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無(wú)線傳輸在稱重儀表系統(tǒng)中的應(yīng)用
【摘 要】 隨著國(guó)內(nèi)稱重儀表市場(chǎng)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)臺(tái)秤儀表、汽車衡儀表的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)達(dá)到白熱化程度，許多客戶也對(duì)稱重儀表及其系統(tǒng)提出了更高的要求。其中數(shù)據(jù)集中管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控等需求尤為突出。本文主要討論了通過(guò)使用普通RF無(wú)線傳輸、Zigbee無(wú)線傳輸、GSM/GPRS無(wú)線傳輸?shù)确绞剑瑢⒎Q重儀表、秤臺(tái)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，以及大屏幕顯示等附件遠(yuǎn)程緊密連接的方案。
1.1. 稱重儀表行業(yè)背景
近十年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)生產(chǎn)力的發(fā)展，中國(guó)的衡器儀表行業(yè)產(chǎn)生了巨大的變化。從十幾年前國(guó)內(nèi)稀少及良莠不齊，發(fā)展到目前上百家具有一定規(guī)模，能設(shè)計(jì)、制造符合國(guó)家對(duì)稱重儀表精度、穩(wěn)定性、抗干擾能力等要求的稱重儀表廠商。其中不乏一些廠商可以設(shè)計(jì)、制造一部分外觀、性能能與發(fā)達(dá)國(guó)家同行相媲美的稱重儀表，且在成本上能達(dá)到合理控制，性價(jià)比較高，得到國(guó)內(nèi)外客戶一致好評(píng)。如上海耀華稱重有限公司的XK-3190系列等。
但是目前國(guó)內(nèi)大部分稱重儀表用戶在技術(shù)方面還相對(duì)落后，因此國(guó)內(nèi)稱重儀表市場(chǎng)主要還集中在普通計(jì)價(jià)計(jì)數(shù)臺(tái)秤、靜態(tài)汽車衡等，附加功能主要集中在內(nèi)置微打或外接打印機(jī)、開關(guān)量輸出、上下限報(bào)警等方面。
然而近幾年市場(chǎng)不斷拓寬，隨著稱重儀表用戶企業(yè)的規(guī)模擴(kuò)大、產(chǎn)品復(fù)雜度增加、管理體系日趨完善的情況下，對(duì)稱重儀表及其系統(tǒng)的各種新的要求也不斷提出，其中數(shù)據(jù)集中管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控等需求尤為突出。
1.2. 無(wú)線傳輸在稱重儀表系統(tǒng)中意義
目前市場(chǎng)情況下，大部分稱重儀表還是單獨(dú)使用，各儀表間聯(lián)系不是很緊密。在需要將秤臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的時(shí)候，常常通過(guò)類似于使用電流環(huán)方式將儀表與大屏幕連接，使用RS-232方式將單臺(tái)儀表與計(jì)算機(jī)近距離連接，或使用RS-485方式將多臺(tái)儀表與計(jì)算機(jī)連接。這種常規(guī)的連接方式中有以下幾點(diǎn)不便之處：
a）稱重儀表與計(jì)算機(jī)及其他附件之間的連接需要布線，布線的隱蔽性和維護(hù)方便性之間難以取舍。
b）各種接口對(duì)連線的長(zhǎng)度及負(fù)載的個(gè)數(shù)都有要求，且還要考慮負(fù)載能力的情況。
c）布線較長(zhǎng)時(shí)容易受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾影響，在電氣、電磁等環(huán)境較為惡劣的情況下尤為突出。
因此無(wú)線傳輸在距離較遠(yuǎn)、負(fù)載較多、環(huán)境較惡劣的情況下，對(duì)比常規(guī)布線方式有著很大的優(yōu)勢(shì)。
而且，最近我國(guó)工信部提出了物聯(lián)網(wǎng)的“十二五”發(fā)展規(guī)劃，對(duì)我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展高度重視。無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)將是今后稱重儀表行業(yè)，乃至電子行業(yè)的發(fā)展方向。
2 稱重儀表與無(wú)線傳輸
2.1. 簡(jiǎn)述
目前，稱重儀表行業(yè)中，有多種無(wú)線傳輸方式并存。其中有些方式已經(jīng)較為
成熟；還有一些方式可能在其他行業(yè)已經(jīng)有了比較成熟的應(yīng)用方案，但在稱重儀表行業(yè)可能還在嘗試階段。
本文主要討論了通過(guò)使用普通RF無(wú)線傳輸、Zigbee無(wú)線傳輸、GSM/GPRS無(wú)線傳輸?shù)确绞剑瑢⒎Q重儀表、秤臺(tái)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，以及大屏幕顯示等附件遠(yuǎn)程緊密連接的方案。
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2.2. 普通RF無(wú)線傳輸
射頻即Radio Frequency，通�？s寫為RF。表示可以輻射到空間的電磁頻率，頻率范圍從300KHz～30GHz之間。射頻簡(jiǎn)稱RF射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡(jiǎn)稱。每秒變化小于1000次的交流電稱為低頻電流，大于10000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。在電磁波頻率低于100khz時(shí)，電磁波會(huì)被地表吸收，不能形成有效的傳輸，但電磁波頻率高于100khz時(shí)，電磁波可以在空氣中傳播，并經(jīng)大氣層外緣的電離層反射，形成遠(yuǎn)距離傳輸能力，我們把具有遠(yuǎn)距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻，射頻技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域中被廣泛使用。
本文所說(shuō)的普通RF無(wú)線傳輸，即指在國(guó)內(nèi)常用的433Mhz頻段附近，采用透明傳輸方式進(jìn)行的無(wú)線傳輸。目前有市場(chǎng)上已經(jīng)有不少產(chǎn)品使用了普通RF無(wú)線傳輸方案，如吊鉤秤、無(wú)線大屏幕、無(wú)線秤臺(tái)等。上海耀華稱重系統(tǒng)也擁有XK-3190 DS3無(wú)線儀表，可以通過(guò)普通RF無(wú)線傳輸?shù)姆绞�，將�?shù)字傳感器組成的秤臺(tái)、無(wú)線數(shù)字稱重儀表、計(jì)算機(jī)、無(wú)線大屏幕結(jié)合一起進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)通訊，滿足大部分客戶的需求。
圖1 使用RF無(wú)線傳輸?shù)姆绞降姆Q重儀表
普通RF無(wú)線傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式較為簡(jiǎn)單，大多是通過(guò)GFSK高斯頻移鍵控，在調(diào)制之前通過(guò)一個(gè)高斯低通濾波器來(lái)限制信號(hào)的頻譜寬度，再通過(guò)FSK頻移鍵控，利用載波的頻率變化進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，來(lái)傳遞數(shù)字信息。使用方法也比較簡(jiǎn)單，一般都是通過(guò)選擇信道，及選擇配對(duì)的頻率，即可進(jìn)行配對(duì)無(wú)線傳輸。
普通RF無(wú)線傳輸有以下特點(diǎn)：
a）傳輸距離可以在空曠地帶、附近無(wú)同頻干擾源及較大干擾的情況下，傳輸距離可達(dá)一至兩千公里�；究梢詽M足大部分客戶需求，但在建筑較為密集、電磁環(huán)境較惡劣的情況下無(wú)法滿足要求。
b）使用方便，采用透明傳輸，但信息容易被竊取，需要額外做加密解密處理。
c）使用國(guó)內(nèi)常用的433Mhz免費(fèi)頻段，不需額外申請(qǐng)，但該頻段使用者較為集中，再加上頻點(diǎn)較窄，較難做到防碰撞，且頻點(diǎn)漂移現(xiàn)象較為嚴(yán)重，在密集使用情況下串頻、誤碼率較高。
d）系統(tǒng)價(jià)格低廉，后續(xù)維護(hù)費(fèi)用低。
可見(jiàn)普通RF無(wú)線傳輸在適合在普通中等距離情況下及非密集使用場(chǎng)所下應(yīng)用時(shí)，性價(jià)比較為突出。
2.3. Zigbee
無(wú)線傳輸Zigbee無(wú)線傳輸也是一種RF無(wú)線傳輸方式。
Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。
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主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，Zigbee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。
Zigbee采用DSSS直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù)，用高速率的偽噪聲碼序列與信息碼序列模二加（波形相乘）后的復(fù)合碼序列去控制載波的相位而獲得直接序列擴(kuò)頻信號(hào)，即將原來(lái)較高功率、較窄的頻率變成具有較寬頻的低功率頻率，以在無(wú)線通信領(lǐng)域獲得令人滿意的抗噪聲干擾性能。
Zigbee的組網(wǎng)功能強(qiáng)大，可以通過(guò)預(yù)先對(duì)各節(jié)點(diǎn)身份進(jìn)行定義，運(yùn)行后能自動(dòng)組建網(wǎng)絡(luò)或?qū)ふ揖W(wǎng)絡(luò)，可建立星狀、樹狀、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并能自動(dòng)尋找最近的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
圖2 Zigbee的組網(wǎng)功能
Zigbee與普通RF無(wú)線傳輸方式相比，有以下特點(diǎn)：
a）由于Zigbee采用2.4G頻段，頻率較高穿透性能較差，傳輸距離較差，但Zigbee具有進(jìn)行自動(dòng)組網(wǎng)功能，在使用密集的情況下可以自動(dòng)尋找路徑將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。
b）自動(dòng)組網(wǎng)使用方便，且在節(jié)點(diǎn)變動(dòng)時(shí)能自動(dòng)調(diào)節(jié)，使用自有協(xié)議傳輸，具有加密功能，數(shù)據(jù)傳輸安全。
c）使用2.4G免費(fèi)頻段，頻點(diǎn)相對(duì)433M較寬，防碰撞機(jī)制較為完善，使用穩(wěn)定。
d）系統(tǒng)價(jià)格較為低廉，后續(xù)維護(hù)費(fèi)用低。
因此，Zigbee無(wú)線傳輸方式適合在節(jié)點(diǎn)較為密集、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的環(huán)境下使用，如集貿(mào)市場(chǎng)、生產(chǎn)車間、倉(cāng)庫(kù)等地方使用。
2.4. GSM/GPRS無(wú)線傳輸
GSM全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，俗稱全球通是世界上主要的蜂窩系統(tǒng)之一，主要承載語(yǔ)音業(yè)務(wù)和短信業(yè)務(wù)。
GPRS通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)，是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。所謂的分組交換就是將數(shù)據(jù)分裝成許多獨(dú)立的數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸，并且可以按照傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量計(jì)價(jià)(而非占線時(shí)間)，可以同時(shí)處理語(yǔ)音業(yè)務(wù)（通話）和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（下載數(shù)據(jù)），兩種業(yè)務(wù)互相獨(dú)立，互不影響。GPRS是一種高速、高效的無(wú)線系統(tǒng)，我們可以通過(guò)GPRS訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。GPRS具有“永遠(yuǎn)在線”、“自如切換”、“高速傳輸”、“按需計(jì)費(fèi)”等特點(diǎn)。
GSM/GPRS可以在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方進(jìn)行連接，應(yīng)此應(yīng)用在稱重儀表上，可以達(dá)到超遠(yuǎn)距離傳輸、控制的效果。
GSM無(wú)線傳輸應(yīng)用在稱重儀表上，主要在短信收發(fā)的控制上，使用較為簡(jiǎn)便。可以通過(guò)使用手機(jī)對(duì)連接有GSM/GPRS模塊且安裝有效SIM卡的稱重儀表發(fā)送短信，儀表接收到短信后進(jìn)行分析處理，判斷是否為預(yù)置手機(jī)號(hào)的有效命令，處理完畢后視情況回復(fù)相應(yīng)的短信，達(dá)到遠(yuǎn)程控
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制、監(jiān)控的效果。
當(dāng)稱重儀表數(shù)量較多，且需要組網(wǎng)使用時(shí)，GSM無(wú)線傳輸就比較難以完成，需要使用GPRS無(wú)線傳輸。
圖3 GPRS DTU的接入方式
每臺(tái)稱重儀表配有安裝有效SIM卡的的GPRS DTU模塊，同時(shí)需要一臺(tái)可以登錄互聯(lián)網(wǎng)，并且通過(guò)外網(wǎng)地址可以訪問(wèn)到的計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)中心。將GPRS DTU模塊通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接至數(shù)據(jù)中心，就可以通過(guò)TCP/UDP協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)中心與DTU間的通訊。雙方將接收到的數(shù)據(jù)包處理后返回，進(jìn)行雙向通訊。數(shù)據(jù)中心可以和多個(gè)DTU同時(shí)進(jìn)行通訊。
也可申請(qǐng)專用的APN，這時(shí)GPRS DTU和數(shù)據(jù)中心只需要接入專網(wǎng)即可使用，不需要連接互聯(lián)網(wǎng)，此時(shí)專網(wǎng)和外網(wǎng)互相無(wú)法訪問(wèn)，安全性更高。但是申請(qǐng)專網(wǎng)需要昂貴的費(fèi)用，如果沒(méi)有特殊要求，使用互聯(lián)網(wǎng)是一種性價(jià)比比較高的方案。
通過(guò)GPRS DTU進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)稱重儀表的物聯(lián)網(wǎng)化，可以說(shuō)是今后發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。我們可以通過(guò)它對(duì)多個(gè)儀表同時(shí)進(jìn)行超遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制。雖然使用GPRS進(jìn)行稱重儀表數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸面臨著使用較復(fù)雜、技術(shù)要求高以及資費(fèi)較高的情況，但如果今后隨著技術(shù)的普及和GPRS，甚至3G資費(fèi)的下降，使用GPRS甚至3G進(jìn)行稱重儀表無(wú)線傳輸，必然會(huì)是很有競(jìng)爭(zhēng)力的方案。
3 結(jié)語(yǔ)
在目前的市場(chǎng)環(huán)境下，普通RF無(wú)線傳輸、Zigbee無(wú)線傳輸、GSM/GPRS無(wú)線傳輸?shù)确绞剑季哂懈髯缘膬?yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。作為稱重儀表廠商，在適和的環(huán)境和成本上綜合考慮，開發(fā)迎合市場(chǎng)需求的無(wú)線稱重儀表，將會(huì)成為接下來(lái)的熱門話題。
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