3G网络无线热量抄表系统的设计

曹 广 赵建平 刘中强 龙 永

(曲阜师范大学物理工程学院,山东 曲阜 273165)

3G网络无线热量抄表系统的设计

曹 广 赵建平 刘中强 龙 永

(曲阜师范大学物理工程学院,山东 曲阜 273165)

为了实现热量抄表系统中数据采集和发送的无线传输，设计了一款基于3G网络的新型无线热量抄表系统。该设计以3G网作为支撑网络，结合Si4432模块，不仅实现了抄表系统的完全无线化，而且解决了当前无线热量抄表系统中无线模块传输距离短、穿透能力差等问题。给出了Si4432模块传输系统和3G网络传输系统的传输原理和电路设计原理图。通过实际测试表明，数据能及时、准确地发送和接收，整个系统具有功耗低、通信距离远、通信误码率低和穿墙能力强等优点。

Si4432 3G网络 无线热量抄表系统 数据采集 低功耗

0 引言

目前，热量表的抄表方式主要有人工抄表、RS- 485总线抄表、无线射频抄表等。而现在很多小区采用的ZigBee[1]组网的无线抄表系统的效果也不太理想，系统存在传输距离短、穿透能力差等问题，加之民用建筑的墙壁使得信号严重衰减，导致数据不能及时、准确的传输[2]。

随着科技的进步，无线代替有线是必然趋势。但

目前无线推广存在瓶颈，即传输距离近，一旦遇到墙的阻挡，通信距离就大大缩短。基于3G网络的无线热量抄表系统，以3G网为支撑网络，结合Si4432[3]无线模块，实现了热量表数据的采集和无线传输。该设计避免了人工抄表的繁琐，具有无需布线、功耗低、传输距离远、穿透能力强等优点。

1 系统的整体设计

系统的总体设计架构如图1所示。

图1 总体设计架构Fig.1 Architecture of overall design

本系统的设计以MSP430F149作为微处理器，以Si4432无线模块、3G网络作为无线传输系统的组成部分，适合中长距离的数据采集和无线传输。整个系统可分为3层：数据采集层、中继层和管理层。数据采集层位于每个用户的住宅内，主要包括热量表和Si4432模块。中继层(集中器)位于楼宇的公共位置，主要由Si4432模块、MSP430F149和3G模块组成。热量表和集中器之间通过Si4432模块进行通信，集中器和总控制中心通过3G网络进行通信。

2 无线传输系统设计

2.1 Si4432模块传输系统

Si4432提供了先进的无线传输功能[4]，频率选择范围为240～930 MHz。+20 dBm的输出功率和-118 dBm的接收灵敏度保证了传输范围和穿透能力。Si4432以64 B为单位交替传输和接收数据包，接收路径使用一个单转换结构镜像抑制混频2-level FSK/GFSK/OOK调制接收信号到一个中低频率。该芯片的13～16引脚是标准的SPI接口。引脚SDN决定Si4432的工作状态。当SDN=1时，芯片处于掉电模式;当SDN=0时，芯片处于常规工作模式。引脚SCLK用于同步Si4432和MSP430F149之间的串行数据传输。SDO和SDI用于MSP430F149和Si4432之间的数据传输。nSEL为片选信号，只有当片选信号为低电平时，MSP430F149对Si4432的操作才有效。Si4432模块的硬件结构如图2所示。

图2 Si4432硬件结构图Fig.2 Hardware structure of Si4432

在开阔地带,Si4432的传输距离可达1 000～2 000 m，但在室内环境下信号的传播特性就会发生明显变化，导致传输距离减小。路径损耗[5]是一个必须考虑的因素。路径损耗的一个简单模型为：

式中：β为与频率、天线高度及其他因素有关的损耗；r0为参考距离；r为接收机与发射机之间的距离；n为路径损耗指数；P为分割接收机和发射机的墙壁数目；Q为楼板的数目；FAF(q)为楼板的衰减系数；WAF(p)为墙体的衰减系数。

在发射功率为20dBm、接收灵敏度为-118dBm、频率为930MHz的情况下，发射机穿过10m的房间、水泥墙和50m的开放区域仍能使链路闭合。链路预算如表1所示。通过理论计算和实际测量，当信号穿过5层混凝土墙或者5层高的建筑物时，Si4432芯片仍能接收到信号[6]。根据数据的传输距离，适当调节发送功率和接收灵敏度，可最大限度地减少系统的功耗。另外Si4432模块成功运用了天线分集技术，提高了系统的链路预算。20dBm的功率放大器弥补了由于PCB板面积小和天线性能差带来的局限性，而其他的方案需要使用昂贵的外部功率放大器来增加功率。

表1 链路预算Tab.1 Link budget

2.2 3G网络传输系统

3G模块[7]是实现集中器与控制中心无线双向通信的关键部件，它将集中器里的数据通过3G网络远传到控制中心。自2009年开始，中国有3家运营商在使用3G网络，分别是中国移动的时分同步码分多址标准(time division-synchronous code division multiple access，TD-SCDMA)网络、中国电信的码分多止(code division multiple access 2000，CDMA2000)网络和中国联通的宽带码分多址标准(wide band code division multiple access，WCDMA)网络[8]。中国联通公司的WCDMA网络支持上行5.76 Mb/s及下行14.4 Mb/s。对于无线抄表系统来说，在一定区域范围内要求成百上千的热量表同时传输数据，因此对传输速率有较高要求，所以选择上行速率较高、技术比较成熟的WCDMA技术。通过WCDMA制式的3G模块实现数据的传输，并采用虚拟拨号局域网技术(virtual private dial-up networks,VPDN)进行组网。VPDN技术是指利用拨号客户端接入互联网服务提供商(internet service provider,ISP)的VPN(virtual private network)解决方案，是一种按需连接的VPN，可在必要时传输数据，按流量计费,大大节省了用户的专线租用费用。同时，移动VPDN的安全技术可为网络提供基本的安全服务。

3G模块拨号上网后，通过无线WCDMA网络和Internet与主控中心建立链接[9]。目前，WCDMA单基站接入无线热量表采集器终端的数量是有限的，超过一定数量后会导致网络堵塞。为避免网络堵塞,主控中心采用短信激活、报警激活等多种3G模块上下线工作模式。当需要数据传输时，激活模块进行无线拨号，数据传输完毕后自动下线。采取这样的工作模式可保持WCDMA网络畅通。

3G网络传输系统的硬件主要采用EM770W模块，EM770W支持USIM卡业务。图3为EM770W 3G模块电路图。

图3 EM770W原理图Fig.3 Schematic diagram of EM770W

MSP430F149通过引脚UCA0RXD、UCA0TXD与EM770W的异步串行口UART1_RX、UART1_TX相连，并通过这两个管脚传送AT指令控制EM770W模块的运行以及数据收发。

EM770W需要外接USIM卡。在USIM_RST、USIM_IO、USIM_CLK上加装33 pF的滤波电容，可滤除天线信号的干扰。

3 系统部分软件设计

3.1 Si4432发送程序

当发送模块完成初始化后，通过配置Si4432寄存器3Eh来设置数据包的长度，并通过SPI连续写寄存器7Fh,将待发送的数据写入发送FIFO。最后，打开“发送完中断允许”标志，禁止其他中断，开始发送数据。当数据包发送完毕时，nIRQ被拉低，产生低电平，从而通知MSP430F149数据包已发送完毕。此时，MSP430F149会产生一个中断信号，Si4432读取该信号后拉高nIRQ，系统进入空闲模式，关闭发送功能，等待下一次数据发送[10]。Si4432无线发送流程图如图4所示。

图4 Si4432无线发送流程Fig.4 Wireless transmit of Si4432

3.2 Si4432接收程序

程序完成初始化后，通过访问寄存器4Bh，获取数据包长度信息，接收缓存；然后打开有效包中断并禁止其他中断。

nIRQ用来检测有效数据包是否被检测到。如果nIRQ变为低电平，表示数据包被检测到。接着读取数据，当nIRQ变为低电平时，读取中断状态并拉高nIRQ。

当接收数据完毕后，关闭接收功能系统，进入下一次数据循环接收状态。

Si4432无线接收程序流程图如图5所示。

4 系统应用测试

Si4432模块传输系统的测试首先是利用串口调试助手对系统的通信状况进行检测，检测通信成功。在实际测试过程中，将Si4432收、发模块分别放在相距80 m的两幢楼里，此时信号需穿过4层混凝土墙。经测试，收、发模块均能正常工作，测试结果表明数据能及时、准确地发送和接收。试验3 h无通信故障，信息无丢失。当Si4432收、发模块间隔6层混凝土墙时，通信出现故障；大于7层混凝土墙时，通信中断。测试表明，Si4432能完成中长距离的无线数据传输。

3G网络传输系统测试如下：通过TCP&UDP测试软件测试，3G模块成功将集中器所收集到的数据发送给一台具有公网IP的主机和一台具有内网IP的主机。

通过测试可以看出，本文设计的基于3G网络的无线热量抄表系统达到了预期的目标，能够正常工作，而且具有很高的稳定性。

5 结束语

本文采用MSP430F149作为处理器，Si4432作为无线收发器，利用3G网络技术设计并实现了一款高集成度、超低功耗、远距离传输的无线抄表系统。Si4432模块穿墙能力强、通信误码率低，即使穿过数道墙体和楼板仍能得到准确可靠的数据。3G网络安全、稳定，按流量收费，节约了成本。通过论证和实际测量表明，基于3G网络的无线热量抄表系统能很好地完成数据的采集和无线传输，确保无线抄表系统安全、可靠地运行。因此，该系统具有很高的实用推广价值。

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科技期刊关键词和引言的撰写

关键词是论文的检索标志，是表达文献主题概念的自然语言词汇，一般是词和词组。

科技论文的关键词是从其题名、摘要和正文中选出来的。关键词包括3部分：1)叙词(正式主题词)，经过规范化的并收入主题词表中的词或词组；2)非正式主题词(词表中的上位词+下位词+替代词)；3)自由词(标引需要但主题词表中找不到的词)。

每篇论文中应专门列出3～8个关键词，其中叙词应尽可能多一些。关键词作为论文的组成部分，置于摘要段之后。

引言又称前言或绪论，是论文整体的有机组成部分。引言写在正文之前，属于整篇论文的引论部分。它的作用是向读者初步介绍文章内容。

引言要写得自然、概括、简洁、确切。引言中要写的内容大致有如下几项：1)研究的理由、目的和背景 ；2)理论依据、实验基础和研究方法；3)预期的成果及其作用和意义。

引言的写作要求是：1)开门见山，不绕圈子。注意一起笔就切题，不能铺垫太远；2)言简意赅，突出重点；3)尊重科学，不落俗套。

引言中要求写的内容较多，而篇幅有限，这就需要根据研究课题的具体情况确定阐述重点。共知的、前人文献中已有的不必细写，主要写好研究的理由和目的，使读者对论文有一个总体的了解。

Design of the Wireless Heat Meter Reading System Based on 3G Network

In order to realize the wireless transmission of data acquisition and transmit in heat meter reading system, the new type of wireless heat meter reading system based on 3G network has been designed. With the 3G network as the supporting network, and combining with Si4432 module, the design realizes complete wireless meter reading system, and the problems of short transmission distance and weak capability of wall penetration existing in current wireless heat meter reading system are solved. The transmission principles of Si4432 module transmission system and 3G network transmission system, and the schematic diagram of circuit design are given. The practical test shows that the data can be transmitted and

on time and accurately, the entire system features low power consumption, long communication distance and low bit error rate of communication as well as strong capability of wall penetration.

Si4432 3G network Wireless heat meter reading system Data acquisition Lower power consumption

国家自然科学基金资助项目(编号：11302118)；

山东省自然科学基金资助项目(编号：ZR2013AQ015)。

曹广(1987-),男,现为曲阜师范大学通信与信息系统专业在读硕士研究生；主要从事无线通信的研究。

TN92

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506014

修改稿收到日期：2014-09-17。