短距离无线数据通信技术在计量检测中的应用

【摘 要】 短距离无线数据通信技术在计量检测工作中的应用是指用无线电波代替导线传送仪器计量检测得到的各种数据。避免连接检测用的导线、电缆，不仅费时、费力，可靠性低，同时由于检测人员在现场内操作，极容易产生影响现场状态等弊端。因此，提高计量检测工作质量和可操作性，特别是在恶劣环境中或密闭条件下进行检测时，更能显示出其独有的、不可替代的优越性。

【关键词】 短距离无线数据通信技术 计量检测 应用

1 短距离无线数据通信的特点

短距离无线数据通信主要有以下几个特点：一是短距离，一般在几百米之内；二是发射功率低，一般在10dbm以内；三是传输速率低，一般在250kbps以下；四是功耗低，一副5号电池使用时间一般在3个月以上。

短距离无线数据通信一般使用单片数字信号射频收发芯片与少量外围元件构成的无线收发模块，也有的使用单片数字信号射频收发芯片与单片机及外围电路一起构成的专用无线通信模块。一般射频芯片采用FSK（移频键控）调制方式，工作于ISM（工业、医疗、科研）免许可证频段。中国目前可以使用的ISM频段是433MHz和2.4GHz。无线收发通信模块包含简单、透明的数据传输协议，用户无须对无线通信原理有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现无线数据传输功能。开发简单快速、应用广泛是它的突出优点。由于数据传输率低、流量小、功耗低，用它组建小型无线网络，更适合应用在计量检测工作中。这和Wi-Fi网络、蓝牙网络具有较高传输率及较大流量不同，更接近ZigBee网络，但实现起来比ZigBee网络更简单。

2 计量检测领域应用

笔者研制的冬季供暖室内温度检测装置，在冬季供暖期间室内温度的检测中，做到了检测时间内，现场无人、连续测量、读数准确。解决使用普通温度计、人员停留在现场（检测双方往往对这样的检测数据争议较大）的传统检测方法有失准确的问题，取得了较好的效果。

该装置是由5个测温发送节点和1个接收主机组成的短距离无线数据通信网。检测时，将测温发送节点布放在室内规定的位置，在室外或隔壁房间，用接收主机接收、显示、记录测温发送节点发送的温度数据。

冬季供暖室内温度检测装置选用的无线收发模块是nRF905。该芯片是挪威Nordic公司生产的单片无线收发器，可工作于433、868、915MHz3个ISM频段。考虑到接收主机与测温发送节点之间有墙壁阻隔，冬季供暖室内温度检测装置采用了电波穿墙能力较强的433MHz频段，这也是选用nRF905的主要原因。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能组成，具有良好的通信效果。nRF905使用SPI接口可以和任何单片机（MCU）通信，地址、输出功率和通信频道可以通过程序配置。nRF905可以自动处理数据包字头，内置CRC校验功能，确保了数据传输的可靠。nRF905四种工作方式如表1所示。

表1 nRF905四种工作方式

在大空间环境温湿度检测中，传统的检测方法是使用铂电阻，用导线连接一次传感器和测温装置中的二次仪表进行检测。当使用的传感器较多时，不仅布线复杂、工作量大，而且可靠性低，难以保证检测质量。笔者研制的环境温湿度无线自动检测系统，应用短距离无线数据通信技术，圆满地解决了这个问题。

环境温湿度无线自动检测系统以小型短距离无线数据通信网为基础，包括1个接收主机、3个测湿节点和15个测温节点。系统同样选用了nRF905无线收发模块，工作在433MHz免执照频段（ISM频段），采用轮询应答方式和频分多址（FDMA）技术工作，有效避免了数据包在大气中碰撞，使系统工作稳定、可靠。无线测温结构如图1所示。

图1 无线测温示意图

节点由nRF905无线收发模块、温（湿）度传感器和单片机（MCU）构成。接收主机由nRF905无线收发模块、单片机 （MCU）、实时时钟芯片（RTC）和非易失性存储器（EEPROM）构成。18个节点（包括3个测湿节点）每个节点分配有一个地址和一个频道，这些地址互不相同，每个频道在频域上互不重叠。工作时，18个节点启动以后均保持静默，等候主机轮询，接到主机的轮询信息后，判断与本节点地址相同则立即应答，将本节点的测量数据发送给接收主机。接收主机由单片机（MCU）控制，工作于跳频状态，依次跳转到各个节点的频道上，发送轮询信息，接收节点发回的温湿度和电源电压数据，显示各个节点的工作状态。接收主机可以根据需要自动或人工记录节点发回的测量数据，也可以通过数据线连接计算机（PC），向计算机发送节点的测量数据，通过上位机软件现场显示、分析。接收主机存储的记录可用上位机软件读出、显示、分析、计算。还可以由上位机软件生成记录数据文件、按校准规范计算的结果文件及生成检测报告。温湿度测量端如图2所示。

图2 温湿度测量端

在实际使用时，可按用户要求，将15个测温节点和3个测湿节点布放在不同的空间层次上，测湿节点可布放在空间的中心。接收主机可以安放在空间内，也可以安放在空间外的其他房间，还可以连接上位机，检测、记录和监测同时进行。上位机软件设定端如图3所示。

图3 上位机软件

经过一年多的实际使用，无线通信技术的应用对大空间环境温湿度检测时的优越性非常明显。可降低工作强度，节约时间，提高效率，保证检测质量。

3 结束语

目前，计量检测工作应用短距离无线数据通信的状况，可以普遍的运用于压力、流量、温度等领域。短距离无线数据通信技术，将会解决计量检测中“在线”检测的难题，将会推动计量测试工作进一步的发展，具有广阔的应用前景。

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