随着物联网技术的发展, 在传统计量器具上实现智能化和网络化是大势所趋[1,2,3]。目前, 电子汽车衡主要以采用秤台、传感器、电缆和仪表的有线连接结构为主。无论电子汽车衡采用的是模拟传感器还是数字传感器, 均难以做到“即装即用”, 也难以实现对传感器状态的实时监测, 难以与其他智能设备实现互联, 形成统一的管理系统, 也无法满足智能计量校准的要求。目前, 有部分厂家研制出了“无线”电子汽车衡, 但多数的实现方式是在接线盒或仪表上加装了采用蓝牙协议的无线通信模块, 这种方法仍存在传输距离短、故障率高、维护困难等问题[4]。无线传感器网络具有安装灵活、扩展简便、自组网等特点, 将无线传感器网络应用于称重传感器中可解决上述问题, 同时具有低功耗、高可靠性等优点, 为车辆称重数据管理和监测提供高效便捷的手段[5]。因此, 本文提出了一种基于Lo Ra技术的低功耗无线传输模块的设计方案, 并将该模块应用于称重传感器中, 实现了车辆称重系统的智能化和网络化。

1 Lo Ra技术特点与称重传感器

1.1 Lo Ra技术原理

Lo Ra技术是低功耗广域网 (LPWAN) 通信技术中的一种, 是美国Semtech公司提供的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案[6]。Lo Ra主要在全球免费频段运行, 包括433 MHz、868 MHz、915 MHz等。采用了高扩频因子, 从而获得较高的信号增益, 接收灵敏度可达-148 d Bm, 从而降低发射功率, 减小功耗。Lo Ra网络主要由终端 (或内置Lo Ra模块) 、网关、网络服务器以及应用服务器组成, 应用数据可双向传输。目前, 国内厂商研发的无线称重系统主要采用Zig Bee或蓝牙技术, 所使用的频段是在2.4 G频点。2.4 G频段具有传输速率高的优势, 但是汽车衡称重具有数据量小、信号传输中障碍物多等特点, 所以其优势很难体现。而且由于工作频率较高, 信号的越障、穿透能力较弱, 在很多汽车衡使用场合 (如高速公路收费站、矿山等) 无法实现稳定数据传输。而433 MHz频段频率较低, 信号的穿透、绕射能力较强, 信号衰减小, 适用于车辆称重系统使用环境[7]。同时, Lo Ra具有的低功耗特性, 可有效延长设备的维护周期。

1.2 称重传感器网络结构

在车辆称重系统传感器网络中, 称重传感器、显示仪表均含有无线模块, 其中仪表同时作为网关节点, 接收并显示称重数据。称重传感器数量为4~16个, 安装在承载器下方。同一用户的多台称重设备可通过网关、有线或无线连接至数据管理中心。网关与传感器通信方式采用主从式结构, 传感器节点在接收到网关的取数据命令或被触发设定条件时开始采集和数据处理, 数据处理结束后立即发送, 等待接收到网关正确回应后休眠。传感器的网络架构如图1所示。

1.3 称重传感器的硬件结构

称重传感器采用5 V锂离子蓄电池同时为测量电路、MCU、ADC、以及无线模块供电。为提高测量电路的稳定性, 保证称重数据的准确性, 需要保证供电的持续性;但无线模块仅在需要进行数据传输时被唤醒。因此电源处理部分采用两路LDO供电。在称重时, 粘贴在弹性体上的电阻应变片在受载时产生一个与载荷相关的电压信号, 通过ADC将模拟信号转换为数字信号, 存储到外部E2PROM中, 并由传感器端的无线模块发送。仪表端接收信号后进行转换和显示。传感器硬件设计如图2所示。

图1 车辆称重系统传感器网络架构Fig.1 Network framework of weighing system   下载原图

图2 无线称重传感器硬件Fig.2 Composition of the load cell   下载原图

2 无线传输模块硬件电路的设计

无线传输模块由MCU、RF芯片、晶振、滤波器、RF开关以及天线组成, 如图3所示。MCU作为主控芯片, 用来配置RF芯片, 同时控制RF芯片的供电电源, 使无线模块仅在需要进行数据传输时被唤醒。RF芯片主要负责调制从MCU发来的信号, 或者解调从天线经过滤波器得到的信号。晶振为RF芯片提供频率源。接收电路和发送电路是由滤波器构成的, 主要是负责滤除不必要的频率, 以免对目标频段造成干扰。天线主要负责接收和发送信号。实际的硬件电路如图3所示。

图3 无线模块硬件电路Fig.3 Composition of the module   下载原图

2.1 RF芯片的选型

RF芯片采用的是美国Semtech公司的SX1278芯片, 其带宽范围为7.8~500 k Hz, 扩频因子为6~12, 工作在433 MHz/470 MHz频段。接收灵敏度可达到-148 d Bm, 最大链路预算为168 d B, 最大发射功率20 d Bm。SX1278具有低电流消耗的特点, 在sleep模式下电源电流仅200 n A;在接收模式下, 最大电源消耗电流为12 m A;在发送模式下, 电源消耗电流为120 m A (RFOP=+20 d Bm) 。

2.2 接收和发送滤波电路

在图4中, 无线传输电路中方框A1和方框A2区域内的电路为接收信号的滤波电路, 通过电感和电容组成LC带通滤波电路, 滤除通信频率外的信号, 只让特定的信号通过, 避免天线接收到的其他频率的信号对SX1278芯片通信的影响, 提高接收的灵敏度。方框B1和B2区域中所示的电路为发送信号的滤波电路, 采用的是椭圆低通滤波电路, 滤除不需要的带外噪声, 减少了频带干扰, 提升了无线模块的抗干扰性能。电容C28和C9将前级滤波器输出的直流分量滤除, 再通过下一级的滤波放大电路后经过天线发送。

图4 无线传输模块收发电路Fig.4 Transceiver module of wireless module   下载原图

2.3 接收和发送选择电路

SX1278是一个半双工的收发器, 在进行数据发送和接收时需要进行模式切换, 因此需要一个模拟开关来实现模式的转换, 如图5所示。PE4259是RF开关, 开关信号的频率范围为1~3 GHz, 使用时, 将VDD引脚拉至高电平, 通过控制CTRL引脚来选择天线是与发送电路还是接收电路相连。与接收电路和发送电路分别用一根天线相比, 用RF开关在接收和发送模式之间进行切换的实现方式, 在提高接收灵敏度的同时减小天线的数量和PCB板的面积。

图5 无线传输模块收发选择电路Fig.5 Selective circuit of transceiver module   下载原图

3 软件设计

传感器的功耗管理是通过软硬件设计共同实现的[8,9,10]。传感器空闲时开启无线模块的休眠模式, 在休眠时间段内手动或周期性开启接收功能, 监听是否有网关发送的“前导码”;当接收到网关发送“前导码”后立即“唤醒”MCU开启串口接收, 接收校验无误后, 开启工作模式:开启无线模块电源和ADC完成数据采集;采集完成后进行数据处理, 同时关闭片内ADC和基准的模拟外设;数据打包后发送给无线模块进行发送。发送完成并得到网关正常回应后, MCU进入等待模式:切换至外部低频晶振。等待状态下, MCU只有定时器和晶振工作。

软件程序流程如图6所示, 传感器上电后取片外E2PROM存储的程序版本、修正参数、网关地址等配置信息后, 通过自检灯显示状态是否正常。根据设计, 当称重传感器受到大于设定值的载荷时, 自动启动数据转换和无线模块;如果传感器无动作, 则通过仪表 (网关) 手动发送“唤醒”信号。所以程序开启中断, 检测是否有载荷“唤醒”, 或手动唤醒命令, 当有取数命令下发后进行数据采集、处理和数组填充。没有“唤醒”命令则仍保持“休眠”状态, 直到下一次唤醒。

图6 程序流程Fig.6 Flow chart of software design   下载原图

4 模块测试与功耗计算

本项目测试是利用电流分析仪, 对研制的无线模块在工作过程中不同阶段的瞬时电流和平均电流, 评估传感器正常工作24 h的功耗。测试结果如表1所示。

表1 无线模块功耗测试结果Tab.1 Test results of wireless module power consumption     下载原表

根据设计, 无线模块只在称重时唤醒, 每次采集和发送过程控制在1 s以内;而称重传感器在工作时间内需长时间预热, 称重传感器供桥电压3.3 V, 内阻700Ω。以称重系统每天工作12 h, 累计称重120次进行每日功耗计算:

因此采用6000 m A/h的锂离子电池供电, 理论上可使用75天以上。

5 结语

本文介绍了一种基于Lo Ra扩频调制技术, 运行在433 MHz频段的低功耗称重系统无线传输模块的设计。采用低功耗射频IC芯片、低插入损耗射频开关、输入带通滤波器和输出低通滤波器等, 结合合理的软件流程设计, 实现称重传感器对载荷的准确采集和可靠无线传输, 同时降低设备功耗。传感器采用锂离子电池供电, 经过理论计算和实验室验证, 使用6000 m A/h电池, 系统可稳定运行75天以上。解决了当前称重系统中存在的线缆成本高、维护更换困难、难以进行称重数据监控和校准管理等问题, 实现了车辆称重的智能化。