林 碩，張榮晶

（福建省計量科學(xué)研究院，福州350003）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)計量器具上實現(xiàn)智能化和網(wǎng)絡(luò)化是大勢所趨[1-3]。目前，電子汽車衡主要以采用秤臺、傳感器、電纜和儀表的有線連接結(jié)構(gòu)為主。無論電子汽車衡采用的是模擬傳感器還是數(shù)字傳感器，均難以做到“即裝即用”，也難以實現(xiàn)對傳感器狀態(tài)的實時監(jiān)測，難以與其他智能設(shè)備實現(xiàn)互聯(lián)，形成統(tǒng)一的管理系統(tǒng)，也無法滿足智能計量校準(zhǔn)的要求。目前，有部分廠家研制出了“無線”電子汽車衡，但多數(shù)的實現(xiàn)方式是在接線盒或儀表上加裝了采用藍(lán)牙協(xié)議的無線通信模塊，這種方法仍存在傳輸距離短、故障率高、維護(hù)困難等問題[4]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有安裝靈活、擴(kuò)展簡便、自組網(wǎng)等特點，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于稱重傳感器中可解決上述問題，同時具有低功耗、高可靠性等優(yōu)點，為車輛稱重數(shù)據(jù)管理和監(jiān)測提供高效便捷的手段[5]。因此，本文提出了一種基于LoRa技術(shù)的低功耗無線傳輸模塊的設(shè)計方案，并將該模塊應(yīng)用于稱重傳感器中，實現(xiàn)了車輛稱重系統(tǒng)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化。

1 LoRa技術(shù)特點與稱重傳感器

1.1 LoRa技術(shù)原理

LoRa技術(shù)是低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司提供的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案[6]。LoRa主要在全球免費頻段運行，包括 433 MHz、868 MHz、915 MHz等。采用了高擴(kuò)頻因子，從而獲得較高的信號增益，接收靈敏度可達(dá)-148 dBm，從而降低發(fā)射功率，減小功耗。LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端（或內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及應(yīng)用服務(wù)器組成，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。目前，國內(nèi)廠商研發(fā)的無線稱重系統(tǒng)主要采用ZigBee或藍(lán)牙技術(shù)，所使用的頻段是在2.4 G頻點。2.4 G頻段具有傳輸速率高的優(yōu)勢，但是汽車衡稱重具有數(shù)據(jù)量小、信號傳輸中障礙物多等特點，所以其優(yōu)勢很難體現(xiàn)。而且由于工作頻率較高，信號的越障、穿透能力較弱，在很多汽車衡使用場合 （如高速公路收費站、礦山等）無法實現(xiàn)穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。而433 MHz頻段頻率較低，信號的穿透、繞射能力較強(qiáng)，信號衰減小，適用于車輛稱重系統(tǒng)使用環(huán)境[7]。同時，LoRa具有的低功耗特性，可有效延長設(shè)備的維護(hù)周期。

1.2 稱重傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在車輛稱重系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，稱重傳感器、顯示儀表均含有無線模塊，其中儀表同時作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點，接收并顯示稱重數(shù)據(jù)。稱重傳感器數(shù)量為4～16個，安裝在承載器下方。同一用戶的多臺稱重設(shè)備可通過網(wǎng)關(guān)、有線或無線連接至數(shù)據(jù)管理中心。網(wǎng)關(guān)與傳感器通信方式采用主從式結(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點在接收到網(wǎng)關(guān)的取數(shù)據(jù)命令或被觸發(fā)設(shè)定條件時開始采集和數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理結(jié)束后立即發(fā)送，等待接收到網(wǎng)關(guān)正確回應(yīng)后休眠。傳感器的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

1.3 稱重傳感器的硬件結(jié)構(gòu)

稱重傳感器采用5 V鋰離子蓄電池同時為測量電路、MCU、ADC、以及無線模塊供電。為提高測量電路的穩(wěn)定性，保證稱重數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要保證供電的持續(xù)性；但無線模塊僅在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時被喚醒。因此電源處理部分采用兩路LDO供電。在稱重時，粘貼在彈性體上的電阻應(yīng)變片在受載時產(chǎn)生一個與載荷相關(guān)的電壓信號，通過ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，存儲到外部E2PROM中，并由傳感器端的無線模塊發(fā)送。儀表端接收信號后進(jìn)行轉(zhuǎn)換和顯示。傳感器硬件設(shè)計如圖2所示。

圖1 車輛稱重系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Network framework of weighing system

圖2 無線稱重傳感器硬件Fig.2 Composition of the load cell

2 無線傳輸模塊硬件電路的設(shè)計

無線傳輸模塊由MCU、RF芯片、晶振、濾波器、RF開關(guān)以及天線組成，如圖3所示。MCU作為主控芯片，用來配置RF芯片，同時控制RF芯片的供電電源，使無線模塊僅在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時被喚醒。RF芯片主要負(fù)責(zé)調(diào)制從MCU發(fā)來的信號，或者解調(diào)從天線經(jīng)過濾波器得到的信號。晶振為RF芯片提供頻率源。接收電路和發(fā)送電路是由濾波器構(gòu)成的，主要是負(fù)責(zé)濾除不必要的頻率，以免對目標(biāo)頻段造成干擾。天線主要負(fù)責(zé)接收和發(fā)送信號。實際的硬件電路如圖3所示。

圖3 無線模塊硬件電路Fig.3 Composition of the module

2.1 RF芯片的選型

RF芯片采用的是美國Semtech公司的SX1278芯片，其帶寬范圍為7.8～500 kHz，擴(kuò)頻因子為6～12，工作在433 MHz/470 MHz頻段。接收靈敏度可達(dá)到-148 dBm，最大鏈路預(yù)算為168 dB，最大發(fā)射功率20 dBm。SX1278具有低電流消耗的特點，在sleep模式下電源電流僅200 nA；在接收模式下，最大電源消耗電流為12 mA；在發(fā)送模式下，電源消耗電流為 120 mA（RFOP=+20 dBm）。

2.2 接收和發(fā)送濾波電路

在圖4中，無線傳輸電路中方框A1和方框A2區(qū)域內(nèi)的電路為接收信號的濾波電路，通過電感和電容組成LC帶通濾波電路，濾除通信頻率外的信號，只讓特定的信號通過，避免天線接收到的其他頻率的信號對SX1278芯片通信的影響，提高接收的靈敏度。方框B1和B2區(qū)域中所示的電路為發(fā)送信號的濾波電路，采用的是橢圓低通濾波電路，濾除不需要的帶外噪聲，減少了頻帶干擾，提升了無線模塊的抗干擾性能。電容C28和C9將前級濾波器輸出的直流分量濾除，再通過下一級的濾波放大電路后經(jīng)過天線發(fā)送。

圖4 無線傳輸模塊收發(fā)電路Fig.4 Transceiver module of wireless module

2.3 接收和發(fā)送選擇電路

SX1278是一個半雙工的收發(fā)器，在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時需要進(jìn)行模式切換，因此需要一個模擬開關(guān)來實現(xiàn)模式的轉(zhuǎn)換，如圖5所示。PE4259是RF開關(guān)，開關(guān)信號的頻率范圍為1～3 GHz，使用時，將VDD引腳拉至高電平，通過控制CTRL引腳來選擇天線是與發(fā)送電路還是接收電路相連。與接收電路和發(fā)送電路分別用一根天線相比，用RF開關(guān)在接收和發(fā)送模式之間進(jìn)行切換的實現(xiàn)方式，在提高接收靈敏度的同時減小天線的數(shù)量和PCB板的面積。

圖5 無線傳輸模塊收發(fā)選擇電路Fig.5 Selective circuit of transceiver module

3 軟件設(shè)計

傳感器的功耗管理是通過軟硬件設(shè)計共同實現(xiàn)的[8-10]。傳感器空閑時開啟無線模塊的休眠模式，在休眠時間段內(nèi)手動或周期性開啟接收功能，監(jiān)聽是否有網(wǎng)關(guān)發(fā)送的“前導(dǎo)碼”；當(dāng)接收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送“前導(dǎo)碼”后立即“喚醒”MCU開啟串口接收，接收校驗無誤后，開啟工作模式：開啟無線模塊電源和ADC完成數(shù)據(jù)采集；采集完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時關(guān)閉片內(nèi)ADC和基準(zhǔn)的模擬外設(shè)；數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給無線模塊進(jìn)行發(fā)送。發(fā)送完成并得到網(wǎng)關(guān)正?；貞?yīng)后，MCU進(jìn)入等待模式：切換至外部低頻晶振。等待狀態(tài)下，MCU只有定時器和晶振工作。

軟件程序流程如圖6所示，傳感器上電后取片外E2PROM存儲的程序版本、修正參數(shù)、網(wǎng)關(guān)地址等配置信息后，通過自檢燈顯示狀態(tài)是否正常。根據(jù)設(shè)計，當(dāng)稱重傳感器受到大于設(shè)定值的載荷時，自動啟動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和無線模塊；如果傳感器無動作，則通過儀表（網(wǎng)關(guān)）手動發(fā)送“喚醒”信號。所以程序開啟中斷，檢測是否有載荷“喚醒”，或手動喚醒命令，當(dāng)有取數(shù)命令下發(fā)后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和數(shù)組填充。沒有“喚醒”命令則仍保持“休眠”狀態(tài)，直到下一次喚醒。

圖6 程序流程Fig.6 Flow chart of software design

4 模塊測試與功耗計算

本項目測試是利用電流分析儀，對研制的無線模塊在工作過程中不同階段的瞬時電流和平均電流，評估傳感器正常工作24 h的功耗。測試結(jié)果如表1所示。

表1 無線模塊功耗測試結(jié)果Tab.1 Test results of wireless module power consumption

根據(jù)設(shè)計，無線模塊只在稱重時喚醒，每次采集和發(fā)送過程控制在1 s以內(nèi)；而稱重傳感器在工作時間內(nèi)需長時間預(yù)熱，稱重傳感器供橋電壓3.3 V，內(nèi)阻700 Ω。以稱重系統(tǒng)每天工作12 h，累計稱重120次進(jìn)行每日功耗計算：

因此采用6000 mA/h的鋰離子電池供電，理論上可使用75天以上。

5 結(jié)語

本文介紹了一種基于LoRa擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，運行在433 MHz頻段的低功耗稱重系統(tǒng)無線傳輸模塊的設(shè)計。采用低功耗射頻IC芯片、低插入損耗射頻開關(guān)、輸入帶通濾波器和輸出低通濾波器等，結(jié)合合理的軟件流程設(shè)計，實現(xiàn)稱重傳感器對載荷的準(zhǔn)確采集和可靠無線傳輸，同時降低設(shè)備功耗。傳感器采用鋰離子電池供電，經(jīng)過理論計算和實驗室驗證，使用6000 mA/h電池，系統(tǒng)可穩(wěn)定運行75天以上。解決了當(dāng)前稱重系統(tǒng)中存在的線纜成本高、維護(hù)更換困難、難以進(jìn)行稱重數(shù)據(jù)監(jiān)控和校準(zhǔn)管理等問題，實現(xiàn)了車輛稱重的智能化。

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