CN104869671B - 一种基于wia-pa的无线网关及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于WIA‑PA的无线网关，包括电源模块以及与其连接的数字滤波器、和网关核心板；连有天线的数字滤波器与网关核心板连接；通信方法包括以下步骤：接收数据时，网关核心板通过串口发送命令至数字滤波器，数字滤波器根据命令配置接收通道，并通过天线接收无线射频信号，进行中频滤波后经调制解调器存放在FLASH中，通过CPU转换成TCP/IP协议的数据，通过网口传输数据；发送数据时，网关核心板将数据信号调制成射频信号传输给数字滤波器，同时通过调制解调器的触发信号将射频窄带滤波放大单元内发射链路的电源接通，通过天线进行发送。本发明能够有效的滤除WLAN等2.4GHz自由频段的干扰信号，提高接收数据灵敏度，增加传输距离。

Description

一种基于WIA-PA的无线网关及其通信方法

技术领域

本发明涉及一种WIA-PA无线网关，具体地说是一种用于石油行业、基于WIA-PA协议，通过无线方式与RTU及其所管理的仪表进行通信，同时实现网络协议转换的无线网关及其通信方法。

背景技术

在石油行业的油气物联网中，绝大多数采用zigbee技术，一般情况下RUT（抽油井控制器）与无线仪表之间采用zigbee技术进行传输，RTU将接收到的数据进行解调，解调后将数据根据相关协议通过RS-232电平传输给数传模块，数传模块将数据调制后进行无线传输；

目前油气物联网一般采用2.4GHz自由频段，该频段为免费自由频段，各大运营商均已大规模商用WLAN覆盖，为了达到高速率要求，室外WLAN信号发射一般为2W，而且部分油田采用WLAN作为主干网传输，要求空间WLAN信号幅度一般大于-65dBm，另外应用于油井监控的无线摄像头也是干扰2.4GHz频段通信的一个较大的干扰，这就不可避免的造成zigbee等系统的信噪比下降，从而导致无线设备的传输距离减少。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于WIA-PA并能够提高抗干扰能力以及传输距离的无线网关及其通信方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于WIA-PA的无线网关，包括电源模块以及与其连接的数字滤波器和网关核心板；连有天线的数字滤波器与网关核心板连接；

数字滤波器用于接收和发送网关核心板的命令/数据并对接收的无线数据进行射频滤波与放大，实现网关核心板对无线数据的收发；

网关核心板用于实现无线数据的传输与协议转换。

所述网关核心板包括CPU以及与其连接的调制解调器、Flash、存储器、物理层芯片；CPU通过物理层芯片与网口连接，通过串口与数字滤波器连接。

所述数字滤波器包括：顺序连接的双路锁相环单元、MCU和射频窄带滤波放大单元；双路锁相环单元与连有天线、调制解调器的射频窄带滤波放大单元连接。

所述双路锁相环单元包括：基准源的一个输出端通过依次连接的第一跟踪芯片、第三射频开关、第四射频放大器与第五射频开关连接；基准源的另一个输出端通过依次连接的第二跟踪芯片、第四射频开关、第五射频放大器与第五射频开关连接；第五射频开关的输出端口与功分器输入端口连接，功分器的两个输出端口均与射频窄带滤波放大单元连接；上述三个射频开关的负载口均通过负载接地；上述射频开关与跟踪芯片均与MCU连接。

所述射频窄带滤波放大单元包括依次连接的发射链路、第一射频开关、接收链路和第二射频开关并形成环路；所述发射链路包括第三射频放大器；所述接收链路包括顺序连接的低噪声放大器、第一混频器、中频声表滤波器、第一射频放大器、第二混频器、第二射频放大器；第一混频器、第二混频器的本振输入接口分别与功分器的两路输出端口连接；第一射频开关的两个射频接口分别与第三射频放大器输出端、低噪声放大器输入端连接，其输入口连有天线；第二射频开关的两个射频接口分别与第二射频放大器输出端、第三射频放大器输入端连接，其输出接口连有调制解调器；第一射频开关与第二射频开关的控制端均与调制解调器的控制端口连接。

所述低噪声放大器、第一射频放大器、第二射频放大器、第三射频放大器的电源端均通过电源开关与电源连接，电源开关的控制端与调制解调器连接。

一种基于WIA-PA的无线网关通信方法,包括以下步骤：

接收数据时，网关核心板通过串口发送命令至数字滤波器，数字滤波器根据命令配置接收通道，并通过天线接收无线射频信号，进行中频滤波后经调制解调器存放在FLASH中，通过CPU转换成TCP/IP协议的数据，通过网口传输数据；

发送数据时，网关核心板将数据信号调制成射频信号传输给数字滤波器，同时通过调制解调器的触发信号将射频窄带滤波放大单元内发射链路的电源接通，通过天线进行发送。

所述中频滤波包括以下步骤：

当MCU接收到网关核心板中CPU的切换命令，配置双路锁相环单元并输出第一本振和第二本振；

调制解调器发出接收触发信号，控制第一、第二射频开关切换到接收链路，接通接收链路的供电；射频窄带滤波放大单元将通过天线接收到的射频信号进行低噪声放大，然后通过第一混频器与第一本振进行混频，产生中频信号并进行滤波放大后，通过第二混频器与第二本振混频恢复成天线接收到的射频信号，进行功率放大后通过第二射频开关将射频信号输出给调制解调器。

所述配置双路锁相环单元并输出第一本振和第二本振包括以下步骤：

MCU接收到上位机的切换命令后启动内部计数器；定时时间结束时，则接通未工作的跟踪芯片电源，配置该芯片内部寄存器，并在定时器到达设定值时关闭另一个跟踪芯片的电源，将与其连接的射频开关切换到负载端；

然后将配置完成的跟踪芯片连接的射频开关切换到射频端，并将第五射频开关切换到该跟踪芯片，使跟踪芯片输出的射频信号通过功分器输出第一本振与第二本振。

所述第一本振与第二本振的频率范围为2545MHz～2625MHz。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明通过增加接收链路的中频声表滤波能够有效的滤除WLAN等2.4GHz自由频段的干扰信号，提高接收数据灵敏度，增加传输距离。

2.本发明通过双路锁相环的硬件装置，实现了伪随机序列跳频，能够有效的避免干扰。

3.本发明在接收端进行射频放大20dB，提高接收灵敏度；

4.发射链路进行射频放大，使发射功率达到22dBm，增加覆盖距离；

5.本专利提供了适用于石油行业的无线网关，基于WIA-PA无线网关实现接收射频的窄带滤波、射频解调以及基于以太网协议的数据传输、POE供电；能够将RTU及仪表的抽油井工况数据进行传输以供专家系统进行分析，并能够根据专家系统对工况进行分析预警，切实提高抽油井的效率。

附图说明

图1为本发明的应用网络示意图；

图2为本发明的结构框图；

图3为本发明的装置的结构框图；

图4为本发明的射频窄带滤波放大单元结构框图；

图5为电源开关电路框图；

图6为低本振频谱示意图；

图7为高本振频谱示意图；

图8为WIA-PA时隙图；

图9为双路锁相环图；

图10为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

网关在跳频的过程中，CPU配置调制解调器的同时，也通过串口发送跳频数据包。网关核心板根据超帧长度计算发送至数字滤波器的切换时间和切换的信道号，组包发送至数字滤波器，使数字滤波器切换信道。

网关跳频选择采用固定信道序列方式，根据跳频信道总数由前向后依次选取信道号，跳频信道号次序为[19,21,13,26,20,24,16,23,18,25,14,12,11,15,22,17]。在锁相环的设计中采用双路锁相环切换模式，保证WIA-PA通信时的切换时间；

如图1所示，本发明涉及一种基于WIA-PA石油行业的无线网关设备，无线网关与安装在抽油机附近的RTU进行无线通信，RTU与所管理的无线仪表（示功仪、压力表）之间也应用无线通信。方法包括：无线仪表与RTU进行通信，RTU将无线仪表的数据包汇聚后与网关实现无线通信；网关接到无线信号进行解调，将解调后的数据进行协议转换，然后以TCP/IP协议通过现场值班室内的POE交换机传输至油田监控中心，通过服务器内的油田系统监控平台进行数据显示，通过专家系统对抽油机故障进行定位；

油气田井口控制系统包含设备有WIA无线网关、RTU、压力表、示功仪以及油田系统监控平台；

压力表负责采集抽油井的差压与套压，示功仪负责采集抽油机的载荷与加速度用于功图绘制，RTU管理井口仪表功能。RTU将单口油井的工况信息（包括压力、电量以及功图）通过无线射频信号进行接收解调与聚合，然后重新组帧通过调制将信息通过无线信号传输给无线网关，无线网关将射频信号解调，通过协议转换，转换成TCP/IP协议将抽油井工况信息通过局域网传输至油田监控中心，监控中心通过油田监控平台进行显示；

如图2所示，WIA-PA无线网关中包含数字滤波器、网关核心板与POE-PD电源；WIA-PA无线网关在油气物联网中的作用是网络管理与协议转换，负责整个网络的资源分配与时钟同步。其中，CPU采用AT91SAM9X25，支持以太网MII与RMII接口；调制解调器用于实现数据的调制、解调与控制数字滤波器的无线窄带滤波单元的电源控制与第一射频开关、第二射频开关的控制；

接收过程：网关核心板的CPU通过RS232电平根据WIA-PA协议与数字滤波器通信，传递接收信道号，通过调制解调器的触发信号打开射频放大器的电源开关。WIA-PA无线网关接收到抽油井控制器（RTU）传输的油井工况数据的调制后的射频信号，经过接收天线输入到射频窄带滤波放大单元中，射频窄带滤波放大单元通过低噪声放大，下变频与中频滤波、上变频与放大传输至调制解调器中，在调制解调器（型号CC2520）中经过低噪声放大、变频、A\D采样通过OQPSK解调将抽油井工况信息还原成原始数字信号存放在FLASH中，通过CPU的MII接口转换成TCP/IP协议，传输至以太网PHY芯片通过网口接入抽油机现场值班室的交换机中，通过局域网传输至油田监控中心，通过服务器中安装的监控平台呈现抽油井工况信息，并通过专家系统用于故障分析；

发射过程：发送数据进行OQPSK调制、变频传输给数字滤波器，CPU控制调制解调器发送触发信号控制数字滤波器内发射链路中的射频放大器的电源接通并打开第一射频开关与第二射频开关，进行射频放大，通过天线发射射频信号。

无线网关内的核心板将伪随机序列跳频的序号和时间通过modbus协议传输至射频窄带滤波放大单元，射频窄带滤波放大单元中的MCU根据定时器配置锁相环与锁相环切换时间。

如图3所示，本发明主要有4部分组成，分别是电源，射频窄带滤波放大单元，MCU和双路锁相环单元；其中电源主要是给其它单个单元进行供电，MCU主要功能是配置贴片频踪芯片移位寄存器和第三、第四、第五射频开关，达到输出所需本振的目的；调制解调器提供接收与发射链路射频放大器的电源控制与第一、第二射频开关的控制。本发明主要阐述说明射频窄带滤波单元与双路锁相环单元。

如图4所示，在射频窄带滤波放大单元接收链路接收到空间的WIA-PA信号，由于WIA-PA为TDMA时分系统，通过第一射频开关进行切换，经第一射频开关输出进行低噪声放大，保证整个系统接收信号的噪声系数，然后将射频信号（频率为2405MHz～2485MHz）输入到用于第一级混频的HMC574混频器的RF管脚，与双路锁相环产生的第一本振进行混频，从而产生140MHz中频；从而便于滤波处理；中频信号经过C·TECH厂家型号为352213的中频声表滤波器，滤除WIA-PA信道外的干扰信号，其中52213芯片的中心频点为140MHz，带宽为3MHz，能够保证有用信道外的抑制达到50dBc。中频滤波后进行第一级射频功率放大，放大后的中频信号接到用于第二级混频的HMC574的中频输入端，与第二本振混频恢复成射频信号（频率为2405MHz～2485MHz），由于中频声表滤波器与两级混频器对信号衰减较大，需要应用第二级射频放大器2进行功率放大，放大后通过射频开关2将射频信号输出，实现接收端窄带滤波功能。

如图5所示，调制解调器输出两路触发信号IO1和IO2分别与接收链路与发射链路的电源开关芯片IRF7416的控制脚相连，当IO1或IO2为低电平时，电源开关打开，分别给接收链路或发射链路供电；同时IO1与IO2对第一射频开关与第二射频开关进行控制；当IO1为低电平、IO2为高电平时切换到接收链路，同时接收链路的电源打开，切换到接收链路工作；当IO1为高电平、IO2为低电平时切换到接收链路，同时发射链路的电源打开，切换到发射链路工作；其中，与电源开关芯片连接的为发射链路中的低噪声放大器、第一射频放大器、第二射频放大器、第三射频放大器。

本振的选择：对于中频的选择可以应用高本振与低本振；

如果选择低本振，假使WIA-PA输入信号频率为2475MHz，本振频率为2335MHz，幅度约为2dBm；本振与射频的隔离大约为25dB；落入射频的信号强度约为-23dBm，此时-23dBm就会与WLAN1号频点（2412MHz）产生的互调三阶互调正好落入2475MHz频段内，增加了WIA-PA工作信道内的底噪声，从而降低了WIA-PA的接收灵敏度；故不选择低本振；如图6所示。

选择高本振，在极限条件下选择WIA-PA11号频点（2405MHz），本振为2545MHz，改本振与WLAN信号的混频均落在WIA-PA工作频带外，不影响WIA-PA信道内的信噪比，不影响WIA-PA的接收灵敏度。所以本设计采用高本振。如图7所示。

中频声表滤波器设计：

中频滤波选择中心频点为140MHz，带宽为3MHz，抑制为50dBc抑制中频声表，该方案能够有效的抑制WIA-PA带外的抑制，能够很好的抑制带外其它信号的干扰，避免其带内干扰；

如图8所示的WIA-PA的时隙格式，其中晶振与电源准备时间为3.90625ms，要求锁相环锁定完成要小于该时间,否则会产生数据丢失，为了满足WIA-PA时隙要求本设计采用双路锁相环设计，这样能够保证在下一个时隙开始之前本振选择已经完成，保证数据的完整性传输。

本次设计选用国家半导体的LMX25312270贴片频踪，其理论锁定时间为4ms不能满足设计要求。本发明采用双路锁相环切换电路，满锁定时间的要求。

如图9所示，发明过程如下：基准源输出12.8MHz的正弦波，输出后分为两路，分别接到LMX2531的OSCin引脚作为跟踪芯片的基准输入。通过MCU配置LMX2531的移位寄存器设置贴片频踪的射频信号输出2545MHz～2625MHz的频率，为了避免未工作的LMX2531输出的射频信号泄露到输出端，将LMX2531后面增加射频开关，当未工作时射频开关切换到负载端，负载直接将射频信号吸收；由于混频器本振输入需要2～6dBm的信号强度，需要将射频开关3、4输出的射频信号进行放大。应用MCU控制第三、四、五射频开关进行切换。

如图10所示，在每个WIA-PA时隙开始后，MCU通过RS232接收到上位机下发的切换命令，解析出当前使用的信道号、将要切换到的信道号以及切换时间，启动计数器。这样能够保证在数据传输时，物理信道已经转换完成。计数器设置为切换时间减去8ms，MCU判断是否切换到跟踪芯片1，如果切换到跟踪芯片1，则打开跟踪芯片1的电源，MCU对跟踪芯片1进行配置；当定时器时间即切换时间结束时，关闭跟踪芯片2的电源，并将第四射频开关切换到负载端；MCU将第三射频开关切换到射频端，并将第五射频开关切换到跟踪芯片1的射频方向；当MCU判断切换到跟踪芯片2，则接通跟踪芯片2的电源，MCU对跟踪芯片2进行配置，当定时器时间即切换时间结束时，关闭跟踪器1的电源，并将第三射频开关切换到负载端，MCU将第四射频开关切换到射频端，并将第五射频开关切换到跟踪芯片2的射频方向。

表一为增加选频功能后WIA-PA无线模块传输距离的改善实测数据，其中在WLAN干扰信号的幅度为-25dBm～-40dbm的情况下改善效果明显，可以得出增加选频模块能够有效的改善WIA-PA无线通信模块的接收灵敏度，进而增加数据传输距离，有效增大WIA-PA网络覆盖范围。

表格1选频模块改善传输距离

WLAN干扰幅度	未加选频传输距离	增加选频传输距离	改善距离
				-40	642.2	170.1	472.1

-35	203.1	109.3	93.8
				-30	76.7	20.3	56.4
-25	24.2	7.7	16.5

Claims (7)

1.一种基于WIA-PA的无线网关，其特征在于包括电源模块以及与其连接的数字滤波器和网关核心板；连有天线的数字滤波器与网关核心板连接；

数字滤波器用于接收和发送网关核心板的命令/数据并对接收的无线数据进行射频滤波与放大，实现网关核心板对无线数据的收发；

网关核心板用于实现无线数据的传输与协议转换；

所述数字滤波器包括：顺序连接的双路锁相环单元、MCU和射频窄带滤波放大单元；双路锁相环单元与连有天线、调制解调器的射频窄带滤波放大单元连接；

所述双路锁相环单元包括：基准源的一个输出端通过依次连接的第一跟踪芯片、第三射频开关、第四射频放大器与第五射频开关连接；基准源的另一个输出端通过依次连接的第二跟踪芯片、第四射频开关、第五射频放大器与第五射频开关连接；第五射频开关的输出端口与功分器输入端口连接，功分器的两个输出端口均与射频窄带滤波放大单元连接；上述三个射频开关的负载口均通过负载接地；上述射频开关与跟踪芯片均与MCU连接；

无线网关与安装在抽油机附近的RTU进行无线通信，RTU与所管理的无线仪表之间也应用无线通信；包括：无线仪表与RTU进行通信，RTU将无线仪表的数据包汇聚后与网关实现无线通信；网关接到无线信号进行解调，将解调后的数据进行协议转换，然后以TCP/IP协议通过现场值班室内的POE交换机传输至油田监控中心，通过服务器内的油田系统监控平台进行数据显示，通过专家系统对抽油机故障进行定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于WIA-PA的无线网关，其特征在于包括：所述网关核心板包括CPU以及与其连接的调制解调器、Flash、存储器、物理层芯片；CPU通过物理层芯片与网口连接，通过串口与数字滤波器连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于WIA-PA的无线网关，其特征在于所述射频窄带滤波放大单元包括依次连接的发射链路、第一射频开关、接收链路和第二射频开关并形成环路；所述发射链路包括第三射频放大器；所述接收链路包括顺序连接的低噪声放大器、第一混频器、中频声表滤波器、第一射频放大器、第二混频器、第二射频放大器；第一混频器、第二混频器的本振输入接口分别与功分器的两路输出端口连接；第一射频开关的两个射频接口分别与第三射频放大器输出端、低噪声放大器输入端连接，其输入口连有天线；第二射频开关的两个射频接口分别与第二射频放大器输出端、第三射频放大器输入端连接，其输出接口连有调制解调器；第一射频开关与第二射频开关的控制端均与调制解调器的控制端口连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于WIA-PA的无线网关，其特征在于所述低噪声放大器、第一射频放大器、第二射频放大器、第三射频放大器的电源端均通过电源开关与电源连接，电源开关的控制端与调制解调器连接。

5.一种基于WIA-PA的无线网关通信方法,其特征在于包括以下步骤：

接收数据时，网关核心板通过串口发送命令至数字滤波器，数字滤波器根据命令配置接收通道，并通过天线接收无线射频信号，进行中频滤波后经调制解调器存放在FLASH中，通过CPU转换成TCP/IP协议的数据，通过网口传输数据；

发送数据时，网关核心板将数据信号调制成射频信号传输给数字滤波器，同时通过调制解调器的触发信号将射频窄带滤波放大单元内发射链路的电源接通，通过天线进行发送；

所述配置双路锁相环单元并输出第一本振和第二本振包括以下步骤：

MCU接收到上位机的切换命令后启动内部计数器；定时时间结束时，则接通未工作的跟踪芯片电源，配置该芯片内部寄存器，并在定时器到达设定值时关闭另一个跟踪芯片的电源，将与其连接的射频开关切换到负载端；

然后将配置完成的跟踪芯片连接的射频开关切换到射频端，并将第五射频开关切换到该跟踪芯片，使跟踪芯片输出的射频信号通过功分器输出第一本振与第二本振；

无线网关与安装在抽油机附近的RTU进行无线通信，RTU与所管理的无线仪表之间也应用无线通信；包括：无线仪表与RTU进行通信，RTU将无线仪表的数据包汇聚后与网关实现无线通信；网关接到无线信号进行解调，将解调后的数据进行协议转换，然后以TCP/IP协议通过现场值班室内的POE交换机传输至油田监控中心，通过服务器内的油田系统监控平台进行数据显示，通过专家系统对抽油机故障进行定位。

6.根据权利要求5所述的一种基于WIA-PA的无线网关通信方法，其特征在于所述中频滤波包括以下步骤：

当MCU接收到网关核心板中CPU的切换命令，配置双路锁相环单元并输出第一本振和第二本振；

调制解调器发出接收触发信号，控制第一、第二射频开关切换到接收链路，接通接收链路的供电；射频窄带滤波放大单元将通过天线接收到的射频信号进行低噪声放大，然后通过第一混频器与第一本振进行混频，产生中频信号并进行滤波放大后，通过第二混频器与第二本振混频恢复成天线接收到的射频信号，进行功率放大后通过第二射频开关将射频信号输出给调制解调器。

7.根据权利要求5所述的一种基于WIA-PA的无线网关通信方法，其特征在于：所述第一本振与第二本振的频率范围为2545MHz～2625MHz。