專利名稱：一種基于wia無線網(wǎng)絡的無線抄表裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線抄表裝置，具體說是一種基于WIA無線網(wǎng)絡的無線抄表裝置。
背景技術：
在物聯(lián)網(wǎng)技術迅速發(fā)展的今天，無線抄表技術也得到了快速發(fā)展，由于無線抄表具有功耗低、不用抄表人員現(xiàn)場去進行查抄、抄表實時性高等優(yōu)點，所以無線抄表技術在未來具有很好的應用前景。在中國專利號02200581.1中，公開了一種利用電話線的自動抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用戶端和管理端，用戶端由表具、采集器、數(shù)據(jù)處理器組成，表具將數(shù)據(jù)傳遞給采集器，采集器與數(shù)據(jù)處理器通過無線方式傳輸數(shù)據(jù)，無線發(fā)射頻率為400MHz左右，數(shù)據(jù)處理器與管理端通過電話線傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動抄表。該系統(tǒng)的不足是無線抄表只局限于用戶端的范圍內(nèi)，要求用戶必須具有電話線的硬件條件，不適用于安裝在戶外的大抄表。在中國專利號96202204.7中，公開了一種多用戶煤氣、電、表具自動抄表裝置，它在每個用戶儀表的轉動位置都安裝一個用戶數(shù)據(jù)采集單元，通過監(jiān)測器件，將信號轉換成電脈沖信號，對脈沖信號進行累計計數(shù)，在每個數(shù)據(jù)采集單元匯總到一個數(shù)據(jù)集中處理單元，紅外抄表器通過控制數(shù)據(jù)集中處理單元對每個數(shù)據(jù)采集單元的累計結果進行讀取、清零。紅外抄表器通過輸出接口將讀取的數(shù)據(jù)向其他裝置輸出。該技術采用紅外方式傳輸數(shù)據(jù)，具有傳輸距離短、信號傳輸不穩(wěn)定等缺陷，而且仍需人工抄表，不能從根本上解決問題。在中國專利號200810207546.9中，公開了一種用GPRS進行無線抄表的技術。處理器采集電表的數(shù)據(jù)，然后通過GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳遞給后臺服務器。該系統(tǒng)的不足之處是由于采用GPRS網(wǎng)絡技術，每年都要向通信運營商繳納一定的費用。針對于以上缺點不足，本發(fā)明提出了一種無線射頻裝置，由該裝置構成的WIA無線網(wǎng)絡抄表系統(tǒng)，能夠很好的解決以上不足，它支持多跳(Mult1-hop)、對等(Peer toPeer)的無線通信方式，具有自主組網(wǎng)、網(wǎng)絡規(guī)?？勺?、節(jié)點可大量部署、無人值守等特點，同時可以通過休眠機制降低節(jié)點能耗。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術中存在的傳輸距離短、信號傳輸不穩(wěn)定、使用費用昂貴等不足，本發(fā)明的目的是提供一種遠距離無線抄表裝置。該裝置把無線通信技術和射頻電路技術相結合，并且融合了自己獨特的天線設計，設計出一款無線通信裝置，該裝置能夠很好的完成抄表數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送和接收，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工入戶抄表。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下:WIA無線網(wǎng)絡采用Mesh網(wǎng)絡結構，WIA網(wǎng)絡中包括多個互相之間進行通信的抄表裝置，所述無線抄表裝置包括:天線:所述天線是上位機與射頻收發(fā)電路進行無線信號通信的橋梁；射頻收發(fā)電路:天線與射頻收發(fā)電路通過天線阻抗匹配電路進行無線信號通信；
射頻收發(fā)開關:所述射頻收發(fā)開關通過高低電平控制射頻收發(fā)電路接收、發(fā)送無線信號；處理器電路:核心為STM32F103C8T6芯片，外部為濾波電容和上拉、下拉電阻；處理器電路與電表通過串口電路進行通信；電源電路:為整個裝置供電。射頻收發(fā)電路由收發(fā)控制器、射頻濾波電路和高通濾波電容構成。射頻濾波電路和高通濾波電容構成無線信號接收、發(fā)送電路；所述無線信號接收電路由電容CRl CR2、電感LR構成；無線信號發(fā)送電路由電容CC1、CM、CH、CO、電感LM、LH、LO、LC、LR、電阻 RDC 構成。收發(fā)控制器的核心為Si4432芯片。天線阻抗匹配電路包括電容CM2 CM3、電感LM2緊放組成π型電路，電容CC2與電容CM2緊放；電容CM3出來的導線與天線的連接座的導線長度為3.25毫米，寬度為0.46毫米。天線內(nèi)置于無線抄表裝置中，天線與無線通信裝置長軟線纜連接；天線輸入阻抗為50 Ω，電壓駐波比小于2.5,電磁波福射方向為全向，能夠承受最大輸出功率5W。無線抄表裝置還包括存儲電路，存儲電路的輸入端與處理器電路相連；存儲電路的核心為Μ25Ρ10-Α芯片；R6、R7、R8分別作為數(shù)據(jù)線的上拉電阻，R9作為時鐘線的下拉電阻，C5作為電源和保持管腳的濾波電容。電源電路的輸入電壓為12V，經(jīng)過TVSl保護、Cl濾波后通過LM2594M-5.0輸出5V電壓；輸出的5V電壓經(jīng)過L1、C2、C3濾波，輸出給MP1700T電源芯片后轉換成3.3V信號，為系統(tǒng)供電。接口電路包括JTAG調(diào)試電路、狀態(tài)指示燈電路、與電表通信串口電路和復位電路。本發(fā)明可用于無線抄表的數(shù)據(jù)采集與傳輸，它將無線通信技術和射頻電路設計有機的結合在一起，外加獨特的天線設計，很好的解決了傳統(tǒng)的依靠人工入戶抄表帶來的弊端。本發(fā)明具有如下優(yōu)點:1.可以進行多點監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集。由于本發(fā)明采用了多跳技術，可以使不同無線抄表裝置上的天線將采集到的信號經(jīng)過集中器傳遞到后臺服務器(上位機)。2.傳輸距離遠。由于本發(fā)明采用了在無線抄表裝置內(nèi)部設置軟線纜連接天線與無線抄表裝置的設計，使得無線抄表裝置的通信距離在原有基礎上大幅提高。本發(fā)明研發(fā)的無線抄表系統(tǒng)中的射頻通信裝置，是無線通信網(wǎng)絡的硬件平臺，該裝置戶外可視傳輸距離能夠達到1000米以上，在普通鋼混住宅中，信號能夠從一樓傳到六樓。3.本發(fā)明是獨立的射頻通信裝置，通過串行接口與電表進行數(shù)據(jù)通信，在以無線的方式將數(shù)據(jù)發(fā)出；替代了傳統(tǒng)的依靠電力線載波或紅外抄表的方式。4.本發(fā)明應用到電力抄表系統(tǒng)中,代替了傳統(tǒng)的人工入戶抄表,具有低功耗、抄表實時性高、抄表準確率高等優(yōu)點，便于電業(yè)局對用戶的用電數(shù)據(jù)進行管理。采用自主組網(wǎng)技術，便于系統(tǒng)規(guī)模的擴展。


圖1為本發(fā)明一種基于WIA無線網(wǎng)絡的無線抄表裝置的無線抄表裝置通信方式示意圖；圖2為本發(fā)明一種基于WIA無線網(wǎng)絡的無線抄表裝置的無線抄表裝置結構示意圖；圖3為本發(fā)明一種基于WIA無線網(wǎng)絡的無線抄表裝置的電源電路原理圖；圖4為本發(fā)明一種基于WIA無線網(wǎng)絡的無線抄表裝置的天線阻抗匹配電路原理圖；圖5為本發(fā)明一種基于WIA無線網(wǎng)絡的無線抄表裝置的射頻收發(fā)電路原理圖；圖6為本發(fā)明一種基于WIA無線網(wǎng)絡的無線抄表裝置的射頻收發(fā)開關原理圖；圖7為本發(fā)明一種基于WIA無線網(wǎng)絡的無線抄表裝置的處理器電路原理圖；圖8為本發(fā)明一種基于WIA無線網(wǎng)絡的無線抄表裝置的存儲器電路原理圖；圖9為本發(fā)明一種基于WIA無線網(wǎng)絡的無線抄表裝置的接口電路原理圖。本發(fā)明一種基于WIA無線網(wǎng)絡的無線抄表裝置包括以下幾部分電路:電源電路(圖3)、阻抗匹配電路(圖4)、射頻收發(fā)電路(圖5)、射頻收發(fā)開關(圖6)、處理器電路(圖7)、存儲電路(圖8)和接口電路(圖9)。
具體實施例方式下面結合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。實施例:如圖1所示，基于無線網(wǎng)絡的無線抄表裝置通信方式示意圖，該示意圖顯示了本發(fā)明無線抄表裝置的網(wǎng)絡的通信方式共分兩部分:一部分是上行通信，即集中器(I N)與后臺服務器(上位機)的連接，采用McWill無線網(wǎng)絡技術；另一部分是下行通信，即集中器
與電表終端(11 15.......21 25......NI N5......)的連接，采用WIA無線網(wǎng)絡技
術。其中，后臺服務器(上位機)與集中器組成星型無線網(wǎng)絡，集中器與電表終端組成Mesh網(wǎng)絡結構，電表終端的射頻通信裝置不僅能夠負責數(shù)據(jù)采集與傳輸，還具有中繼的功能，能夠對數(shù)據(jù)進行轉發(fā)。所述WIA無線網(wǎng)絡采用Mesh網(wǎng)絡結構，WIA網(wǎng)絡中包括多個互相之間進行通信的抄表裝置。如圖2所示，無線抄表裝置包括:天線、射頻收發(fā)電路、射頻收發(fā)開關、處理器電路和電源電路等部分。其中，天線的輸入端與上位機進行無線信號通信、輸出端與射頻收發(fā)電路進行通信。在保證通信距離的情況下，盡量減小天線的尺寸，以保證能夠安裝于裝置中，天線尺寸僅為66*7.5*1 (單位:mm)。天線與無線通信裝置通過不到5厘米長軟線纜連接。輸入阻抗為50歐姆，電壓駐波比小于2.5,電磁波福射方向為全向，能夠承受最大功率5W。輸入信號與輸出信號全部通過天線進行數(shù)據(jù)傳輸。天線內(nèi)置于無線抄表裝置中，天線與無線通信裝置長軟線纜連接；天線輸入阻抗為50 Ω，電壓駐波比小于2.5，電磁波輻射方向為全向，能夠承受最大輸出功率5W。由于本發(fā)明采用了在無線抄表裝置內(nèi)部設置軟線纜連接天線與無線抄表裝置的設計，使得無線抄表裝置的通信距離在原有基礎上大幅提高。本發(fā)明研發(fā)的無線抄表系統(tǒng)中的射頻通信裝置，是無線通信網(wǎng)絡的硬件平臺，該裝置戶外可視傳輸距離能夠達到1000米以上，在普通鋼混住宅中，信號能夠從一樓傳到六樓。如圖3所示，電源電路(Ul)電源電路的輸入電壓為12V，經(jīng)過TVSl保護、Cl濾波后通過LM2594M-5.0輸出5V電壓；輸出的5V電壓經(jīng)過L1、C2、C3濾波，輸出給MP1700T電源芯片后轉換成3.3V信號，為整個裝置供電。天線與射頻收發(fā)電路通過天線阻抗匹配電路進行無線信號通信。如圖4所示，天線阻抗匹配電路包括電容CM2 CM3、電感LM2緊放組成π型電路，電容CC2與電容CM2緊放；電容CM3出來的導線與天線的連接座的導線長度為3.25暈米,寬度為0.46暈米。且所有電容、電感器件的封裝都用0402標準。如圖5 6所示，射頻收發(fā)開關(U4，UPG2214TB)高低電平控制射頻收發(fā)電路接收、發(fā)送無線信號。射頻收發(fā)電路收發(fā)控制器(U3)、射頻濾波電路和高通濾波電容構成。收發(fā)控制器(U3)的核心為Si4432芯片。射頻濾波電路和高通濾波電容構成無線信號接收、發(fā)送電路；無線信號接收電路由電容CRl CR2、電感LR構成；無線信號發(fā)送電路由電容CCl、CM、CH、CO、電感LM、LH、LO、LC、LR、電阻RDC構成，主要負責射頻信號的濾波，PCB布線要求電容、電感、電阻的布置要盡量緊密，封裝采用0402標準。如圖7所示，處理器電路(U5)的核心為STM32F103C8T6芯片，外部為濾波電容和上拉、下拉電阻；輸入端通過接口電路與射頻處理電路通信，輸出端與電表通過串口電路進行通信。外圍僅需要少量的濾波電容和上拉、下拉電阻。電容、電阻封裝采用0402標準。如圖8所示，本發(fā)明一種基于WIA無線網(wǎng)絡的無線抄表裝置還包括存儲電路(U6)的輸入端與處理器電路相連；所述存儲電路的核心為M25P10-A芯片；R6、R7、R8分別作為數(shù)據(jù)線的上拉電阻，R9作為時鐘線的下拉電阻，C5作為電源和保持管腳的濾波電容。 如圖9所示，接口電路包括JTAG調(diào)試電路、狀態(tài)指示燈電路、與電表通信串口電路和復位電路。本發(fā)明的內(nèi)容是WIA無線網(wǎng)絡中的射頻通信裝置，圖2所示，射頻通信裝置結構圖。該發(fā)明包括電源電路、阻抗匹配電路、射頻收發(fā)電路、射頻收發(fā)開關、處理器電路、存儲電路、接口電路和天線等。電路接收數(shù)據(jù)流程:無線信號由天線接收，經(jīng)過天線阻抗匹配電路后，將信號傳遞給射頻收發(fā)電路，射頻收發(fā)電路經(jīng)過解調(diào)接收到的信息，將無線信號以數(shù)字信號的方式傳遞給處理器，處理器在將指令傳到電表中，完成一次無線信號的接收過程；電路發(fā)送數(shù)據(jù)流程，處理器將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串行同步接口發(fā)送給射頻收發(fā)電路，射頻收發(fā)電路在將信號調(diào)制成無線電波信號，通過天線匹配電路將信號通過天線發(fā)出，完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送過程。電源電路負責整個系統(tǒng)的供電。存儲電路負責相關抄表數(shù)據(jù)的存儲。如圖2，為本發(fā)明無線抄表裝置結構圖。射頻通信無線抄表裝置安裝于每個終端電表上，負責對終端電表的數(shù)據(jù)進行采集、傳輸，同時能夠接收后臺服務器發(fā)送的抄表指令，執(zhí)行抄表動作。無線抄表裝置由以下幾部分電路組成:電源電路(圖3)、阻抗匹配電路(圖4)、射頻通信電路(圖5)、射頻收發(fā)電路(圖6)、處理器電路(圖7)、存儲電路(圖8)和外圍接口電路(圖9)等。其中電源電路、處理器電路、存儲電路系現(xiàn)有技術，在此不做敘述。
本發(fā)明無線抄表裝置的工作流程如下:數(shù)據(jù)接收過程:系統(tǒng)默認情況下，無線抄表裝置處于接收狀態(tài)；收發(fā)控制器(U3)的芯片Si4432通過管腳8即GPIOl控制射頻收發(fā)開關(UPG2214TB)開關的Vl管腳，當GPIOl為低電平的時候，GP102處于高電平，無線抄表裝置處于接收狀態(tài)。無線電波信號經(jīng)過天線接收，經(jīng)過天線匹配電路LM2、CM2、CM3，再經(jīng)過CC2、CR2濾波電容，在Si4432中完成信號解調(diào)的工作，信號由模擬信號變成數(shù)字信號，通過串行接口 RF_IRQ、RF_SS、RF_SCK、RF_M0S1、RF_MIS0與處理器連接，處理器將接收到的命令數(shù)據(jù)在通過串口 I即處理器管腳30和管腳31發(fā)送給電表，對電表的數(shù)據(jù)進行讀取，將讀取到的電表數(shù)據(jù)通過串口 I發(fā)送給處理器，準備數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送過程:處理器將從電表讀回的數(shù)據(jù)通過串行接口 RF_IRQ、RF_SS、RF_SCK、RF_M0S1、RF_MISO發(fā)送給Si4432，Si4432將要發(fā)送的數(shù)據(jù)調(diào)制成模擬信號同時打開射頻發(fā)送開關，即GP102為低電平，GPIOl為高電平。調(diào)制好的信號通過Si4432的管腳2發(fā)出，經(jīng)過CO、L0、LM,CCl和CM組成的“T”型高通濾波電路和LH、CH、RH組成的濾波匹配電路，再經(jīng)過射頻開關UPG2214TB的0UT2管腳，經(jīng)過CC2高通濾波和LM2、CM2、CM3天線阻抗匹配電路輸出給天線，完成一次數(shù)據(jù)的發(fā)送。需要理解到的是:上述實施例雖然對本發(fā)明作了比較詳細的說明，但是這些說明只是對本發(fā)明的簡單說明，而不是對本發(fā)明的限制，任何不超出本發(fā)明實質(zhì)精神的發(fā)明創(chuàng)造，均落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種基于WIA無線網(wǎng)絡的無線抄表裝置，其特征在于:所述WIA無線網(wǎng)絡采用Mesh網(wǎng)絡結構，WIA網(wǎng)絡中包括多個互相之間進行通信的抄表裝置，所述無線抄表裝置包括: 天線:輸入端與射頻收發(fā)電路進行通信、輸出端與上位機進行無線信號通信； 射頻收發(fā)電路:天線與射頻收發(fā)電路通過天線阻抗匹配電路進行無線信號通信； 射頻收發(fā)開關U4:所述射頻收發(fā)開關通過高低電平控制射頻收發(fā)電路接收、發(fā)送無線信號; 處理器電路U5:核心為STM32F103C8T6芯片，外部為濾波電容和上拉、下拉電阻；輸入端通過接口電路與射頻處理電路通信，輸出端與電表通過串口電路進行通信； 電源電路Ul:為整個裝置供電。
2.按照權利要求1所述的無線抄表裝置，其特征在于:所述射頻收發(fā)電路由收發(fā)控制器U3、射頻濾波電路和高通濾波電容構成。
3.按照權利要求2所述的無線抄表裝置，其特征在于:所述射頻濾波電路和高通濾波電容構成無線信號接收、發(fā)送電路；所述無線信號接收電路由電容CRl CR2、電感LR構成；無線信號發(fā)送電路由電容CC1、CM、CH、CO、電感LM、LH、LO、LC、LR、電阻RDC構成。
4.按照權利要求2所述的無線抄表裝置，其特征在于:所述收發(fā)控制器U3的核心為Si4432 芯片。
5.按照權利要求1所述的無線抄表裝置，其特征在于:所述天線阻抗匹配電路包括電容CM2 CM3、電感LM2緊放組成π型電路，電容CC2與電容CM2緊放；電容CM3出來的導線與天線的連接座的導線長度為3.25暈米,寬度為0.46暈米。
6.按照權利要求1所述基于WIA無線網(wǎng)絡的無線抄表裝置，其特征在于:所述天線內(nèi)置于無線抄表裝置中，天線與無線通信裝置長軟線纜連接；天線輸入阻抗為50 Ω，電壓駐波比小于2.5，電磁波輻射方向為全向，能夠承受最大輸出功率51
7.按照權利要求1所述的無線抄表裝置，其特征在于:所述裝置包括存儲電路U6，存儲電路的輸入端與處理器電路相連；所述存儲電路的核心為Μ25ΡIO-A芯片；R6、R7、R8分別作為數(shù)據(jù)線的上拉電阻，R9作為時鐘線的下拉電阻，C5作為電源和保持管腳的濾波電容。
8.按照權利要求1所述的無線抄表裝置，其特征在于:所述電源電路Ul的輸入電壓為12V，經(jīng)過TVSl保護、Cl濾波后通過LM2594M-5.0輸出5V電壓；輸出的5V電壓經(jīng)過L1、C2、C3濾波，輸出給MP1700T電源芯片后轉換成3.3V信號，為系統(tǒng)供電。
9.按照權利要求1所述的無線抄表裝置，其特征在于:所述接口電路包括JTAG調(diào)試電路、狀態(tài)指不燈電路、與電表通/[目串口電路和復位電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線抄表裝置，具體說是一種基于WIA無線網(wǎng)絡的無線抄表裝置。本發(fā)明的WIA無線網(wǎng)絡采用Mesh網(wǎng)絡結構，WIA網(wǎng)絡中包括多個互相之間進行通信的抄表裝置，天線與上位機進行無線信號通信；天線與射頻收發(fā)電路進行通信；天線與射頻收發(fā)電路通過天線阻抗匹配電路進行信號通信；射頻收發(fā)開關通過高低電平控制射頻收發(fā)電路接收、發(fā)送無線信號；處理器電路外部為濾波電容和上拉、下拉電阻；輸入端通過射頻通信電路和處理器電路通信，輸出端與電表通過串口電路進行通信。本發(fā)明的射頻通信裝置，通過串行接口與電表進行數(shù)據(jù)通信，再以無線的方式通過外置天線將數(shù)據(jù)發(fā)出；多點監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)采集時間短、采集成功率99％以上、通信距離大幅提高的特點。
文檔編號G08C17/02GK103150877SQ201110402268
公開日2013年6月12日 申請日期2011年12月7日 優(yōu)先權日2011年12月7日
發(fā)明者王忠鋒, 于海斌, 顧洪群, 王英男, 黃劍龍, 張宏宇, 李力剛, 朱珍 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所, 遼寧省電力有限公司沈陽供電公司