CN103150877A - 一种基于wia无线网络的无线抄表装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线抄表装置，具体说是一种基于WIA无线网络的无线抄表装置。本发明的WIA无线网络采用Mesh网络结构，WIA网络中包括多个互相之间进行通信的抄表装置，天线与上位机进行无线信号通信；天线与射频收发电路进行通信；天线与射频收发电路通过天线阻抗匹配电路进行信号通信；射频收发开关通过高低电平控制射频收发电路接收、发送无线信号；处理器电路外部为滤波电容和上拉、下拉电阻；输入端通过射频通信电路和处理器电路通信，输出端与电表通过串口电路进行通信。本发明的射频通信装置，通过串行接口与电表进行数据通信，再以无线的方式通过外置天线将数据发出；多点监控及数据采集、数据采集时间短、采集成功率99％以上、通信距离大幅提高的特点。

Description

一种基于WIA无线网络的无线抄表装置

技术领域

本发明涉及无线抄表装置，具体说是一种基于WIA无线网络的无线抄表装置。 

背景技术

在物联网技术迅速发展的今天，无线抄表技术也得到了快速发展，由于无线抄表具有功耗低、不用抄表人员现场去进行查抄、抄表实时性高等优点，所以无线抄表技术在未来具有很好的应用前景。 

在中国专利号02200581.1中，公开了一种利用电话线的自动抄表系统，该系统包括用户端和管理端，用户端由表具、采集器、数据处理器组成，表具将数据传递给采集器，采集器与数据处理器通过无线方式传输数据，无线发射频率为400MHz左右，数据处理器与管理端通过电话线传输数据，实现自动抄表。该系统的不足是无线抄表只局限于用户端的范围内，要求用户必须具有电话线的硬件条件，不适用于安装在户外的大抄表。 

在中国专利号96202204.7中，公开了一种多用户煤气、电、表具自动抄表装置，它在每个用户仪表的转动位置都安装一个用户数据采集单元，通过监测器件，将信号转换成电脉冲信号，对脉冲信号进行累计计数，在每个数据采集单元汇总到一个数据集中处理单元，红外抄表器通过控制数据集中处理单元对每个数据采集单元的累计结果进行读取、清零。红外抄表器通过输出接口将读取的数据向其他装置输出。该技术采用红外方式传输数据，具有传输距离短、信号传输不稳定等缺陷，而且仍需人工抄表，不能从根本上解决问题。 

在中国专利号200810207546.9中，公开了一种用GPRS进行无线抄表的技术。处理器采集电表的数据，然后通过GPRS网络将数据传递给后台服务器。该系统的不足之处是由于采用GPRS网络技术，每年都要向通信运营商缴纳一定的费用。 

针对于以上缺点不足，本发明提出了一种无线射频装置，由该装置构成的WIA无线网络抄表系统，能够很好的解决以上不足，它支持多跳(Multi-hop)、对等(Peer to Peer)的无线通信方式，具有自主组网、网络规模 可变、节点可大量部署、无人值守等特点，同时可以通过休眠机制降低节点能耗。 

发明内容

为了克服现有技术中存在的传输距离短、信号传输不稳定、使用费用昂贵等不足，本发明的目的是提供一种远距离无线抄表装置。该装置把无线通信技术和射频电路技术相结合，并且融合了自己独特的天线设计，设计出一款无线通信装置，该装置能够很好的完成抄表数据的采集、发送和接收，代替传统的人工入户抄表。 

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下： 

WIA无线网络采用Mesh网络结构，WIA网络中包括多个互相之间进行通信的抄表装置，所述无线抄表装置包括： 

天线：所述天线是上位机与射频收发电路进行无线信号通信的桥梁； 

射频收发电路：天线与射频收发电路通过天线阻抗匹配电路进行无线信号通信； 

射频收发开关：所述射频收发开关通过高低电平控制射频收发电路接收、发送无线信号； 

处理器电路：核心为STM32F103C8T6芯片，外部为滤波电容和上拉、下拉电阻；处理器电路与电表通过串口电路进行通信； 

电源电路：为整个装置供电。 

射频收发电路由收发控制器、射频滤波电路和高通滤波电容构成。 

射频滤波电路和高通滤波电容构成无线信号接收、发送电路；所述无线信号接收电路由电容CR1～CR2、电感LR构成；无线信号发送电路由电容CC1、CM、CH、C0、电感LM、LH、L0、LC、LR、电阻RDC构成。 

收发控制器的核心为Si4432芯片。 

天线阻抗匹配电路包括电容CM2～CM3、电感LM2紧放组成π型电路，电容CC2与电容CM2紧放；电容CM3出来的导线与天线的连接座的导线长度为3.25毫米，宽度为0.46毫米。 

天线内置于无线抄表装置中，天线与无线通信装置长软线缆连接；天线输入阻抗为50Ω，电压驻波比小于2.5，电磁波辐射方向为全向，能够承受最大输出功率5W。 

无线抄表装置还包括存储电路，存储电路的输入端与处理器电路相连；存储电路的核心为M25P10-A芯片；R6、R7、R8分别作为数据线的上拉电阻，R9作为时钟线的下拉电阻，C5作为电源和保持管脚的滤波电容。 

电源电路的输入电压为12V，经过TVS1保护、C1滤波后通过LM2594M-5.0输出5V电压；输出的5V电压经过L1、C2、C3滤波，输出给MP1700T电源芯片后转换成3.3V信号，为系统供电。 

接口电路包括JTAG调试电路、状态指示灯电路、与电表通信串口电路和复位电路。 

本发明可用于无线抄表的数据采集与传输，它将无线通信技术和射频电路设计有机的结合在一起，外加独特的天线设计，很好的解决了传统的依靠人工入户抄表带来的弊端。 

本发明具有如下优点： 

1.可以进行多点监控及数据采集。由于本发明采用了多跳技术，可以使不同无线抄表装置上的天线将采集到的信号经过集中器传递到后台服务器(上位机)。 

2.传输距离远。由于本发明采用了在无线抄表装置内部设置软线缆连接天线与无线抄表装置的设计，使得无线抄表装置的通信距离在原有基础上大幅提高。本发明研发的无线抄表系统中的射频通信装置，是无线通信网络的硬件平台，该装置户外可视传输距离能够达到1000米以上，在普通钢混住宅中，信号能够从一楼传到六楼。 

3.本发明是独立的射频通信装置，通过串行接口与电表进行数据通信，在以无线的方式将数据发出；替代了传统的依靠电力线载波或红外抄表的方式。 

4.本发明应用到电力抄表系统中，代替了传统的人工入户抄表，具有低功耗、抄表实时性高、抄表准确率高等优点，便于电业局对用户的用电数据进行管理。采用自主组网技术，便于系统规模的扩展。 

附图说明

图1为本发明一种基于WIA无线网络的无线抄表装置的无线抄表装置通信方式示意图； 

图2为本发明一种基于WIA无线网络的无线抄表装置的无线抄表装置结构示意图； 

图3为本发明一种基于WIA无线网络的无线抄表装置的电源电路原理图； 

图4为本发明一种基于WIA无线网络的无线抄表装置的天线阻抗匹配电路原理图； 

图5为本发明一种基于WIA无线网络的无线抄表装置的射频收发电路原理图； 

图6为本发明一种基于WIA无线网络的无线抄表装置的射频收发开关原理图； 

图7为本发明一种基于WIA无线网络的无线抄表装置的处理器电路原理图； 

图8为本发明一种基于WIA无线网络的无线抄表装置的存储器电路原理图； 

图9为本发明一种基于WIA无线网络的无线抄表装置的接口电路原理图。 

本发明一种基于WIA无线网络的无线抄表装置包括以下几部分电路：电源电路(图3)、阻抗匹配电路(图4)、射频收发电路(图5)、射频收发开关(图6)、处理器电路(图7)、存储电路(图8)和接口电路(图9)。 

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。 

实施例： 

如图1所示，基于无线网络的无线抄表装置通信方式示意图，该示意图显示了本发明无线抄表装置的网络的通信方式共分两部分：一部分是上行通信，即集中器(1～N)与后台服务器(上位机)的连接，采用McWill无线网络技术；另一部分是下行通信，即集中器与电表终端(11～15......、21～25......N1～N5......)的连接，采用WIA无线网络技术。其中，后台服务器(上位机)与集中器组成星型无线网络，集中器与电表终端组成Mesh网络结构，电表终端的射频通信装置不仅能够负责数据采集与传输，还具有中继的功能，能够对数据进行转发。 

所述WIA无线网络采用Mesh网络结构，WIA网络中包括多个互相之间进行通信的抄表装置。 

如图2所示，无线抄表装置包括：天线、射频收发电路、射频收发开关、处理器电路和电源电路等部分。 

其中，天线的输入端与上位机进行无线信号通信、输出端与射频收发电路进行通信。在保证通信距离的情况下，尽量减小天线的尺寸，以保证能够安装于装置中，天线尺寸仅为66*7.5*1(单位：mm)。天线与无线通信装置通过不到5厘米长软线缆连接。输入阻抗为50欧姆，电压驻波比小于2.5，电磁波辐射方向为全向，能够承受最大功率5W。输入信号与输出信号全部通过天线进行数据传输。天线内置于无线抄表装置中，天线与无线通信装置长软线缆连接；天线输入阻抗为50Ω，电压驻波比小于2.5，电磁波辐射方向为全向，能够承受最大输出功率5W。 

由于本发明采用了在无线抄表装置内部设置软线缆连接天线与无线抄表装置的设计，使得无线抄表装置的通信距离在原有基础上大幅提高。本发明研发的无线抄表系统中的射频通信装置，是无线通信网络的硬件平台， 该装置户外可视传输距离能够达到1000米以上，在普通钢混住宅中，信号能够从一楼传到六楼。 

如图3所示，电源电路(U1)电源电路的输入电压为12V，经过TVS1保护、C1滤波后通过LM2594M-5.0输出5V电压；输出的5V电压经过L1、C2、C3滤波，输出给MP1700T电源芯片后转换成3.3V信号，为整个装置供电。 

天线与射频收发电路通过天线阻抗匹配电路进行无线信号通信。如图4所示，天线阻抗匹配电路包括电容CM2～CM3、电感LM2紧放组成π型电路，电容CC2与电容CM2紧放；电容CM3出来的导线与天线的连接座的导线长度为3.25毫米，宽度为0.46毫米。且所有电容、电感器件的封装都用0402标准。 

如图5～6所示，射频收发开关(U4，UPG2214TB)高低电平控制射频收发电路接收、发送无线信号。射频收发电路收发控制器(U3)、射频滤波电路和高通滤波电容构成。收发控制器(U3)的核心为Si4432芯片。射频滤波电路和高通滤波电容构成无线信号接收、发送电路；无线信号接收电路由电容CR1～CR2、电感LR构成；无线信号发送电路由电容CC1、CM、CH、C0、电感LM、LH、L0、LC、LR、电阻RDC构成，主要负责射频信号的滤波，PCB布线要求电容、电感、电阻的布置要尽量紧密，封装采用0402标准。 

如图7所示，处理器电路(U5)的核心为STM32F103C8T6芯片，外部为滤波电容和上拉、下拉电阻；输入端通过接口电路与射频处理电路通信，输出端与电表通过串口电路进行通信。外围仅需要少量的滤波电容和上拉、下拉电阻。电容、电阻封装采用0402标准。 

如图8所示，本发明一种基于WIA无线网络的无线抄表装置还包括存储电路(U6)的输入端与处理器电路相连；所述存储电路的核心为M25P10-A芯片；R6、R7、R8分别作为数据线的上拉电阻，R9作为时钟线的下拉电阻，C5作为电源和保持管脚的滤波电容。 

如图9所示，接口电路包括JTAG调试电路、状态指示灯电路、与电表通信串口电路和复位电路。 

本发明的内容是WIA无线网络中的射频通信装置，图2所示，射频通信装置结构图。该发明包括电源电路、阻抗匹配电路、射频收发电路、射频收发开关、处理器电路、存储电路、接口电路和天线等。 

电路接收数据流程：无线信号由天线接收，经过天线阻抗匹配电路后，将信号传递给射频收发电路，射频收发电路经过解调接收到的信息，将无 线信号以数字信号的方式传递给处理器，处理器在将指令传到电表中，完成一次无线信号的接收过程；电路发送数据流程，处理器将要发送的数据通过串行同步接口发送给射频收发电路，射频收发电路在将信号调制成无线电波信号，通过天线匹配电路将信号通过天线发出，完成一次数据发送过程。电源电路负责整个系统的供电。存储电路负责相关抄表数据的存储。 

如图2，为本发明无线抄表装置结构图。射频通信无线抄表装置安装于每个终端电表上，负责对终端电表的数据进行采集、传输，同时能够接收后台服务器发送的抄表指令，执行抄表动作。 

无线抄表装置由以下几部分电路组成：电源电路(图3)、阻抗匹配电路(图4)、射频通信电路(图5)、射频收发电路(图6)、处理器电路(图7)、存储电路(图8)和外围接口电路(图9)等。其中电源电路、处理器电路、存储电路系现有技术，在此不做叙述。 

本发明无线抄表装置的工作流程如下： 

数据接收过程： 

系统默认情况下，无线抄表装置处于接收状态；收发控制器(U3)的芯片Si4432通过管脚8即GPIO1控制射频收发开关(UPG2214TB)开关的V1管脚，当GPIO1为低电平的时候，GPIO2处于高电平，无线抄表装置处于接收状态。无线电波信号经过天线接收，经过天线匹配电路LM2、CM2、CM3，再经过CC2、CR2滤波电容，在Si4432中完成信号解调的工作，信号由模拟信号变成数字信号，通过串行接口RF_IRQ、RF_SS、RF_SCK、RF_MOSI、RF_MISO与处理器连接，处理器将接收到的命令数据在通过串口1即处理器管脚30和管脚31发送给电表，对电表的数据进行读取，将读取到的电表数据通过串口1发送给处理器，准备数据发送。 

数据发送过程： 

处理器将从电表读回的数据通过串行接口RF_IRQ、RF_SS、RF_SCK、RF_MOSI、RF_MISO发送给Si4432，Si4432将要发送的数据调制成模拟信号同时打开射频发送开关，即GPIO2为低电平，GPIO1为高电平。调制好的信号通过Si4432的管脚2发出，经过C0、L0、LM、CC1和CM组成的“T”型高通滤波电路和LH、CH、RH组成的滤波匹配电路，再经过射频开关UPG2214TB的OUT2管脚，经过CC2高通滤波和LM2、CM2、CM3天线阻抗匹配电路输出给天线，完成一次数据的发送。 

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明作了比较详细的说明，但是这些说明只是对本发明的简单说明，而不是对本发明的限制，任何不超 出本发明实质精神的发明创造，均落入本发明的保护范围内。 

Claims (9)

1.一种基于WIA无线网络的无线抄表装置，其特征在于：所述WIA无线网络采用Mesh网络结构，WIA网络中包括多个互相之间进行通信的抄表装置，所述无线抄表装置包括：

天线：输入端与射频收发电路进行通信、输出端与上位机进行无线信号通信；

射频收发电路：天线与射频收发电路通过天线阻抗匹配电路进行无线信号通信；

射频收发开关U4：所述射频收发开关通过高低电平控制射频收发电路接收、发送无线信号；

处理器电路U5：核心为STM32F103C8T6芯片，外部为滤波电容和上拉、下拉电阻；输入端通过接口电路与射频处理电路通信，输出端与电表通过串口电路进行通信；

电源电路U1：为整个装置供电。

2.按照权利要求1所述的无线抄表装置，其特征在于：所述射频收发电路由收发控制器U3、射频滤波电路和高通滤波电容构成。

3.按照权利要求2所述的无线抄表装置，其特征在于：所述射频滤波电路和高通滤波电容构成无线信号接收、发送电路；所述无线信号接收电路由电容CR1～CR2、电感LR构成；无线信号发送电路由电容CC1、CM、CH、C0、电感LM、LH、L0、LC、LR、电阻RDC构成。

4.按照权利要求2所述的无线抄表装置，其特征在于：所述收发控制器U3的核心为Si4432芯片。

5.按照权利要求1所述的无线抄表装置，其特征在于：所述天线阻抗匹配电路包括电容CM2～CM3、电感LM2紧放组成π型电路，电容CC2与电容CM2紧放；电容CM3出来的导线与天线的连接座的导线长度为3.25毫米，宽度为0.46毫米。

6.按照权利要求1所述基于WIA无线网络的无线抄表装置，其特征在于：所述天线内置于无线抄表装置中，天线与无线通信装置长软线缆连接；天线输入阻抗为50Ω，电压驻波比小于2.5，电磁波辐射方向为全向，能够承受最大输出功率5W。

7.按照权利要求1所述的无线抄表装置，其特征在于：所述装置包括存储电路U6，存储电路的输入端与处理器电路相连；所述存储电路的核心为M25P10-A芯片；R6、R7、R8分别作为数据线的上拉电阻，R9作为时钟线的下拉电阻，C5作为电源和保持管脚的滤波电容。

8.按照权利要求1所述的无线抄表装置，其特征在于：所述电源电路U1的输入电压为12V，经过TVS1保护、C1滤波后通过LM2594M-5.0输出5V电压；输出的5V电压经过L1、C2、C3滤波，输出给MP1700T电源芯片后转换成3.3V信号，为系统供电。

9.按照权利要求1所述的无线抄表装置，其特征在于：所述接口电路包括JTAG调试电路、状态指示灯电路、与电表通信串口电路和复位电路。

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