收到的運行數據調制解調為匹配信息,并將匹配信息發送至無線收發模塊,還用于接收經無線收發模塊處理過的擴頻信息,并將擴頻信息發送至外部信號接收器,實現其對數據的傳輸。

無線收發模塊,將SX1278芯片與現有的SI4432模塊,HC-12模塊,nRF24L模塊作對比,在發射功率同為443 MHz的情況下,SI4432模塊的最高傳輸速率為256 kbit/s下的接收靈敏度為-121 dBm,HC-12模塊的最高傳輸速率為236 kbit/s下的接收靈敏度為-100 dBm,nRF24L模塊的最高傳輸速率為250 kbit/s下的接收靈敏度為-94 dBm,而SX1278芯片的最高傳輸速率為300 kbit/s下的接收靈敏度為-139 dBm。一般來說,接收靈敏度每下降6 dB,通信距離會減少一半,所以通過與SI4432模塊,HC-12模塊和nRF24L模塊對比,可以看出3個對比模塊的接收距離均達不到要求的長度[14]。因此采用SX1278芯片,該無線模塊支持LoRa調制模式,在集成化和選擇性能上具有明顯的優勢,與傳統調制技術相比解決了傳統設計需要在通信范圍、抗干擾能力以及功耗上作出妥協的問題,它具有通信距離遠、抗干擾能力強、功耗低等優越性能。

擴頻通信是密閉空間無線通信的關鍵技術,在數據發射端以擴頻編碼進行擴頻調制,在數據接收端以相關解調技術收集信息,頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成,用編碼及調制的方法來實現的,與所傳信息數據無關;在接收端則用同樣的碼序列進行相關同步接收、解擴及恢復所傳信息數據[15]。按實際情況將傳輸速率編程配置為0～300 kbit/s,中心頻率為433 MHz,同時也可按實際情況編程配置為433 MHz～520 MHz。數據經過高斯頻移鍵控(GFSK)調制后,產生匹配無線發射模塊的數據,由天線發送至無線接收模塊。解調器對實時數據進行處理,通過RS232傳輸協議發送到外設信號接收器,這樣就可以完成全部的收發數據的過程[16]。這對密閉空間的通信數據傳輸極為有利,降低了信號傳輸的損耗,并能將外設采集器采集的數據一對一發送至外設接收器,大大地降低了差錯率和誤碼率[17]。保證了通信的質量,解決了一直以來密閉空間信號失真嚴重的問題[18]。

3 無線數據傳輸技術測試

3.1 丟包率測試

本實驗設計使用 433 MHz 無線數據傳輸模塊,同時做實驗來驗證其準確性：對不同的計算機各使用一個無線數據傳輸模塊，通過寫入代碼來控制該模塊，間隔2 s發送段有效字符串的信號。所植入的代碼數據傳輸的數據格式如下所示：

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

測試選取一系列模擬數據進行實驗驗證，產生的字符串為：

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

在設定好有效字符串的基礎上,將每組數據定時傳輸4分鐘，并實時接收數據。接收到的數據進行差錯校驗主要分為：數據正確、數據報錯、數據無效3種形式。采用表格將測試的數據全部記錄歸檔，便可計算出數據傳輸的誤碼率。

實驗主要測試無線數據傳輸模塊的有效傳輸距離和丟包率的關系。為了測試此模塊的性能,該實驗分別設置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個組進行實驗。

從圖2中的數據顯示趨勢:無線傳輸模塊在2 000 m范圍內出錯和丟失率都很小不超過3%,基本在可允許的誤差范圍內。距離超過2 000 m開始信號的出錯率和丟失的情況逐漸增大,從距離2 000 m時候的2%,到3 600 m時候接近15%。可以清晰地看到2 000 m左右是最佳的通信距離。根據對無線傳輸模塊的實驗結果來看足以滿足數據的傳輸需求。

圖2 信息傳輸出錯率和通信距離關系圖

3.2 通信傳輸距離的測試

無線收發模塊的通信傳輸距離與調制信號頻率及幅度,工作電壓及電池容量,接收靈敏度,收發環境等有關。我們主要對工作電壓和接收靈敏度進行了詳細測試。經過測試,數據模塊具有較寬的電壓范圍3.0 V～12.0 V,不同的電壓下傳輸距離不同。當工作電壓為3 V時,密閉空間傳輸距離約200 m～500 m,發射功率較小;當工作電壓為5 V時,密閉空間傳輸距離約700 m～800 m;當工作電壓為12 V時,為最佳工作電壓,具有較好的發射效果,發射電流約60 mA,空曠地傳輸距離1 000 m～2 000 m,寫字樓能夠穿透7層/18.2 kbit/s發射功率約為100 mW。當工作電壓大于12 V時功耗增大,誤碼率增大,有效發射功率不再明顯提高。當最大電壓為12 V時,密閉空間與外界的通信距離能夠達到2 000 m。實現了密閉空間的遠距離信號傳輸。

3.3 信號功耗的測試

密閉空間中信號傳輸的通信距離是隨著發射功率增大而增大,同時通信距離越遠,無線收發模塊的功耗也就越大。選取電梯井道和樓宇中心進行試驗,實時測試信號的傳輸距離與功耗的關系。采用鋰電池供電,最大發射功率分別取為:-113 dBm、-120 dBm、-125 dBm、-132 dBm,頻率波段設置為433 MHz的ISM頻段。可以得到在不同發射功率下的功耗和通信距離參數,如表1所示。

表1 通信距離及功耗測試

4 結論

設計詳細介紹了基于433 MHz頻段的無線通信技術的數據傳輸原理與具體實現,同時也討論對比了各個模塊的性能指標。通過實驗和現場測試,驗證了433M無線數據傳輸模塊的有效性。由實驗測試數據表明:在功耗為100 mW時,密閉空間與外界的通信的最佳距離能夠達到2 000 m。此時傳輸信號的誤碼率最低,發射功率密度最低,功耗相對較低,不易對其他設備造成干擾,對同頻干擾及各種噪聲具有極強的抑制能力,能很好地完成密閉空間數據的采集、處理、分析與傳輸。解決了密閉空間通信困難造成的巨大損失問題,取得了顯著的成效。

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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

項目來源:國家重點研發計劃項目(2017YFC0703204);陜西省科技統籌創新工程計劃項目(2015KTCQ03-10)

2016-09-24修改日期2016-12-09

TN770

A

1005-9490(2017)06-1571-04

李文峰(1969-),男,河南襄城人,教授,博士,主要研究方向為應急救援及礦山信息化技術,liwenfeng@xust.edu.cn;

邱賢玉(1991-),男,甘肅武威人,西安科技大學在校研究生,專業:通信與信息系統,主要研究方向為無線通信信息傳輸,qiuxianyu314@163.com。