CN103905079A - 自组网微功率无线通信模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及专门适用于无线通信网络的设施，具体是一种适用于电网的自组网微功率无线通信模块。包括壳体和位于其内的PCB通信主板，所述PCB通信主板包括微处理器MCU控制电路、通用接口电路、数据存储电路、收发信电路、射频功率放大电路、低通滤波电路、收发转换开关电路、稳压电路和天线；本发明提供的自组网微功率无线通信模块，有效地解决了低发射功率下长距离的用电信息采集问题；自组网微功率无线通信模块能自动搜索组网形成路由，无需人工配置路由表。

Description

自组网微功率无线通信模块

技术领域

本发明涉及专门适用于无线通信网络的设施，具体是一种适用于电网的自组网微功率无线通信模块。

背景技术

随着智能电网的推进，用电信息采集系统已经从传统的抄表结算需求向远程管理、远程控制、实时监测等方向发展，因此对通讯技术的可靠性与实时性要求很高。用电信息采集系统一般包含集中器、采集器和电能表等用电统计装置。现有技术电力电网系统的用电统计主体是用电信息采集和传输采用低频段（100~300kHz）有线载波传输方式，但该技术受电网环境影响大，随着家用电器使用的增加，“电网污染”现象越来越严重，导致采用“有线载波传输方式”的用户用电信息采集和传输的收集和抄录成功率越来越低，其存在的主要问题包括通讯速率低、实时性差、误码率高等。因此需要人工收集抄录的方式作为补充。

为解决这一问题，在最新的国家电网公司的用电信息采集系统系列标准中，将微功率无线通讯技术列入，在2005年无线电委员会的《微功率（短距离）无线电设备的技术要求》文件中规定470MHz~510MHz为民用无线电计量仪表专用频段，但是允许的发射功率仅为50mW，而实际应用环境中，无线信号因房屋等建筑物的阻挡、金属表箱屏蔽等情况，50mW发射功率的通讯距离太短，不能满足抄表应用需求，现有技术只有通过中继传输方式来提高传输距离，当大面积使用时，中继节点的选择是不可能的，仍需要依靠人工设置来实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处，而提出一种自组网微功率无线通信模块，应用于用电信息采集系统。

本发明解决所述问题采用的技术方案是：

一种自组网微功率无线通信模块，应用于用电信息采集系统用电统计装置上，在各用电统计装置之间组成无线网络，包括壳体和位于其内的PCB通信主板，所述PCB通信主板包括微处理器MCU控制电路、通用接口电路、数据存储电路、收发信电路、射频功率放大电路、低通滤波电路、收发转换开关电路、稳压电路和天线；

所述通用接口电路将其所附着的用电统计装置提供的电力送至所述稳压电路，经该稳压电路处理后分别向各电路供以适配的电力；所述通用接口电路与微处理器MCU控制电路之间通过数据传输线联接；

所述天线将收到的射频信号经收发转换开关电路送到收发信电路，由收发信电路将射频信号调解为数据包再送到所述微处理器MCU控制电路；

所述微处理器MCU控制电路处理接到的数据包，将其送至数据存储电路中，或通过通用接口电路送至所附着的主体中，或通过通用接口电路将主体传送的用户数据打包为数据包送至所述收发信电路，并发送控制信号至收发转换开关电路使其转换为发送状态；

所述收发信电路将接到的数据包调制为射频信号，发送至射频功率放大电路放大、再经低通滤波电路滤除高次谐波，再送到收发转换开关电路，通过与该收发转换开关电路连接的天线向空中发送。

采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其有益效果是：

有效地解决了低发射功率下长距离的用电信息采集问题；自组网微功率无线通信模块能自动搜索组网形成路由，无需人工配置路由表；具有自动频率组选择的避让干扰的自适应能力；能将上下行通讯使用不同频点，防止自身干扰，提高了系统的可靠性；其路由表不是单一的，集中器与目标节点之间有多条路径，当某路径出现问题时，能自动选择备用路径，具有较好的防故障能力。

作为优选，本发明更进一步的技术方案是：

还包括看门狗电路，所述的看门狗电路与微处理器MCU控制电路连接，并向微处理器MCU控制电路提供复位电平。

所述通用接口电路包括与用电数据统计装置的接口适配的排针J2,所述壳体设有令该排针J2伸出的开口，该排针J2将用电统计装置提供的12V供电送至所述稳压电路。

所述微处理器MCU控制电路包括的微处理器集成电路U2，所述的微处理器集成电路U2是采用ARM平台的STM32F103系列，微处理器集成电路U2的PA4、PA5、PA6、PA7和PC0脚连接到所述收发信电路，PA14和PA15脚接入收发转换开关电路，PB10、PB11脚与所述数据存储电路连接，PA0、PD2、PA9和PC10脚接入通用接口电路。

所述稳压电路包括正电压调节器T1、稳压集成电路U4；所述通用接口电路送来的电压V1输入至所述正电压调节器T1的输入端，正电压调节器T1的输出端V2输出+5V的电压，该输出电压分别送至稳压集成电路U4的输入端和射频功率放大电路；所述稳压集电路U4将输入端的电压+5V转换成+3.3V的输入电压，分别向微处理器MCU控制电路、数据存储电路、收发信电路、低通滤波电路和收发转换开关电路供电。

所述收发信电路包括收发信集成电路U1，所述的收发信集成电路U1采用SI4432，收发信集成电路U1的RX-P和RX-N脚与收发转换开关电路连接；NIRQ、NSEL、SCLK、SDI和SDO与微处理器MCU控制电路连接，TX脚与射频功率放大电路连接。

所述射频功率放大电路包括N沟道绝缘栅型场效应管Q3、三极管Q5和三极管Q6；所述三极管Q5的集电极通过电阻R113和R118接入N沟道绝缘栅型场效应管Q3的栅极，三极管Q5的基极经电阻R36接入三极管Q6的集电极；所述收发信电路送来的射频信号接入N沟道绝缘栅型场效应管Q1的源极，N沟道绝缘栅型场效应管Q3的漏极接入低通滤波电路。

所述低通滤波电路包括电感L9、电感L10、电感L11和电容C41、电容C43和电容C34构成的滤波电路。

所述数据存储电路包括电可擦可编程只读存储器U3，电可擦可编程只读存储器U3的SDA和SCL脚与微处理器MCU控制电路连接。

所述收发转换开关电路包括收发转换开关集成电路U7,收发转换开关集成电路U7的ANT2与天线连接，收发转换开关集成电路U7的RX脚与天线、收发信电路、低通滤波电路连接。

附图说明

图1是本发明PCB通信主板逻辑结构示意框图；

图2是微处理器MCU控制电路的原理电路图；

图3是通用接口电路的原理电路图；

图4是数据存储电路的原理电路图；

图5是收发信电路的原理电路图；

图6是射频功率放大电路和低通滤波电路的原理电路图；

图7是收发转换开关电路、稳压电路和天线的示意电路图；

图8是看门狗电路的示意电路图；

图9是本发明应用于用电信息采集系统中未组网时的示意图；

图10是本发明应用于用电信息采集系统中正在组网的示意图；

图11是本发明应用于用电信息采集系统中组网后的示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明，目的仅在于更好的理解本发明内容。因此，所举之例并非限制本发明的保护范围。

本实施例给出的自组网微功率无线通信模块如图1所示，包括壳体和位于其内的PCB通信主板，所述PCB通信主板包括微处理器MCU控制电路20、通用接口电路21、数据存储电路22、收发信电路23、射频功率放大电路24、低通滤波电路25、收发转换开关电路26、稳压电路27和天线28；

通用接口电路21将其所附着的用电统计装置提供的电力送至所述稳压电路27，经该稳压电路27处理后分别向各电路供以适配的电力；所述通用接口电路21还与微处理器MCU控制电路20通过数据线连接传输数据；

天线28将收到射频信号经收发转换开关电路26送到收发信电路23，由收发信电路23将射频信号解调为数据包再达到所述微处理器MCU控制电路20；

微处理器MCU控制电路20处理接到的数据包，将其送至数据存储电路22中，或通过通用接口电路21送至所附着的主体中，或通过通用接口电路21将主体传送的用户数据打包为数据包送至收发信电路23，并发送控制信号至收发转换开关电路26使其转换为发送状态；

收发信电路23将接收到的数据包调制为射频信号，发送至射频功率放大电路24放大、再经低通滤波电路25滤除高次谐波，再送到收发转换开关电路26，通过与收发转换开关电路26连接的天线28向空中发送。

此外，如图8所示，还有与微处理器MCU控制电路20连接的看门狗电路29，当自组网微功率无线通信模块在刚通电开机时，如果软件系统没有正常运行，则该看门狗电路29重新提供一次复位电平至微处理器MCU控制电路20中，使软件系统运行。

微处理器MCU控制电路20还连接有LED指示电路，以表明本模块的工作状态。

如图2所示，微处理器MCU控制电路20的微处理器集成电路U2是采用ARM平台的STM32F103系列，该芯片具有32位的RISC内核，工作频率可达72MHz，128K的高速存储器，低功耗工作模式。微处理器集成电路U2的PA4、PA5、PA6、PA7和PC0脚连接到收发信电路23，PA14和PA15脚接入收发转换开关电路26，PB10、PB11与数据存储电路22连接，PA0、PD2、PA9和PC10脚接入通用接口电路21。

如图3所示，通用接口电路21包括与用电数据统计装置的接口适配的排针J2,所述壳体1设有令该排针J2伸出的开口，该排针J2将用电统计装置提供的12V供电送至所述稳压电路27。

如图4所示，数据存储电路22包括电可擦可编程只读存储器U3，该电可擦可编程只读存储器U3的SDA和SCL脚与微处理器MCU控制电路20连接。当系统停电，所有需要存储的数据信息都将电可擦可编程只读存储器U3中保存；当自组网微功率无线通信模块担当路由工作时，所有接收到的数据包在未转发前都存储在数据存储单元。

如图5所示，收发信电路23包括收发信集成电路U1，收发信集成电路U1采用SI4432，收发信集成电路U1的RX-P和RX-N脚与收发转换开关电路26连接，NIRQ、NSEL、SCLK、SDI和SDO与微处理器MCU控制电路20连接，TX脚与射频功率放大路电路24连接。

如图6所示，射频功率放大电路24包括N沟道绝缘栅型场效应管Q1、三极管Q5、三极管Q6；所述三极管Q5的集电极EC通过电阻R113和R118接入N沟道绝缘栅型场效应管Q1的源极，三极管Q5的基极经电阻R36接入三极管Q6的集电极；收发信电路23送来的射频信号接入N沟道绝缘栅型场效应管Q1的源极，N沟道绝缘栅型场效应管Q1的漏极接入低通滤波电路25。

低通滤波电路25包括电感L9、电感L10、电感L11和电容C41、电容C43和电容C34构成的滤波电路，由射频功率放大电路24送至射频信号经低通滤波电路25处理后，被送至收发转换开关电路26。

如图7所示，收发转换开关电路26包括收发转换开关集成电路U7,收发转换开关集成电路U7的ANT2与天线28连接，RX脚与天线28、收发信电路23、低通滤波电路25连接。

稳压电路27包括正电压调节器T1、稳压集成电路U4;通用接口电路21送来的电压V1输入至正电压调节器T1的输入端，正电压调节器T1的输出端V2输出+5V的电压，该输出电压分别送至稳压集成电路U4的输入端和射频功率放大路电路24；稳压集电路U4将输入端的电压+5V转换成+3.3V的输入电压，向微处理器MCU控制电路20、数据存储电路22、收发信电路23、低通滤波电路25和收发转换开关电路26供电。

自组网微功率无线通信模块的工作指标为：

空中波特率：默认10Kbps，1200bps～200Kbps；

接收灵敏度：优于-112dBm（BER=0.1%，10kbps）；

工作频段：470MHz～510MHz；

信道频率间隔：200kHz；

天线：阻抗50Ω，接头SMA；

供电电压：+12VDC；

工作电流：发送电流≤300mA；静态电流≤50mA；

发射功率：≤17dBm；

发射持续时间：≤200ms。

如图9、图10和图11所示，自组网微功率无线通信模块在用电信息采集系统中的使用过程，将自组网微功率无线通信模块通过通接口电路21安插在用电信息采集系统的集中器、任一采集器或电能表上，就形成了微功率无线集中器、微功率无线采集器或电能表，该系统中只有一个集中器，其它的皆为采集器或电能表；系统使用470.2MHz～488.4MHz频段，共划分总共31个频率组，包括1个公共频率组和30个工作频率组，0号频率组用于组网维护，1～30频率组用于抄表等应用。

如图9所示，自组网微功率无线通信模块安插在用电信息采集系统的集中器，形成微功率无线集中器91，在系统组网前，微功率无线集中器91与微功率无线采集器或电能表92、电能表93、电能表94、电能表95、电能表96、电能表97、电能表98之间没有任何联系。此时，所有的微功率无线采集器或电能表通过0号频率组向微功率无线集中器91间歇性的发送信标帧，微功率无线集中器91根据收到的信标数据和信号强度确定邻居节点，将满足信号强度指标的邻居节点标记为子节点，如图10中的采集器或电能表92、电能表93和电能表94为节点。

微功率无线集中器91确定了一级子节点后，再逐个获取一级子节点的邻居节点，去除信号强度不满足要求的邻居节点作为二级子节点。

微功率无线集中器91确定了二级子节点后，再逐个获取二级子节点的邻居节点，去除信号强度不满足要求的和已经注册的一级子节点，其余的作为三级子节点。依此方式，逐次搜索下一级子节点，直到搜索不到新的子节点，此时组网完成。

如图11所示，组网后的各节点与微功率无线集中器91之间可能存在多条路径，微功率无线集中器91到电能表95的路径有：经过电能表92-电能表95、电能表93-电能表95和电能表93-电能表92-电能表95。

组网后，各节点可能在A路径中一级子节点，在B路径中是二级子节点或其它级子节点，节点电能表92可能是一级或二级子节点，节点电能表95可能是二级或三级子节点，节点电能表98可能是二级或三级或四级子节点。

组网完成后，微功率无线集中器91根据信号强度、最短路径对各路由进行综合分析，对到各节点的路由进行排序，形成每个节点的路由表。并通过0号频率组将此路由表传给相应的微功率无线采集器或电能表保存。

组网完成并将路由表传给各微功率无线采集器或电能表后，微功率无线集中器91侦测1～30号频率组，判断对应频点的干扰信号强度，然后选择一个频率组作为数据通讯的频率组，此频率组的编号则通过0号频率组发送给微功率无线采集器或各电能表。然后用选定的频率组与各微功率无线采集器或电能表进行通讯，实现用电信息的采集。

在应用中若发现选定的频率组干扰较大、通讯效果差，微功率无线集中器1可随时修改通讯频率组，通过0号频率组发给各微功率无线采集器或电能表，以避开干扰。

具体过程：天线28接收到的射频信号首先送到收发转换开关电路26，当自组网微功率无线通信模块处于接收模式时，收发转换开关电路26开通接收信号通路，将射频信号送到收发信电路23的收发信集成电路U1，本实施例中收发信集成电路U1采用SI4432_的3脚接收信号输入端，然后送到收发信集成电路U1内部进行低噪声放大、零中频混频、中频滤波、GFSK解调等过程，将射频信号还原成数据包，这个数据包通过收发信集成电路U1和微处理器集成电路U2连接的串口数据线送到该微处理器集成电路U2，对数据包进行处理，取出用户用电信息数据，用户用电信息数据通过通用接口电路21送到电网集中器本体中。

再以电网单相电能表为例说明自组网微功率无线通信模块发送信号时工作方式：

当电网单相电能表本体收到电网集中器发送的数据请求后，电网单相电能表的自组网微功率无线通信模块的微处理器集成电路U2通过通用接口的排针J2从电网单相电能表本体读取用户用电信息数据，然后将其加上前导码和同步码，再将其打包成数据包，这个数据包通过串口数据线送到收发信电路23的收发信集成电路U1的调制电路进行调制，调制方式为GFSK高斯滤波移频键控调制方式，调制后的已调制中频信号送到收发信电路23内部的发射混频电路。

收发信电路23内部的发射混频电路的任务是将已调制中频信号和本地振荡信号进行混频，将已调制中频信号变换成UHF高频载波信号，再将UHF高频信号送到收发信电路23内部的发射射频驱动放大电路和射频功率放大电路进行放大，信号幅度达到17dBm，这个信号从收发信集成电路U1的2脚输出，再送到射频功率放大电路24的缘栅型场效应管Q3，型号为2SK3078A，UHF高频载波信号经过射频功率放大电路24放大后送到低通滤波电路25，低通滤波电路25由电感L9、电感L10和电感L11组成，UHF高频载波信号经低通滤波电路25滤除高次谐波后，再送到收发转换开关电路26的集成电路U7，型号为UPG2164，当此时自组网微功率无线通信模块处于发射模式时，收发转换开关电路26开通发射信号通路，将UHF高频载波信号送到天线28，天线28将UHF高频载波信号转换成电磁波向空中发射。

Claims (9)

1.一种自组网微功率无线通信模块，应用于用电信息采集系统用电统计装置上，在各用电统计装置之间组成无线网络，其特征在于：包括壳体和位于其内的PCB通信主板，所述PCB通信主板包括微处理器MCU控制电路、通用接口电路、数据存储电路、收发信电路、射频功率放大电路、低通滤波电路、收发转换开关电路、稳压电路和天线；

所述通用接口电路将其所附着的用电统计装置提供的电力送至所述稳压电路，经该稳压电路处理后分别向各电路供以适配的电力；所述通用接口电路与微处理器MCU控制电路之间通过数据传输线联接；

所述天线将收到的射频信号经收发转换开关电路送到收发信电路，由收发信电路将射频信号调解为数据包再送到所述微处理器MCU控制电路；

所述微处理器MCU控制电路处理接到的数据包，将其送至数据存储电路中，或通过通用接口电路送至所附着的主体中，或通过通用接口电路将主体传送的用户数据打包为数据包送至所述收发信电路，并发送控制信号至收发转换开关电路使其转换为发送状态；

所述收发信电路将接到的数据包调制为射频信号，发送至射频功率放大电路放大、再经低通滤波电路滤除高次谐波，再送到收发转换开关电路，通过与该收发转换开关电路连接的天线向空中发送。

2.根据权利要求1所述的自组网微功率无线通信模块，其特征在于：还包括看门狗电路，所述的看门狗电路与微处理器MCU控制电路连接，并向微处理器MCU控制电路提供复位电平。

3.根据权利要求1所述的自组网微功率无线通信模块，其特征在于：所述微处理器MCU控制电路包括的微处理器集成电路U2，所述的微处理器集成电路U2是采用ARM平台的STM32F103系列，微处理器集成电路U2的PA4、PA5、PA6、PA7和PC0脚连接到所述收发信电路，PA14和PA15脚接入收发转换开关电路，PB10、PB11脚与所述数据存储电路连接，PA0、PD2、PA9和PC10脚接入通用接口电路。

4.根据权利要求1所述的自组网微功率无线通信模块，其特征在于：所述稳压电路包括正电压调节器T1、稳压集成电路U4；所述通用接口电路送来的电压V1输入至所述正电压调节器T1的输入端，正电压调节器T1的输出端V2输出+5V的电压，该输出电压分别送至稳压集成电路U4的输入端和射频功率放大电路；所述稳压集电路U4将输入端的电压+5V转换成+3.3V的输入电压，分别向微处理器MCU控制电路、数据存储电路、收发信电路、低通滤波电路和收发转换开关电路供电。

5.根据权利要求1所述的自组网微功率无线通信模块，其特征在于：所述收发信电路包括收发信集成电路U1，所述的收发信集成电路U1采用SI4432，收发信集成电路U1的RX-P和RX-N脚与收发转换开关电路连接；NIRQ、NSEL、SCLK、SDI和SDO与微处理器MCU控制电路连接，TX脚与射频功率放大电路连接。

6.根据权利要求1所述的自组网微功率无线通信模块，其特征在于：所述射频功率放大电路包括N沟道绝缘栅型场效应管Q3、三极管Q5和三极管Q6；所述三极管Q5的集电极通过电阻R113和R118接入N沟道绝缘栅型场效应管Q3的栅极，三极管Q5的基极经电阻R36接入三极管Q6的集电极；所述收发信电路送来的射频信号接入N沟道绝缘栅型场效应管Q1的源极，N沟道绝缘栅型场效应管Q3的漏极接入低通滤波电路。

7.根据权利要求1所述的自组网微功率无线通信模块，其特征在于：所述低通滤波电路包括电感L9、电感L10、电感L11和电容C41、电容C43和电容C34构成的滤波电路。

8.根据权利要求1所述的自组网微功率无线通信模块，其特征在于：所述数据存储电路包括电可擦可编程只读存储器U3，电可擦可编程只读存储器U3的SDA和SCL脚与微处理器MCU控制电路连接。

9.根据权利要求1所述的自组网微功率无线通信模块，其特征在于：所述收发转换开关电路包括收发转换开关集成电路U7,收发转换开关集成电路U7的ANT2与天线连接，收发转换开关集成电路U7的RX脚与天线、收发信电路、低通滤波电路连接。

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