小功率无线通讯在电表中的应用

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自国家无线电管理委员会将470～510Mhz规划给民用无线计量仪表等类型设备使用，各类表计制造企业纷纷开始进行小功率无线数据传输的研究及产品化设计。其中可能因行业应用的不同而影响整体设计方案不同，同时各地方表计的主管部门也纷纷推出鼓励政策，以促进该类行业的科技创新及产品应用。
1. 小功率无线通讯在电表中的应用及发展
电表的发展经过了机械式计量到电子式计量的过程，目前正在由电子式计量进入到电子智能化的阶段，并且发展迅速。
电表应用的自动抄表经历了红外抄表，RS485总线通讯抄表，PLC电力线载波抄表，及目前正在发展的小功率无线抄表、GPRS抄表的阶段。在目前的市场中，各总抄表方式共存、互补，并且在新的国家电网的电表标准中，已经将通讯模块的物理接口做出强制规定，也为电表的各种通讯方式的兼容铺平了道路。小功率无线抄表之所以在各类抄表模式的竞争中引起表计制造厂家的关注，主要有以下几个优势：
1)抄通率高。
2)通讯效率高。
3)安装成本低。
4)可拓展应用多。
5)小功率无线技术门槛低，易于形成产品。
总体说来在实际应用中小功率无线通讯在目前的阶段主要可以解决不入户抄表，实时上传数据，电表故障监测及未来实现智能电网合理分配电能等等功能。
电表由于有稳定的供电电源，相对对于智能化发展的过程中，对自身计量及智能控制，数据传输的过程中的能耗相对要求并不是非常苛刻，所以能够在应用中灵活处理无线抄表碰到的问题，但也有其他三表中要求更高的电气指标。
在电表的应用中基本要求具有如下的技术功能：
1) 自行组网功能。
2) 通讯自动调频功能。
3) 可根据功能的拓展需求自升级功能。
1.1 自组网功能
无线自组网是一组以无线链路进行通信、由移动节点动态形成得网络, 它是一个多跳的临时性自治系统。
与单跳的无线网络不同，自组网节点之间是通过多跳数据转发机制进行数据交换的, 需要路由协议进行分组转发决策。无线信道变换的不规则性, 节点的移动、加入、退出网络等也会引起网络拓扑结构的动态变换, 路由协议的作用就是在这种环境下，监控网络拓扑结构变换，交换路由信息。定位目的节点位置，产生、维护和选择路由，并根据选择的路由转发数据，提供网络的连通性。它是移动节点互相通信的基础。
无线自组网的主要特点在于不需要固定的基础设施支撑，不需要预先配置主机，能够在任何时间、任何地点快速的组建起一个移动通信网络;节点可以任意移动，网络拓扑结构动态变化，没有专用的固定基站或路由操作作为网络的管理中心，网络中每个节点都兼有主机和路由器的功能;节点间以对等的方式进行通信, 具有高度的协作性，网络路由学艺通常采用分布式控制方式，比中心结构的网络具有更强的鲁棒性和抗毁性等。
1.2 防冲撞通讯或自动跳频功能
在设置路由设备的频率时，由于采用的是同频收发，自然就存在节点之间的同频干扰问题。在解决这个问题时，可以使用载波侦听多点接入/ 避免冲撞的方法。在每次发送数据时，需要先等待一个任意长的周期，在这个任意的退避时间之后，如果设备发现信道空闲，就会发送数据帧;反之，如果设备发现信道正忙，则将等待任意长的周期后，再次尝试接入信道。这样可大大降低冲突发生次数的概率，从而能够满足抄表的需要。
1.3 自动升级功能
根据日后的用户需求，增加更多的功能及产品升级、调整等，无线抄表的方案在设计之初需要预留自升级的功能及接口，这样可以大大增加产品的使用期限及附加值。
2. 小功率无线通讯在气、水表中的应用及发展
随着国家的节能减排的大政策背景下，气、水表的发展将实现跨越是发展的趋势。由目前仍然在使用的以机械式计量为主的方式直接进入到智能式计量、控制的方式。
气、水表有一个共同的特点：电源部分绝大多数都是使用电池进行供电。所以对于无线抄表的实现则相比电表对于自身能耗的指标要严格许多。
主要的技术要求如下：
1) 超低功耗
由于气、水表都是使用电池进行供电，在原有的电子部分增加无线通讯的功能，并不显著减少工作使用寿命的要求，则对设计者提出更高的要求。
有于自组网为保持网络节点及通讯路径的稳定，必须要频繁进行节点间的通讯，所以在目前的技术背景下则能难实现超低功耗的要求。
当然也可以根据实际的最终抄表系统要求，以固定网络的方式实现，即设立固定路由，其余节点则指定和固定路由通讯的方式实现多节点无线抄表。协议也相对简单及高效。
低功耗的实现也有赖于抄表系统的实际用户需求，例如水、气表单月在某时间段进行工作，其余时间都处于非工作状态以减少功耗。
根据无线信号的强弱，自动调节发射功率，以减少功耗等等。
目前在水、气表中的应用中，以点对点的方式为主要方式，可以最简化抄表系统的设计及最高效率化数据采集。
2) 无线信号穿透能力强
由于水、气表的安装及使用基本在每用户房屋内，所以无线抄表可以实现不入户抄表，及用户不在房屋内进行抄表等实际问题。无线信号的穿透力则显得非常重要。为提高点对点的抄表效率，实际表计厂家要求能够无线信号能够穿越楼层5～7层。实际设计过程中，穿透力和超低功耗需要取一个平衡点，往往需要经过大量的现场试验以达到最佳性能比。
3) 体积小型化
由于水、气表的体积越来越小型化，本身机械传感器部分的体积较大，留给电子计量及无线通讯模块的结构空间相对很小。这就要求电子部分的设计尽量小型化。所以对无线通讯模块的集成度提出更高的要求。
3. 小功率无线通讯在热表中的应用
热表目前的发展在近几年非常迅速，随着国家关注民生问题，解决社会矛盾的要求，热表需求在中国的北部迅速增加。
目前热表主要有两种类型，一种是散热片式热能计量，主要针对老的供暖系统加装计量表;另一种是新建供暖系统的管道式计量表。
在管道式计量表的技术需求基本和水、气表的需求一致。散热片式热能计量表则有集成度更高的需求，传感器的信号处理、计算，及计量数据的无线传递尽量能够在一颗芯片中完成，这样可大大提高表计的精度及减少功耗，延长表计的电池使用寿命。
结束语：
随着国内无线抄表的标准越来越清晰，将带来小功率无线通讯在表类行业的应用春天，也将出现更多的不同需求和应用。芯科实验室推出的EZRadioPro产品系列以高发射功率，高灵敏度及高效率的能耗比在多家表计厂家中胜出，得到广泛应用。在2009年推出的无线单片机Si10xx系列，以更高的集成度，超低功耗在电、水、气、热表的应用中占据无线抄表市场的领头羊位置，也将势必帮助中国的表计行业无线抄表蓬勃发展。