基于433頻段無線傳輸?shù)脑囼炑芯?/h1>
2017-06-12 19:32:32王丹紅史智興孫劍鋒
現(xiàn)代電子技術(shù) 2017年11期
王丹紅++史智興++孫劍鋒
摘 要： 針對實際生產(chǎn)環(huán)境中對無線傳輸質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素，結(jié)合固態(tài)釀醋控制系統(tǒng)對433 MHz的無線傳輸模塊進行試驗研究。針對機械設(shè)備中存在的電磁波干擾、不同材質(zhì)障礙物對無線信號的衰減損耗、不同房間不同樓層間傳輸?shù)奶匦约疤囟ōh(huán)境下不同傳輸距離的誤碼率進行試驗，重點衡量誤碼率、傳輸損耗、信號強度、傳輸距離等指標，試驗結(jié)果可以為無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞： 無線傳輸； 固態(tài)釀醋； 電磁干擾； 衰減損耗
中圖分類號： TN925?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）11?0010?04
Experimental study on wireless transmission based on 433 frequency band
WANG Danhong， SHI Zhixing， SUN Jianfeng
（Institute of Information Science and Technology， Hebei Agricultural University， Baoding 071000， China）
Abstract： In view of the factors affecting on the wireless transmission quality in actual production environment， the solid?state vinegar brewing control system is combined to perform the experimental study for the wireless transmission module working at 433 MHz. The experiments of electromagnetic wave interference and obstacle with different materials existing in mechanical equipment influencing on the attenuation loss of wireless signal， transmission characteristics among different rooms and different floors， and bit error rate of different transmission distance in specific environment were carried on. The bit error rate， transmission loss， signal intensity， transmission distance and other indicators are measured emphatically. The experimental results can provide the reference for the design of wireless transmission system.
Keywords： wireless transmission； solid?state vinegar brewing； electromagnetic interference； attenuation loss
0 引 言
隨著勞動力成本的日益增加和無線技術(shù)的提高，無線通信技術(shù)越來越多地應(yīng)用于工、農(nóng)、漁、副、林[1]。在實際應(yīng)用中遠程監(jiān)測的應(yīng)用一般是控制器結(jié)合傳感器的檢測和控制技術(shù)通過無線模塊的傳輸來實現(xiàn)，在實際應(yīng)用中如何在復(fù)雜環(huán)境中實現(xiàn)可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸成為研究重點。
國內(nèi)外也進行了影響無線傳輸質(zhì)量的相關(guān)研究，如文獻[2]在蘭花大棚中測試了花卉對433 MHz載波頻率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的影響；文獻[3]測試了信號在傳輸過程中棕櫚樹對不同頻段信號的影響；文獻[4]主要研究了自由空間損耗與地板損耗；文獻[5]提出了樓層間隔、拐角個數(shù)窗戶比例對傳輸?shù)膿p耗，但是目前對影響無線傳輸性能的研究主要集中在自然環(huán)境下對特定的農(nóng)作物、地板、簡易樓層[6]。這些研究存在測試試驗障礙物單一，試驗環(huán)境固定等不足，不能適用于實際工業(yè)生產(chǎn)中無線傳輸?shù)沫h(huán)境。本文結(jié)合固態(tài)釀醋生產(chǎn)的實際環(huán)境做了實際應(yīng)用中無線傳輸影響因素的綜合研究，為無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。
1 硬件環(huán)境的搭建
本文結(jié)合某醬菜廠封閉式固態(tài)發(fā)酵釀醋設(shè)備改造課題，設(shè)計了一套基于433 MHz頻道的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)上位機對多套設(shè)備控制參數(shù)的實時遠程檢測和信息管理。
總體設(shè)計實現(xiàn)方案如下：以STC89C52單片機為核心，結(jié)合ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)化芯片、三極管8050驅(qū)動繼電器、7929鍵盤、蜂鳴器等搭建成下位機的控制及采集系統(tǒng)，采用SRWF?501無線模塊搭建無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。
2 無線傳輸模塊設(shè)計
系統(tǒng)采用基于射頻IC CC1020的無線芯片SRWF?501進行上下位機的信息傳輸。封閉制醋工藝過程可分為五個階段，每個階段檢測控制內(nèi)容不同，因此每個階段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小不同，最少為2個字節(jié)最多為6個字節(jié)，為此便于通信管理，規(guī)定在數(shù)據(jù)傳輸過程中統(tǒng)一設(shè)定傳輸10個字節(jié)，內(nèi)容不夠統(tǒng)一補0。為了解決部分試驗場地無法提供直流電源，采用PL2303HX實現(xiàn)SRWF?501與PC機的USB連接并實現(xiàn)PC機為無線模塊供電。
3 通信性能檢測及問題解決
根據(jù)在工廠實際環(huán)境的調(diào)查，針對無線信號在實際傳輸中會對傳輸質(zhì)量產(chǎn)生影響的幾個因素分別進行試驗研究。在試驗中傳輸性能的指標采用信號強度、誤碼率、丟包率相結(jié)合的方法。信號在傳輸時由于外界干擾和氣溫變化一天之內(nèi)的信號強度也會存在變化，由搭建于信息院樓下的試驗無線模塊可以發(fā)現(xiàn)信號強度從早晨8：00—9：00，11：00—13：00，16：00—18：30這段時間會因為外界干擾因素增多信號傳輸質(zhì)量受到較大影響。為了更好地讓檢測結(jié)果貼近于實際情況，試驗時間多選于外界干擾較多的時間段。
3.1 傳輸距離測試
試驗場地一以學(xué)校操場空曠地作為數(shù)據(jù)收發(fā)地，試驗場地二以試驗樓4樓及樓下場地分別作為數(shù)據(jù)發(fā)送地和接收地，測試在滿足試驗數(shù)據(jù)正確率的要求下最大的傳輸距離。
由于樓上到樓外的傳輸損耗遠遠大于空曠地，為了觀察信號強度的變化，首先將發(fā)送端固定于416，將接收端由樓下逐漸向外移動到200 m處的信號變化如圖1所示。根據(jù)信號強度的變化選取特定距離測試衡量傳輸質(zhì)量的另一標準——誤碼率。檢測結(jié)果見表1。
圖1 樓內(nèi)外信號強度變化
表1 檢測結(jié)果
[場地 測試距離 /m 誤碼率 測試時間 /h 操場 200 10-4 24 信息院4樓 500 10-3 24 50 10-2 24 100 24 ]
由實驗結(jié)果可知，在空曠地500 m內(nèi)，樓內(nèi)外傳輸距離在100 m內(nèi)傳輸質(zhì)量可以滿足工業(yè)需求，樓內(nèi)外傳輸時傳輸質(zhì)量下降較快。
3.2 電磁波對433 MHz通信質(zhì)量的影響
無線傳輸模塊在生產(chǎn)現(xiàn)場通常被放置于工廠設(shè)備或計算機附近，強電和弱電混雜電磁干擾比較大，為了檢測可能存在的電磁干擾對無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，進行了三種試驗：試驗（a）是把無線模塊放置于8 m寬15 m長，內(nèi)有30臺計算機同時工作的教學(xué)機房；試驗（b）查看發(fā)送模塊通電瞬間的數(shù)據(jù)變化；試驗（c）把收發(fā)模塊分別放置于機房內(nèi)和機房外走廊，變化接收方位置，查看不同距離下電磁干擾的的通信影響。實驗結(jié)果如圖2所示。
圖2 電磁干擾實驗結(jié)果
從圖2（a）可見，30臺計算機正常工作或部分開關(guān)操作對無線信號傳輸質(zhì)量沒有影響。圖2（b）顯示將無線模塊設(shè)置完成后發(fā)送模塊接入電源瞬間會有大量亂碼出現(xiàn)，但很快恢復(fù)正常。圖2（c）顯示隨著通信距離增加，傳輸信號強度減小，外界干擾的影響增大。
3.3 不同障礙物對433 MHz無線傳播的影響
參考實際在工廠應(yīng)用時會遇到的障礙物：墻體，木門，樓房，鐵質(zhì)設(shè)備，以接收到的信號丟包率和信號強度作為檢測標準。在不同通信距離下對檢測目標進行試驗，并通過Matlab對試驗數(shù)據(jù)進行圖像生成，得到不同障礙物對433 MHz傳輸?shù)挠绊?。在試驗過程中主要選取操場和試驗樓為試驗場地，選擇磚墻，木門，樓房，鐵質(zhì)設(shè)備為試驗障礙物。
將無線發(fā)射模塊固定在與木門、墻體、鐵質(zhì)設(shè)備，房屋等障礙物距離1 m處，發(fā)射功率為10 dBm，測試1 h內(nèi)在不同通信距離下接收信號的強度， 分析不同障礙物對433 MHz無線信號的傳輸影響[7]。試驗結(jié)果如圖3所示。
圖3 不同障礙物的傳輸特性
試驗結(jié)果表明：無線信號在隨著傳輸距離加大的過程中，信號強度總體呈下降趨勢，木門、鐵質(zhì)設(shè)備在100 m范圍內(nèi)仍可以接收到信號，墻體對無線信號傳輸質(zhì)量影響最大50 m處已經(jīng)下降到-80 dBm，并可以發(fā)現(xiàn)隨著障礙物厚度的增加衰減加大，每增加一堵墻體相當于在空曠地增加30 m的傳輸距離。
3.4 樓內(nèi)樓間433 MHz的無線傳輸模型
工廠中的監(jiān)測機一般安放于室內(nèi)，屋外向屋內(nèi)傳輸時，同樣大小的窗戶下房間越大屋內(nèi)衰減越快；發(fā)射天線靠近墻面或者地面時也會造成一定的信號衰減，房屋內(nèi)外的信號傳播主要依靠窗戶的繞射進入[7]。由不同障礙物對無線傳輸衰減性的影響可知墻體對無線傳輸造成的衰減最大，并且工業(yè)中會存在樓內(nèi)各房間進行相互無線傳輸?shù)那闆r，結(jié)合實際情況在樓內(nèi)樓間進行無線傳輸試驗研究。
同一樓層內(nèi)傳輸性能研究分別采用1 m和1.5 m不同的天線高度，在不同傳輸距離下分別安置信號發(fā)送、接收端，觀測信號傳輸質(zhì)量變化。同時在發(fā)送端從1臺到10臺筆記本電腦開關(guān)對信號傳輸進行電磁干擾，信號損耗變化見表2，圖4。
表2 信號損耗 dB
[天線
高度 /m 同樓層內(nèi)距離 /m 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 53.74 59.33 64.92 66.47 68.61 72.15 75.11 80.32 87.67 1.5 56.36 59.12 64.87 65.72 69.21 71.84 76.36 79.94 86.96 ]
整個測試過程發(fā)現(xiàn)信號在樓內(nèi)傳輸時信號多由門窗進入走廊內(nèi)傳輸，信號損耗變化較小，同樓層內(nèi)50 m內(nèi)電磁干擾對信號傳輸基本沒有干擾影響。
不同樓層間的無線傳輸模型對433 MHz信號在樓內(nèi)跨層傳輸性能進行檢測，特在信息院同一位置的不同樓層安放無線傳輸模塊分別設(shè)置作為收發(fā)端。測得信號的強度變化如圖5所示。
圖4 兩種天線高度下傳輸損耗
圖5 樓間信號強度
根據(jù)信號的傳輸信號強度及誤碼率分析可以發(fā)現(xiàn)，在樓內(nèi)短距離10 m之內(nèi)上傳輸與下傳輸信號強度變化不大，信號強度在可接受范圍之內(nèi)，但樓內(nèi)上下傳輸距離超過10 m之后上傳輸性能不如下傳輸，信號強度衰減嚴重，信號強度變化大，外來干擾增大、傳輸質(zhì)量下降。
4 試驗分析及總結(jié)
試驗結(jié)果表明，在室外空曠地域傳輸距離500 m之內(nèi)性能誤碼率完全可以滿足工業(yè)需求。在滿是電子設(shè)備的同一試驗室內(nèi)部傳輸20 m之內(nèi)誤碼率非常低，電磁干擾影響不大，突然增加開啟中的電子設(shè)備對傳輸基本無影響，但在信號強度下降時影響較大，傳輸中會由于外界的各種電磁干擾出現(xiàn)亂碼。在測試中跨越不同障礙物時衰減不同，墻體影響最大，大量跨墻體進行傳輸時傳輸質(zhì)量會明顯下降，甚至出現(xiàn)收發(fā)碼數(shù)不一致的情況，間隔頻率隨傳輸時間增大，每次持續(xù)約1 s，墻體的損耗對傳輸影響非常大?，F(xiàn)代水泥建筑樓中無線信號的傳輸主要通過門窗進行傳輸，樓道內(nèi)信號傳輸主要依靠走廊，樓內(nèi)信號的上傳質(zhì)量優(yōu)于下行質(zhì)量，同樣的設(shè)置條件下天線高度越高傳輸質(zhì)量越好。無線信號在傳輸時，傳輸質(zhì)量晚上優(yōu)于白天，由白天試驗數(shù)據(jù)可知，早晨8：00—9：00，11：00—13：00，16：00—18：30這幾段時間會因為外界干擾因素增多信號傳輸質(zhì)量受到較大影響。
對于增強信號傳輸質(zhì)量的措施如下：
（1） 硬件方面：電源采用壓器隔離、低通濾波等抗干擾技術(shù)，注意對元器件的接地和覆銅。采用可拆卸的AP天線并根據(jù)實際需要選取高增益。無線工作站一般分布于幾個不同的房間中，需要跨越大量墻體進行傳輸時將無線天線置于室外或窗口遠離地面處盡可能減少墻體、障礙物的阻擋，總接收端盡可能可以覆蓋多個工坊。
（2） 通信協(xié)議方面的改進：正常情況下采用單片機自帶多機通信功能，通信的協(xié)調(diào)完全由上位機控制，在傳統(tǒng)的釀制產(chǎn)業(yè)中一般對各種參數(shù)的要求不是特別精確，根據(jù)與保定槐茂醬菜廠的實際聯(lián)系，確定每10 min向總控室傳輸一次信息。主機每隔10 min依次呼叫輪詢各個下位機，被叫到的下位機上傳信息。按照上位機同時管理10 套設(shè)備（10個下位機）分析，每下位機每次傳輸?shù)膬?nèi)容為10個字節(jié)，加上呼叫的時間，每下位機占用20 ms，10個下位機共需0.2 s。表明系統(tǒng)有很強的容錯機制。根據(jù)協(xié)議， 上位機對下位機采用帶地址碼的數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)，全部都接收，并將接收到的數(shù)據(jù)幀格式與規(guī)定格式相比較，一致則對數(shù)據(jù)保存、處理，否則丟棄這幀報文，再次向被丟棄信息的下位機發(fā)起呼叫直至信息符合要求[7]，并限制主站對接收信息的來源地址進行比較，非從站地址拒絕接收減少亂碼。
參考文獻
[1] 王剛.對工業(yè)自動化系統(tǒng)中遠程集中控制管理的研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（30）：111.
[2] 李小敏，臧英，羅錫文，等.蘭花大棚內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)433 MHz信道傳播特性試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013（13）：182?189.
[3] RIZMAN Z I， JUSOFF K， RAIS S S， et al. Microwave signal propagation on oil palm trees： measurements and analysis [J]. International journal on smart sensing and intelligent systems， 2011， 4（3）： 388?401.
[4] KEENAN J M， MOTLEY A J. Radio coverage in buildings [J]. British telecom technology， 1990， 8（1）： 19?24.
[5] TURKMANI A M D， DE TOLEDO A F. Modelling of radio transmissions into and with in multistory buildings at 900， 1800 and 2300 MHz [J]. IEE proceedings I： communications， speech and vision， 1993， 140（6）： 462? 470.
[6] 曹惠茹，苑俊英，郭中華，等.障礙物對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道影響試驗[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2014（8）：1108?1111.
[7] 袁玉湘，李國林，張春，等.433 MHz/900 MHz樓內(nèi)樓間無線信道模型[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，45（1）：44?47.
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關(guān)鍵詞： 無線傳輸； 固態(tài)釀醋； 電磁干擾； 衰減損耗
中圖分類號： TN925?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）11?0010?04
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WANG Danhong， SHI Zhixing， SUN Jianfeng
（Institute of Information Science and Technology， Hebei Agricultural University， Baoding 071000， China）
Abstract： In view of the factors affecting on the wireless transmission quality in actual production environment， the solid?state vinegar brewing control system is combined to perform the experimental study for the wireless transmission module working at 433 MHz. The experiments of electromagnetic wave interference and obstacle with different materials existing in mechanical equipment influencing on the attenuation loss of wireless signal， transmission characteristics among different rooms and different floors， and bit error rate of different transmission distance in specific environment were carried on. The bit error rate， transmission loss， signal intensity， transmission distance and other indicators are measured emphatically. The experimental results can provide the reference for the design of wireless transmission system.
Keywords： wireless transmission； solid?state vinegar brewing； electromagnetic interference； attenuation loss
0 引 言
隨著勞動力成本的日益增加和無線技術(shù)的提高，無線通信技術(shù)越來越多地應(yīng)用于工、農(nóng)、漁、副、林[1]。在實際應(yīng)用中遠程監(jiān)測的應(yīng)用一般是控制器結(jié)合傳感器的檢測和控制技術(shù)通過無線模塊的傳輸來實現(xiàn)，在實際應(yīng)用中如何在復(fù)雜環(huán)境中實現(xiàn)可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸成為研究重點。
國內(nèi)外也進行了影響無線傳輸質(zhì)量的相關(guān)研究，如文獻[2]在蘭花大棚中測試了花卉對433 MHz載波頻率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的影響；文獻[3]測試了信號在傳輸過程中棕櫚樹對不同頻段信號的影響；文獻[4]主要研究了自由空間損耗與地板損耗；文獻[5]提出了樓層間隔、拐角個數(shù)窗戶比例對傳輸?shù)膿p耗，但是目前對影響無線傳輸性能的研究主要集中在自然環(huán)境下對特定的農(nóng)作物、地板、簡易樓層[6]。這些研究存在測試試驗障礙物單一，試驗環(huán)境固定等不足，不能適用于實際工業(yè)生產(chǎn)中無線傳輸?shù)沫h(huán)境。本文結(jié)合固態(tài)釀醋生產(chǎn)的實際環(huán)境做了實際應(yīng)用中無線傳輸影響因素的綜合研究，為無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。
1 硬件環(huán)境的搭建
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總體設(shè)計實現(xiàn)方案如下：以STC89C52單片機為核心，結(jié)合ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)化芯片、三極管8050驅(qū)動繼電器、7929鍵盤、蜂鳴器等搭建成下位機的控制及采集系統(tǒng)，采用SRWF?501無線模塊搭建無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。
2 無線傳輸模塊設(shè)計
系統(tǒng)采用基于射頻IC CC1020的無線芯片SRWF?501進行上下位機的信息傳輸。封閉制醋工藝過程可分為五個階段，每個階段檢測控制內(nèi)容不同，因此每個階段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小不同，最少為2個字節(jié)最多為6個字節(jié)，為此便于通信管理，規(guī)定在數(shù)據(jù)傳輸過程中統(tǒng)一設(shè)定傳輸10個字節(jié)，內(nèi)容不夠統(tǒng)一補0。為了解決部分試驗場地無法提供直流電源，采用PL2303HX實現(xiàn)SRWF?501與PC機的USB連接并實現(xiàn)PC機為無線模塊供電。
3 通信性能檢測及問題解決
根據(jù)在工廠實際環(huán)境的調(diào)查，針對無線信號在實際傳輸中會對傳輸質(zhì)量產(chǎn)生影響的幾個因素分別進行試驗研究。在試驗中傳輸性能的指標采用信號強度、誤碼率、丟包率相結(jié)合的方法。信號在傳輸時由于外界干擾和氣溫變化一天之內(nèi)的信號強度也會存在變化，由搭建于信息院樓下的試驗無線模塊可以發(fā)現(xiàn)信號強度從早晨8：00—9：00，11：00—13：00，16：00—18：30這段時間會因為外界干擾因素增多信號傳輸質(zhì)量受到較大影響。為了更好地讓檢測結(jié)果貼近于實際情況，試驗時間多選于外界干擾較多的時間段。
3.1 傳輸距離測試
試驗場地一以學(xué)校操場空曠地作為數(shù)據(jù)收發(fā)地，試驗場地二以試驗樓4樓及樓下場地分別作為數(shù)據(jù)發(fā)送地和接收地，測試在滿足試驗數(shù)據(jù)正確率的要求下最大的傳輸距離。
由于樓上到樓外的傳輸損耗遠遠大于空曠地，為了觀察信號強度的變化，首先將發(fā)送端固定于416，將接收端由樓下逐漸向外移動到200 m處的信號變化如圖1所示。根據(jù)信號強度的變化選取特定距離測試衡量傳輸質(zhì)量的另一標準——誤碼率。檢測結(jié)果見表1。
圖1 樓內(nèi)外信號強度變化
表1 檢測結(jié)果
[場地 測試距離 /m 誤碼率 測試時間 /h 操場 200 10-4 24 信息院4樓 500 10-3 24 50 10-2 24 100 24 ]
由實驗結(jié)果可知，在空曠地500 m內(nèi)，樓內(nèi)外傳輸距離在100 m內(nèi)傳輸質(zhì)量可以滿足工業(yè)需求，樓內(nèi)外傳輸時傳輸質(zhì)量下降較快。
3.2 電磁波對433 MHz通信質(zhì)量的影響
無線傳輸模塊在生產(chǎn)現(xiàn)場通常被放置于工廠設(shè)備或計算機附近，強電和弱電混雜電磁干擾比較大，為了檢測可能存在的電磁干擾對無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，進行了三種試驗：試驗（a）是把無線模塊放置于8 m寬15 m長，內(nèi)有30臺計算機同時工作的教學(xué)機房；試驗（b）查看發(fā)送模塊通電瞬間的數(shù)據(jù)變化；試驗（c）把收發(fā)模塊分別放置于機房內(nèi)和機房外走廊，變化接收方位置，查看不同距離下電磁干擾的的通信影響。實驗結(jié)果如圖2所示。
圖2 電磁干擾實驗結(jié)果
從圖2（a）可見，30臺計算機正常工作或部分開關(guān)操作對無線信號傳輸質(zhì)量沒有影響。圖2（b）顯示將無線模塊設(shè)置完成后發(fā)送模塊接入電源瞬間會有大量亂碼出現(xiàn)，但很快恢復(fù)正常。圖2（c）顯示隨著通信距離增加，傳輸信號強度減小，外界干擾的影響增大。
3.3 不同障礙物對433 MHz無線傳播的影響
參考實際在工廠應(yīng)用時會遇到的障礙物：墻體，木門，樓房，鐵質(zhì)設(shè)備，以接收到的信號丟包率和信號強度作為檢測標準。在不同通信距離下對檢測目標進行試驗，并通過Matlab對試驗數(shù)據(jù)進行圖像生成，得到不同障礙物對433 MHz傳輸?shù)挠绊?。在試驗過程中主要選取操場和試驗樓為試驗場地，選擇磚墻，木門，樓房，鐵質(zhì)設(shè)備為試驗障礙物。
將無線發(fā)射模塊固定在與木門、墻體、鐵質(zhì)設(shè)備，房屋等障礙物距離1 m處，發(fā)射功率為10 dBm，測試1 h內(nèi)在不同通信距離下接收信號的強度， 分析不同障礙物對433 MHz無線信號的傳輸影響[7]。試驗結(jié)果如圖3所示。
圖3 不同障礙物的傳輸特性
試驗結(jié)果表明：無線信號在隨著傳輸距離加大的過程中，信號強度總體呈下降趨勢，木門、鐵質(zhì)設(shè)備在100 m范圍內(nèi)仍可以接收到信號，墻體對無線信號傳輸質(zhì)量影響最大50 m處已經(jīng)下降到-80 dBm，并可以發(fā)現(xiàn)隨著障礙物厚度的增加衰減加大，每增加一堵墻體相當于在空曠地增加30 m的傳輸距離。
3.4 樓內(nèi)樓間433 MHz的無線傳輸模型
工廠中的監(jiān)測機一般安放于室內(nèi)，屋外向屋內(nèi)傳輸時，同樣大小的窗戶下房間越大屋內(nèi)衰減越快；發(fā)射天線靠近墻面或者地面時也會造成一定的信號衰減，房屋內(nèi)外的信號傳播主要依靠窗戶的繞射進入[7]。由不同障礙物對無線傳輸衰減性的影響可知墻體對無線傳輸造成的衰減最大，并且工業(yè)中會存在樓內(nèi)各房間進行相互無線傳輸?shù)那闆r，結(jié)合實際情況在樓內(nèi)樓間進行無線傳輸試驗研究。
同一樓層內(nèi)傳輸性能研究分別采用1 m和1.5 m不同的天線高度，在不同傳輸距離下分別安置信號發(fā)送、接收端，觀測信號傳輸質(zhì)量變化。同時在發(fā)送端從1臺到10臺筆記本電腦開關(guān)對信號傳輸進行電磁干擾，信號損耗變化見表2，圖4。
表2 信號損耗 dB
[天線
高度 /m 同樓層內(nèi)距離 /m 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 53.74 59.33 64.92 66.47 68.61 72.15 75.11 80.32 87.67 1.5 56.36 59.12 64.87 65.72 69.21 71.84 76.36 79.94 86.96 ]
整個測試過程發(fā)現(xiàn)信號在樓內(nèi)傳輸時信號多由門窗進入走廊內(nèi)傳輸，信號損耗變化較小，同樓層內(nèi)50 m內(nèi)電磁干擾對信號傳輸基本沒有干擾影響。
不同樓層間的無線傳輸模型對433 MHz信號在樓內(nèi)跨層傳輸性能進行檢測，特在信息院同一位置的不同樓層安放無線傳輸模塊分別設(shè)置作為收發(fā)端。測得信號的強度變化如圖5所示。
圖4 兩種天線高度下傳輸損耗
圖5 樓間信號強度
根據(jù)信號的傳輸信號強度及誤碼率分析可以發(fā)現(xiàn)，在樓內(nèi)短距離10 m之內(nèi)上傳輸與下傳輸信號強度變化不大，信號強度在可接受范圍之內(nèi)，但樓內(nèi)上下傳輸距離超過10 m之后上傳輸性能不如下傳輸，信號強度衰減嚴重，信號強度變化大，外來干擾增大、傳輸質(zhì)量下降。
4 試驗分析及總結(jié)
試驗結(jié)果表明，在室外空曠地域傳輸距離500 m之內(nèi)性能誤碼率完全可以滿足工業(yè)需求。在滿是電子設(shè)備的同一試驗室內(nèi)部傳輸20 m之內(nèi)誤碼率非常低，電磁干擾影響不大，突然增加開啟中的電子設(shè)備對傳輸基本無影響，但在信號強度下降時影響較大，傳輸中會由于外界的各種電磁干擾出現(xiàn)亂碼。在測試中跨越不同障礙物時衰減不同，墻體影響最大，大量跨墻體進行傳輸時傳輸質(zhì)量會明顯下降，甚至出現(xiàn)收發(fā)碼數(shù)不一致的情況，間隔頻率隨傳輸時間增大，每次持續(xù)約1 s，墻體的損耗對傳輸影響非常大?，F(xiàn)代水泥建筑樓中無線信號的傳輸主要通過門窗進行傳輸，樓道內(nèi)信號傳輸主要依靠走廊，樓內(nèi)信號的上傳質(zhì)量優(yōu)于下行質(zhì)量，同樣的設(shè)置條件下天線高度越高傳輸質(zhì)量越好。無線信號在傳輸時，傳輸質(zhì)量晚上優(yōu)于白天，由白天試驗數(shù)據(jù)可知，早晨8：00—9：00，11：00—13：00，16：00—18：30這幾段時間會因為外界干擾因素增多信號傳輸質(zhì)量受到較大影響。
對于增強信號傳輸質(zhì)量的措施如下：
（1） 硬件方面：電源采用壓器隔離、低通濾波等抗干擾技術(shù)，注意對元器件的接地和覆銅。采用可拆卸的AP天線并根據(jù)實際需要選取高增益。無線工作站一般分布于幾個不同的房間中，需要跨越大量墻體進行傳輸時將無線天線置于室外或窗口遠離地面處盡可能減少墻體、障礙物的阻擋，總接收端盡可能可以覆蓋多個工坊。
（2） 通信協(xié)議方面的改進：正常情況下采用單片機自帶多機通信功能，通信的協(xié)調(diào)完全由上位機控制，在傳統(tǒng)的釀制產(chǎn)業(yè)中一般對各種參數(shù)的要求不是特別精確，根據(jù)與保定槐茂醬菜廠的實際聯(lián)系，確定每10 min向總控室傳輸一次信息。主機每隔10 min依次呼叫輪詢各個下位機，被叫到的下位機上傳信息。按照上位機同時管理10 套設(shè)備（10個下位機）分析，每下位機每次傳輸?shù)膬?nèi)容為10個字節(jié)，加上呼叫的時間，每下位機占用20 ms，10個下位機共需0.2 s。表明系統(tǒng)有很強的容錯機制。根據(jù)協(xié)議， 上位機對下位機采用帶地址碼的數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)，全部都接收，并將接收到的數(shù)據(jù)幀格式與規(guī)定格式相比較，一致則對數(shù)據(jù)保存、處理，否則丟棄這幀報文，再次向被丟棄信息的下位機發(fā)起呼叫直至信息符合要求[7]，并限制主站對接收信息的來源地址進行比較，非從站地址拒絕接收減少亂碼。
參考文獻
[1] 王剛.對工業(yè)自動化系統(tǒng)中遠程集中控制管理的研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（30）：111.
[2] 李小敏，臧英，羅錫文，等.蘭花大棚內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)433 MHz信道傳播特性試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013（13）：182?189.
[3] RIZMAN Z I， JUSOFF K， RAIS S S， et al. Microwave signal propagation on oil palm trees： measurements and analysis [J]. International journal on smart sensing and intelligent systems， 2011， 4（3）： 388?401.
[4] KEENAN J M， MOTLEY A J. Radio coverage in buildings [J]. British telecom technology， 1990， 8（1）： 19?24.
[5] TURKMANI A M D， DE TOLEDO A F. Modelling of radio transmissions into and with in multistory buildings at 900， 1800 and 2300 MHz [J]. IEE proceedings I： communications， speech and vision， 1993， 140（6）： 462? 470.
[6] 曹惠茹，苑俊英，郭中華，等.障礙物對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道影響試驗[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2014（8）：1108?1111.
[7] 袁玉湘，李國林，張春，等.433 MHz/900 MHz樓內(nèi)樓間無線信道模型[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，45（1）：44?47.
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