Wireless Sensor Node Based on Infrared Communication in Leaky Cable Detection*

YU Xiaoqiang，YANGHui，2，*，YANG Haima，SONG Leilei，LI Jun，V Zivkovic

(1.School of Optical-Electronical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China; 2.Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System，University of Shanghai for Scienceand Technology，Shanghai200093，China; 3.School of Electrical and Electronic Engineering，University of Adelaide，Adelaide5005，Australia)

Wireless Sensor Node Based on Infrared Communication in Leaky Cable Detection*

YU Xiaoqiang1，YANGHui1，2，3*，YANG Haima1，SONG Leilei1，LI Jun1，V Zivkovic3

(1.School of Optical-Electronical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China; 2.Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System，University of Shanghai for Scienceand Technology，Shanghai200093，China; 3.School of Electrical and Electronic Engineering，University of Adelaide，Adelaide5005，Australia)

In order to reduce themutual interference between communication and leaky cable detection，an infrared communication node is proposed which can combinewith 485 Bus to build communication net.First，based on requirements in the process of radiation field test，PSoC is used as itsmain controller.Using MCU’s analog and digital resources，combining with infrared module and 485 Bus.A communication net is built.Finally，through PC software to its communication quality can be evaluated.Experimental data show thatunder115 200 bit/s communication baud rate Bit Error Rate is less than 1.5%.The standby currentof communication node is below 1μA.These vital characters basicallymeet the requirements of the system，such as stability，reliability，low power consumption and anti－interference ability.

leaky cable;PSoC;485 bus;infrared communication;PC software

漏泄电缆［1－2］是漏泄同轴电缆(Leaky Coaxial Cable)的简称，其结构与普通的同轴电缆基本一致。电磁波在漏缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波;外界的电磁场也可通过槽孔感应到漏缆内部并传送到接收端。由于制作、运输、安装等过程的不稳定因素，导致漏缆辐射特性的不确定性。因此，在使用前将会根据国标GB/T 15875—1995对其辐射特性［3－4］进行检测。目前在国内，信息产业部信息传输线质量监督检验中心根据最新版IEC61196－4标准，自行研发了漏泄电缆耦合损耗自动测试系统。焦作铁路电缆厂建立了国内首家漏泄电缆检测系统。两者采用铁轨及推车等方法进行数据采集，由于漏缆检测长度通常为100 m～150 m，所以检测过程中，两者设备利用率低、铺设繁复、成本高。由于实验检测的是多频段电磁信号，因此传统的无线射频通信影响实验结果。基于此，本文设计了一种超低功耗的基于红外通信［5－7］的无线传感节点。

实验表明，相比传统的通信方案，本文设计的通信节点具有低功耗、稳定、成本低等优势，下面将对基于PSoC的无线传感网络节点设计作详细说明。

1 漏泄电缆检测系统概述

耦合损耗是漏泄电缆区别于普通的通信电缆的一个重要指标，它是表征漏泄电缆与外界环境之间相互耦合强度的特征参数。

在IEC61196－4和GB/T17737.4标准中，电缆长度至少要10倍于测量频率下的波长，同时为确保测量有效，必须要有足够的位置分辨率标准规定，在95%接收概率时，每半波长要进行10次测量来计算耦合损耗。因此耦合损耗的测量依靠人工是不可能实现的，必须借助计算机和自动测量系统［8］。

图1中，漏缆检测系统由工程测试车、EMI检测仪、信号源、车载PC、红外通信链路及远程控制中心组成。其中，车载PC及远程控制中心都是基于LabVIEW［9］的上位机界面。在检测软件的控制下，远程控制中心将命令发送至红外网络，经车载红外节点传送至车载PC。命令分解后传送至主控器及EMI测试仪。主控器将测得传感器数据数上传给车载PC，经过红外通信网络传回控制中心。系统对通信链路有以下要求:

(1)反复利用率高，成本低，铺设方便;

(2)单个通信节点待机电流小于1μA;

(3)传输速率不低于115 200 bit/s，通信误码率小于2%;

(4)对漏泄电缆辐射电磁信号没有干扰。

图1 检测系统总体结构

2 红外无线传感通信网络设计

由于要实现检测系统远程可监控，加上通信链路铺设便捷、利用率高等要求，所以在实验场地必须采用无线通信。且对实验检测的电磁信号没有干扰，鉴于实验检测频率为150 MHz～2.4 GHz，设计基于红外波段的无线通信网络。

2.1 红外通信原理

红外通信是利用红外光进行通信的一种空间通信方式。将所需传输的数据编码后，通过控制红外发光管闪烁完成电/光转换，再利用红外光接收器接收红外光，输出电信号，完成光/电转换。为了提高数据的可靠性，通常对传输数据进行编码，采用Ir－DA协议大大降低了误码率。IrDR1.1协议器件物理层框图如图2所示。

图2 IrDR1.1物理层框图

IrDA 1.1标准，即高速红外，简称为FIR。与慢速红速SIR相比，由于FIR不再依托UART，其最高通讯速率可达到4 Mbit/s，在物理层之上的IrLAP (Link Access Protocol)［10］层要求所有的红外连接以9.6 kbit/s的速率(3/16调制)建立起始连接，这样也保证了4 Mbit/s的设备可以与仅支持9.6 kbit/s的低速设备相通信，即保证向后可兼容。

2.2 红外通信节点的硬件设计

首先，漏泄电缆检测系统数据通信要求最大速率为115 200 bit/s，且通信节点具备低功耗功能，待机电流小于1μA且支持红外通信，鉴于此节点处理器选择Cypress公司生产的PSoC4200系列单片机CY8C4245AXI。片上可编程系统内置放大器、滤波器等模拟资源，且有12 bit AD转换器、SPI、RS232等数字资源，大大提高了开发进度并且降低成本。44脚芯片提供两个RS232接口，同时支持IrDA协议。在本设计中，一个用来作为红外通信口，一个作为485联网通信口。超低功耗［11－12］待机电流50nA，且快速唤醒时间小于5μs。其次，红外收发器件采用Vishay生产的低功耗FIR器件TFDU6103，最高传输速率达到4Mbit/s。内置红外调制与解调电路，相比较而言传统的光电对管需要相应的调制解调电路，并且不能支持高速率的连续数据发送，在本设计中采用一体式的红外通信模块，与PSoC4串口连接，提供工作使能端口。通信节点硬件连接如图3所示，其中P0_3口连接TFDU工作使能端口，P0_4、P0_5端口为UART1串行通信口，连接模块的数据发送与接收端。

2.3 红外通信网络设计

经实验测试，本文设计的红外节点在波特率115 200 bit/s下，可靠传输距离达到1.5m，发散角30°。利用PSoC4的UART0通信口，通过MAX485通信芯片将节点连接到485总线，各节点相距2 m，赋予特定节点地址，组成通信网络。网络连接图如图4所示。

图3红外节点硬件连接图

图4 中，PSoC4与RS485及TFDU连接后构成红外通信节点，在485总线上具有唯一可识别地址，将众节点485_A、485_B并行连接到总线上实现通信。

通信网络工作分为两个过程:上位机向下位机发送命令与下位机向上位机上传数据。

图4 红外通信网络连接硬件图

工作流程分别为:

(1)上位机至下位机

上位机给红外网络中特定红外节点发送数据，网络中的红外节点对比数据中的地址与本身地址，如果相同则接收数据。

(2)下位机至上位机

某通信节点请求数据通信，上位机将接收到的地址与地址列表相比较，符合后接收数据。

3 检测系统软件设计

3.1 红外通信网络软件设计

为满足低功耗要求，不处于通信区的红外节点进入睡眠状态，由系统快速唤醒传输数据。通信数据分为控制命令与测试数据，控制命令由远程控制中心发出经由红外网络最后由主控器完成控制命令。

节点工作流程如图5所示。车载PC将主控器采集到的数据打包通过车载红外上传至红外网络。上传数据包括行驶里程、当前位移、蓄电池剩余电量、航线偏移状态、当前速度及EMI测试仪测得的电磁信号功率数据。测试数据格式如表1所示。

图5 红外节点工作流程

表1 红外上传数据表

3.2 上位机软件设计

远程控制中心是基于LabVIEW的人机界面，通过红外网络与测试端连接。运界面主要分为任务管理区、参数配置区、图形绘制区、工程车控制区及状态显示区。软件接收测试数据，并实时绘制功率谱及显示工作状态。测试任务结束后保存数据并可生成通用报表文件。

4 实验结果及分析

实验采用漏泄电缆为宽频带异型槽漏泄同轴电缆SLYWY－50－32，辐射电磁信号中心频率150 MHz，功率0 dBm。

(1)红外通信测试

测试两个红外节点，在发散角30°内，处于不同的距离传输10 000个8 bit二进制数据，在漏泄电缆测试环境，不同工作时长的情况下重复100次不同定长数据传输，测试结果取平均后，误码率数据如图6所示。

图6 不同通信距离下的误码率

由图可见，多次通信实验所得数据稳定，在红外节点在通信距离小于1.5 m的情况下误码率小于1.5%，理论通信距离为3.5 m，实测通信距离在3 m时误码率已经达到95%，综合系统要求及通信误码率，系统采用1.5 m通信距离。系统采用的增量式编码器保证百米测距误差小于1%，上位机控制检测平台运行，完全能够保证车载红外与陆地红外节点通信角度在30°内，满足系统对数据传输安全性的要求。

(2)漏缆自动检测上位机通信测试

综合通信距离及误码率，红外节点网络铺设在相距导航线1.5 m处。

上位机接收数据绘制功率谱图如图7所示。由数据可见，中心频率150 MHz，EMI测试仪测得的功率为－50 dBm。上位机根据接收的数据显示波形，经运算辨识出功率频段等信息，能稳定可靠的完成漏泄电缆检测任务。

图7 上位机接收EMI测试数据

通过实验实施证明，由于本通信节点具有体积小、纽扣电池供电、稳定等优点，相比于传统通信方式，具有对实验无干扰、铺设简单、反复利用率高及节能等优点。

5 结论

本文设计的漏缆检测系统通信方案是基于红外波段的数据传输，对于电磁信号检测没有干扰，确保实验数据的可靠性。相比于较传统检测系统，实现了远程可监控，提高了设备利用率，降低了成本。实验数据表明，红外通信网络能满足系统的安全、高效、低功耗及高稳定性等技术要求，在漏泄电缆检测领域有很好的应用前景。

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于小强(1990－)，男，硕士研究生，研究领域为光电精密测试技术，anhuiyuxiaoqiang@126.com;

杨晖(1981－)，男，副教授，研究领域为光电精密测试技术，yanghui313@ 126.com。

基于红外通信的无线传感节点在漏缆检测中的应用*

于小强1，杨晖1，2，3*，杨海马1，宋磊磊1，李军1，V Zivkovic3

(1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093;2.上海理工大学/上海市现代光学重点实验室，上海200093; 3.阿德雷德大学电气与电子工程学院，澳大利亚阿德雷德5005)

为了解决漏泄电缆检测过程中射频通信对实验有干扰的问题，设计了一种基于红外的通信节点。首先，根据漏泄电缆辐射场检测需求，采用可编程片上系统作为处理器，利用其内置的模拟及数字资源配合TFDU红外通信芯片构成通信节点，加入485总线构成通信网络，缩小体积，降低成本，提高可靠性。然后，详细介绍了红外通信方案及其实现方法。最后，结合漏泄电缆检测上位机软件对通信网络进行评测。实验数据表明，磁区通信性能良好。目前已运用于上海电缆研究所漏泄电缆自动检测系统。

漏泄电缆;可编程偏上系统;485总线;红外通信;上位机软件

TN925.98;TP212

A

1004－1699(2014)01－0149－04

2013－11－04修改日期:2013－12－29

C:7210B

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.01.027

项目来源:国家自然科学基金项目(61007002，61302181);上海市教委重点学科项目(J50505);研究生教育创新项目