无线传感器及元器件:网络、设计与应用
5.1.3 特定应用的模块及附加无线通信设备和网络
更新于2009-03-06 09:21:01

5.1.3  特定应用的模块及附加无线通信设备和网络

        模块和附加系统是基于单机模块的集成,如图5-3所示。这种情况下,有模拟信号和数字数据输出的传统设备被连接到一个无线通信设备或射频模块。许多商业上可用的射频模块接受多路模拟或者数字输入并且提供射频输出。射频模块被设计成能接收多种形式的模拟输入,例如4~20mA、直流0~5V、直流0~10V等。在一些情况下,收发机与设备通过中间设施相结合,使设备的信号适于射频传输。其他特殊用途包括数据巡回检测、SCADA、油井、水井、工业厂房、处理厂、能源厂、天然气厂、流量、水面、电压、气流、温度、高低压、张力、液面、倾角计、天然气勘探和加速计。

图5-3一个附加的无线元器件

        无线电频率模块和附加设备以各种方式工作在不同的频率上。这些频率可能是在免许可的ISM频段或其他频段。在当前的应用中,两个标准是特别重要的:蓝牙和IEEE802.11。蓝牙标准在第3章和第4章中已作讲解。由于IEEE802.11的重要性越来越强,所以接下来重点讲解它在特殊场合中的应用。
        基于IEEE802.11的网络和元件设计在免执照的2.4GHz ISM频段工作。FCC规定中陈述了FHSS技术和DSSS技术的使用。FHSS系统的目标是低投入、低功耗、短距离和低数据传输速率应用。DSSS和FHSS技术的应用包括蓝牙、SWAP、DECT和IEEE802.11。DSSS IEEE80211b系统为了实现高速的数据传输速率及长距离的传输,往往需要大功耗。目前IEEE80211 FHSS系统支持的数据传输速率达到1.6Mbit/s,但是需要5MHz信道带宽分配。宽带跳频使速率可以达到10Mbit/s。这将使FHSS系统和目前数据传输速率达到11Mbit/s的DSSS系统竞争。
        对于FHSS,使用2MHz的下保护带和3.5MHz的上保护带,2.4~2.835GHz频段可以被分成75个1MHz信道。所有的FHSS系统都是基于TDMA的,每秒钟的跳频次数由不同的标准确定。蓝牙和DECT使用高斯移频键控(GFSK)的调制方法,而HomeRF和FHSS802.11采用两路和四路的FSK调制,更好地利用了饱和功率放大器提供的更高功效。
        对于FHSS无线通信系统来说,有很多单射频集成电路发射器解决方案。很多收发器在一个芯片上包含了低噪声放大器、功率放大器、功率放大驱动器、压控振荡器(VCO)和倍频器。通常功率放大器集成了一个功率检测器和闭环功率控制器,在所提供的电压、温度和输入功率的全范围内实现几乎恒定的输出功率。一些功率放大器包含模拟增益控制、集成输入匹配和低功率关闭模式。带有附加电路的VCO,例如一个集成振荡回路和片内二极管,为直接跳频应用提供最优线性调制输入。在一些情况下,VCO后的倍频器将低频转换到2.4GHz范围内。
        有些模块用在现有设备上使其具备无线功能,微型信息发射器便是其中一个典型的例子。比如,APT Instruments公司(http://www.aptinstruments.com/) 的DL160系列射频发射器是电池供电大小为54mm×35mm×15mm的设备,能够向连接在计算机串口上的接收天线发送信息;分辨率是16bit,工作在418MHz,信号范围可以达到250m。射频发射器在传感器、监控器、控制器和信息收集器之间提供监控信号和控制信号的无线转换。无线通信系统精简配置,以使其能够避免到达位置和接地回路的问题。该公司提供了7种模型;传感器可以内置,也可以通过螺纹接线端连接。时间抽样信息和日期标记数据被存储在电脑中。Logger使用其内含的与Windows兼容的软件可以被安装在电脑中。大多数的模型都采用NIST的可跟踪标准。        Quatech公司(http://www.quatech.com/)为它生产的用于远程数据采集和信号调理的QTM-8000提供了QTM-8524 DSSS射频调制解调器模块。这个模块使用了高斯最小移频键控(GMSK)调制,工作在2.4GHz频段,并且能够将射频信号转换为串行RS232或者RS-485信号,以与电脑或串行网络通信。数据采集模块的标准集包括一个室内/室外安装在墙上的旋转天线或一个安装在天花板上的天线。这些设备适用于构建个人电脑及PLC间的通信网。QTMSuite软件包含一个可配置I/O参数及可通过网络发送命令的基于Windows的功能体。构建一个无线通信系统至少需要两个QTM-8524模块。在更复杂的应用中,QTMSuite提供一个服务器、32位Windows动态链接库、ActiveX OCX控件、一个通用LabView 虚拟元件库和一个通用的DASYLab。双看门狗保护功能使网络部分失效可能造成的损失最小化。该系统能够同时使用多个模块以不同的信息格式工作在不同的波特率和频率上。对整个系统的控制可以通过PC利用其标准串口实现。
        Otek公司(http://www.otekcorp.com/) 的TR300系列收发机是为个人电脑之间无线通信的即插即用应用而生产的。TR300通过它的串口(RS-232/485/TTL)接收信息、存储信息(达到72字符)、自动转换信息并以19.2kbit/s或115.2bit/s(OOK或ASK调制,工作在ISM频带)发送信息到另一个无线终端,由它接收信息并转换为串行信号。峰值传输功率是1mW。高达15个节点,外加一个控制器通过内建的地址交换来寻址。这些设备同时提供了电脑软件、操作指南和安装指南。
        原始设备制造商(OEM)就是制造设备并将它们卖给经销商的公司。Maxstream公司(http://www.maxstream.net/)的产品就是这些设备中的例子。Maxstream公司的9XTend 射频模块提供256bit AES安全保护。它可以应用在对等、点对点和点对多点通信中。它使用10个跳频信道的FHSS,每个信道在3个网络筛选层上有超过65000个可能的网络地址。主接口波特率在1200~230400bit/s之间变换。包括停止工作引脚、周期休眠和串口休眠在内的多种低功率模式使得电流消耗只有1μA。该设备在9600bit/s下可通信范围高达视距64km,在115200bit/s下可通信范围高达视距32km;在9600bit/s下室内/市区通信距离达到900m,而在115200bit/s下室内/市区通信距离达到450m。它工作电压在2.8~5.5V之间,输出功率为1W。它的功率输出可通过软件调理控制在1mW~1W之间。在9600bit/s时,接收器的灵敏度为-110dBm。

图5-4便携式无线调制解调器

        便携式无线调制解调器,如图5-4所示,代表了一系列能在无线通信网络中应用的产品。Monicor Electronic 公司(http://www.monicor.com/)生产的IC-100MES是一个内置一块镍氢电池的网络无线调制解调器。该调制解调器工作在窄带FM(450~470MHz)上,发射功率为250mW。通过内置一个短天线,通信范围可以达到视距1.6km。外置天线可以使通信范围更大。RS-232接口有可选波特率,单个接口可以以4800bit/s最高速率传输ASCⅡ数据、控制码字和协议比特。主机和基站间的最高数据传输速率可以达到19.2kbit/s,并且使用16位错误检测修正技术。通信协议是基于碰撞检测的扫描序列,或者是与RS422/485兼容的多路广播。便携电脑、笔记本电脑或其他外部设备作为节点的数量最多可以达到99个,并工作在点对点、联网或者多路模式。
        使用2.4GHz的FHSS数据和感知接口系统的Wave-Lynk CT-4000系列是Wave-Lynk Wireless公司(http://www.wave-lynk.com/)的产品,这些产品可以使高速的无线数据应用在业务较多的行业和感知应用方面,而且基站和主机间的视距传输距离可以达到16km。NEMA 4X和IP66-rated设备(其中IP代表Ingress Progress)有10mW和100mW两种可用的版本,并且配备了RS232接口和高阻抗的感知网桥接口。还有使用电池的嵌入式系统的自定义版本。
        Omnispread Communications公司(http://www.omnispread.com/)的Copy Cat数字系统,使用了扩频和无线分组技术,并工作于915MHz频段。每个Copy Cat数字系统都是事先在工厂调整好的即插即用系统。无线分组技术在开始时需要10ms时间来进行命令交换,以降低干扰的可能性。如果发生干扰,系统就进行避退,直到命令交换被正确执行。这个公司还为射频网络提供了类似的产品,例如LAWNII+ starter kit,用在距离达到4.6km的点对点网络。其中包含了两个LAWNII+radios、两个8.5 dB八木天线、低损耗的射频电缆、带有供电设备的数据接口电缆、两件铝制雨衣、LAWN30终端软件和一本手册。
        还有许多其他的设备,专门用于网络的特殊应用。

<<

网友留言