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無線傳輸在稱重儀表系統(tǒng)中的應(yīng)用
【摘 要】 隨著國內(nèi)稱重儀表市場的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)臺秤儀表、汽車衡儀表的競爭已經(jīng)達到白熱化程度，許多客戶也對稱重儀表及其系統(tǒng)提出了更高的要求。其中數(shù)據(jù)集中管理、遠程監(jiān)控等需求尤為突出。本文主要討論了通過使用普通RF無線傳輸、Zigbee無線傳輸、GSM/GPRS無線傳輸?shù)确绞剑瑢⒎Q重儀表、秤臺、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，以及大屏幕顯示等附件遠程緊密連接的方案。
1.1. 稱重儀表行業(yè)背景
近十年來，隨著國內(nèi)生產(chǎn)力的發(fā)展，中國的衡器儀表行業(yè)產(chǎn)生了巨大的變化。從十幾年前國內(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、制造符合國家對稱重儀表精度、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、制造一部分外觀、性能能與發(fā)達國家同行相媲美的稱重儀表，且在成本上能達到合理控制，性價比較高，得到國內(nèi)外客戶一致好評。如上海耀華稱重有限公司的XK-3190系列等。
但是目前國內(nèi)大部分稱重儀表用戶在技術(shù)方面還相對落后，因此國內(nèi)稱重儀表市場主要還集中在普通計價計數(shù)臺秤、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、開關(guān)量輸出、上下限報警等方面。
然而近幾年市場不斷拓寬，隨著稱重儀表用戶企業(yè)的規(guī)模擴大、產(chǎn)品復(fù)雜度增加、管理體系日趨完善的情況下，對稱重儀表及其系統(tǒng)的各種新的要求也不斷提出，其中數(shù)據(jù)集中管理、遠程監(jiān)控等需求尤為突出。
1.2. 無線傳輸在稱重儀表系統(tǒng)中意義
目前市場情況下，大部分稱重儀表還是單獨使用，各儀表間聯(lián)系不是很緊密。在需要將秤臺進行數(shù)據(jù)處理的時候，常常通過類似于使用電流環(huán)方式將儀表與大屏幕連接，使用RS-232方式將單臺儀表與計算機近距離連接，或使用RS-485方式將多臺儀表與計算機連接。這種常規(guī)的連接方式中有以下幾點不便之處：
a）稱重儀表與計算機及其他附件之間的連接需要布線，布線的隱蔽性和維護方便性之間難以取舍。
b）各種接口對連線的長度及負載的個數(shù)都有要求，且還要考慮負載能力的情況。
c）布線較長時容易受到現(xiàn)場環(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。
因此無線傳輸在距離較遠、負載較多、環(huán)境較惡劣的情況下，對比常規(guī)布線方式有著很大的優(yōu)勢。
而且，最近我國工信部提出了物聯(lián)網(wǎng)的“十二五”發(fā)展規(guī)劃，對我國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展高度重視。無線物聯(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 稱重儀表與無線傳輸
2.1. 簡述
目前，稱重儀表行業(yè)中，有多種無線傳輸方式并存。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使用普通RF無線傳輸、Zigbee無線傳輸、GSM/GPRS無線傳輸?shù)确绞剑瑢⒎Q重儀表、秤臺、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，以及大屏幕顯示等附件遠程緊密連接的方案。
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2.2. 普通RF無線傳輸
射頻即Radio Frequency，通常縮寫為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，電磁波會被地表吸收，不能形成有效的傳輸，但電磁波頻率高于100khz時，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，形成遠距離傳輸能力，我們把具有遠距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻，射頻技術(shù)在無線通信領(lǐng)域中被廣泛使用。
本文所說的普通RF無線傳輸，即指在國內(nèi)常用的433Mhz頻段附近，采用透明傳輸方式進行的無線傳輸。目前有市場上已經(jīng)有不少產(chǎn)品使用了普通RF無線傳輸方案，如吊鉤秤、無線大屏幕、無線秤臺等。上海耀華稱重系統(tǒng)也擁有XK-3190 DS3無線儀表，可以通過普通RF無線傳輸?shù)姆绞剑瑢?shù)字傳感器組成的秤臺、無線數(shù)字稱重儀表、計算機、無線大屏幕結(jié)合一起進行無線組網(wǎng)通訊，滿足大部分客戶的需求。
圖1 使用RF無線傳輸?shù)姆绞降姆Q重儀表
普通RF無線傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方式較為簡單，大多是通過GFSK高斯頻移鍵控，在調(diào)制之前通過一個高斯低通濾波器來限制信號的頻譜寬度，再通過FSK頻移鍵控，利用載波的頻率變化進行數(shù)字調(diào)制，來傳遞數(shù)字信息。使用方法也比較簡單，一般都是通過選擇信道，及選擇配對的頻率，即可進行配對無線傳輸。
普通RF無線傳輸有以下特點：
a）傳輸距離可以在空曠地帶、附近無同頻干擾源及較大干擾的情況下，傳輸距離可達一至兩千公里。基本可以滿足大部分客戶需求，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）使用國內(nèi)常用的433Mhz免費頻段，不需額外申請，但該頻段使用者較為集中，再加上頻點較窄，較難做到防碰撞，且頻點漂移現(xiàn)象較為嚴重，在密集使用情況下串頻、誤碼率較高。
d）系統(tǒng)價格低廉，后續(xù)維護費用低。
可見普通RF無線傳輸在適合在普通中等距離情況下及非密集使用場所下應(yīng)用時，性價比較為突出。
2.3. Zigbee
無線傳輸Zigbee無線傳輸也是一種RF無線傳輸方式。
Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說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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主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，Zigbee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。
Zigbee采用DSSS直接序列擴頻通信技術(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頻信號，即將原來較高功率、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)功能強大，可以通過預(yù)先對各節(jié)點身份進行定義，運行后能自動組建網(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)雜拓撲結(jié)構(gòu)，并能自動尋找最近的路徑進行數(shù)據(jù)傳輸。
圖2 Zigbee的組網(wǎng)功能
Zigbee與普通RF無線傳輸方式相比，有以下特點：
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具有進行自動組網(wǎng)功能，在使用密集的情況下可以自動尋找路徑將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康墓?jié)點。
b）自動組網(wǎng)使用方便，且在節(jié)點變動時能自動調(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免費頻段，頻點相對433M較寬，防碰撞機制較為完善，使用穩(wěn)定。
d）系統(tǒng)價格較為低廉，后續(xù)維護費用低。
因此，Zigbee無線傳輸方式適合在節(jié)點較為密集、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的環(huán)境下使用，如集貿(mào)市場、生產(chǎn)車間、倉庫等地方使用。
2.4. GSM/GPRS無線傳輸
GSM全球移動通信系統(tǒng)，俗稱全球通是世界上主要的蜂窩系統(tǒng)之一，主要承載語音業(yè)務(wù)和短信業(yè)務(wù)。
GPRS通用分組無線業(yè)務(wù)，是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。所謂的分組交換就是將數(shù)據(jù)分裝成許多獨立的數(shù)據(jù)包進行傳輸，并且可以按照傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量計價(而非占線時間)，可以同時處理語音業(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)互相獨立，互不影響。GPRS是一種高速、高效的無線系統(tǒng)，我們可以通過GPRS訪問互聯(lián)網(wǎng)。GPRS具有“永遠在線”、“自如切換”、“高速傳輸”、“按需計費”等特點。
GSM/GPRS可以在移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方進行連接，應(yīng)此應(yīng)用在稱重儀表上，可以達到超遠距離傳輸、控制的效果。
GSM無線傳輸應(yīng)用在稱重儀表上，主要在短信收發(fā)的控制上，使用較為簡便。可以通過使用手機對連接有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行分析處理，判斷是否為預(yù)置手機號的有效命令，處理完畢后視情況回復(fù)相應(yīng)的短信，達到遠程控
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制、監(jiān)控的效果。
當稱重儀表數(shù)量較多，且需要組網(wǎng)使用時，GSM無線傳輸就比較難以完成，需要使用GPRS無線傳輸。
圖3 GPRS DTU的接入方式
每臺稱重儀表配有安裝有效SIM卡的的GPRS DTU模塊，同時需要一臺可以登錄互聯(lián)網(wǎng)，并且通過外網(wǎng)地址可以訪問到的計算機作為數(shù)據(jù)中心。將GPRS DTU模塊通過互聯(lián)網(wǎng)連接至數(shù)據(jù)中心，就可以通過TCP/UDP協(xié)議，進行數(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，進行雙向通訊。數(shù)據(jù)中心可以和多個DTU同時進行通訊。
也可申請專用的APN，這時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)，此時專網(wǎng)和外網(wǎng)互相無法訪問，安全性更高。但是申請專網(wǎng)需要昂貴的費用，如果沒有特殊要求，使用互聯(lián)網(wǎng)是一種性價比比較高的方案。
通過GPRS DTU進行無線組網(wǎng)連接，實現(xiàn)稱重儀表的物聯(lián)網(wǎng)化，可以說是今后發(fā)展的一個趨勢。我們可以通過它對多個儀表同時進行超遠程監(jiān)測、控制。雖然使用GPRS進行稱重儀表數(shù)據(jù)無線傳輸面臨著使用較復(fù)雜、技術(shù)要求高以及資費較高的情況，但如果今后隨著技術(shù)的普及和GPRS，甚至3G資費的下降，使用GPRS甚至3G進行稱重儀表無線傳輸，必然會是很有競爭力的方案。
3 結(jié)語
在目前的市場環(huán)境下，普通RF無線傳輸、Zigbee無線傳輸、GSM/GPRS無線傳輸?shù)确绞剑季哂懈髯缘膬?yōu)勢和劣勢。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)迎合市場需求的無線稱重儀表，將會成為接下來的熱門話題。
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