自组网微功率无线通信模块的制作方法
【专利摘要】一种自组网微功率无线通信模块，应用于用电信息采集系统的用电信息采集设备上，在各用电信息采集设备之间组成无线网络，包括壳体和位于其内的PCB通信主板，PCB通信主板包括微处理器MCU控制电路、通用接口电路、收发信电路收发转换开关电路和天线。天线将收到的射频信号经收发转换开关电路送到收发信电路，由其将射频信号调解为数据包送到微处理器MCU控制电路；微处理器MCU控制电路将主体传送的用户用电信息数据送至收发信电路，由其调制为射频信号，发送至射频功率放大电路放大、经低通滤波电路滤波，再送到收发转换开关电路，通过与其连接的天线向空中发送。本实用新型的有益效果是：有效地解决了低发射功率下长距离的用电信息采集问题。
【专利说明】自组网微功率无线通信模块
[0001]【技术领域】 本实用新型涉及专门适用于无线通信网络的设施，特别是涉及适用于“国家电网”的自组网微功率无线通信模块。
[0002]【背景技术】 随着智能电网的推进，用电信息采集系统已经从传统的抄表结算需求向远程管理、远程控制、实时监测等方向发展。对通讯技术的可靠性与实时性要求很高。用电信息采集系统一般包含集中器、采集器和电能表等用电信息采集设备，现有技术电力电网系统的用电统计主体之用电信息采集和传输采用低频段(10(T300kHz)有线载波传输方式，但该技术受电网环境影响大，随着家用电器使用的增加，“电网污染”现象越来越严重，导致采用“有线载波传输方式”的用户用电信息采集和传输的收集和抄录成功率越来越低，其存在的主要问题包括通讯速率低、实时性差、误码率高等等。有时候不得不采用人工收集抄录的方式，原有的智能用电信息收集系统变成了半智能系统，工作效率大打折扣。根据不完全统计，现在的“有线载波传输方式”的抄录成功率在受“电网污染”干扰严重的时候只有80%左右，并且有逐年下降的趋势，当初设计的目标成功率98%以上，现在只有80%，收集抄录成功率下降了近20%左右。
[0003]为解决这一问题，在最新的国家电网公司的用电信息采集系统系列标准中，将微功率无线通讯技术列入，在2005年无线电委员会的《微功率(短距离)无线电设备的技术要求》文件中规定470MHf510MHz为民用无线电计量仪表专用频段，但是允许的发射功率仅为50mW，而实际应用环境中，无线信号因房屋等建筑物的阻挡、金属表箱屏蔽等情况，50mW发射功率的通讯距离太短，不能满足抄表应用需求，现有技术只有通过中继传输方式来提高传输距离，当大面积使用时，中继节点的选择是不可能的，仍需要依靠人工设置来实现。
[0004]实用新型内容本实用新型要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处而提出一种自组网微功率无线通信模块，应用于用电信息采集系统，解决现有技术用电信息采集系统数据信息传输不稳定、效率不高等问题。
[0005]本实用新型为解决上述技术问题而提出的技术方案是，一种自组网微功率无线通信模块，应用于用电信息采集系统的用电信息采集设备上，在各用电信息采集设备之间组成无线网络，包括壳体和位于其内的PCB通信主板，所述PCB通信主板包括微处理器MCU控制电路、通用接口电路、数据存储电路、收发信电路、射频功率放大电路、低通滤波电路、收发转换开关电路、稳压电路和天线；
[0006]所述通用接口电路将其所附着的用电信息采集设备提供的电力送至所述稳压电路，经该稳压电路处理后分别向各电路供以适配的电力；所述通用接口电路还与微处理器MCU控制电路之间联接有用于数据传输的数据线；
[0007]所述天线将收到的射频信号经收发转换开关电路送到收发信电路，由收发信电路将射频信号调解为数据包再送到所述微处理器MCU控制电路；
[0008]所述微处理器MCU控制电路处理接收到的数据包，将其送至数据存储电路中，或通过通用接口电路送至所附着的主体中，或通过通用接口电路将主体传送的用户用电信息数据打包为数据包送至所述收发信电路，并发送控制信号至收发转换开关电路使其转换为发送状态；[0009]所述收发信电路23)将接到的数据包调制为射频信号，发送至射频功率放大路电路放大、再经低通滤波电路滤除高次谐波，再送到收发转换开关电路，通过与该收发转换开关电路连接的天线向空中发送。
[0010]所述PCB通信主板(2)还包括与微处理器MCU控制电路连接、并向其提供复位电平的看门狗电路。
[0011]所述通用接口电路包括与用电信息采集设备的接口适配的排针J2，所述壳体设有令该排针J2伸出的开口，该排针J2将用电统计装置提供的12V供电送至所述稳压电路。
[0012]所述微处理器MCU控制电路的微处理器集成电路U2是采用ARM平台的STM32F103系列，所述微处理器集成电路U2的ΡΑTΡΑ7和PCO脚连接到所述收发信电路，所述微处理器集成电路U2的PA14和PA15脚接入收发转换开关电路，所述微处理器集成电路U2的ΡΒ10-Ρ11与所述数据存储电路连接，所述述微处理器集成电路U2的ΡΑ0、Η)2、ΡΑ9和PClO脚接入通用接口电路。
[0013]所述稳压电路包括三端稳压器Q1、稳压集成电路U4;所述通用接口电路送来的电压Vl输入至所述三端稳压器Ql的输入端，所述三端稳压器Ql的输出端输出+5V的输出电压，该+5V的输出电压分别送至稳压集成电路U4的输入端和向射频功率放大路电路供电；所述稳压集成电路U4将输入端的电压+5V转换成+3.3V的输入电压，向与其连接的所述微处理器MCU控制电路、数据存储电路、收发信电路、低通滤波电路和收发转换开关电路供电。
[0014]所述收发信电路的收发信集成电路Ul采用SI4432，其RX-P和RX-N脚与收发转换开关电路连接；该收发信集成电路Ul的NIRQ、NSEL, SCLK, SDI和SDO与所述微处理器MCU控制电路连接，该收发信集成电路Ul的TX脚与射频功率放大路电路(24)连接。
[0015]所述射频功率放大电路包括N沟道绝缘栅型场效应管Q3、三极管Q5、Q6 ;所述三极管Q5的集电极通过电阻Rl 13和Rl 18接入N沟道绝缘栅型场效应管Q3的栅极，该三极管Q5的基极经电阻R36接入三极管Q2的集电极；所述收发信电路送来的射频信号接入N沟道绝缘栅型场效应管Ql的栅极，N沟道绝缘栅型场效应管Q3的漏极接入所述低通滤波电路。
[0016]所述低通滤波电路包括电感L9~L11和电容C41、C43和C34构成的滤波电路。
[0017]所述数据存储电路包括电可擦可编程只读存储器U3，该电可擦可编程只读存储器U3的SDA和SCL脚与所述微处理器MCU控制电路连接。
[0018]所述收发转换开关电路包括收发转换开关集成电路U7，该收发转换开关集成电路U7的ANT2与天线连接，该收发转换开关集成电路U7的RX脚与与天线连接收发信电路连接，该收发转换开关集成电路U7的TX脚与所述低通滤波电路连接。
[0019]同现有技术相比较，本实用新型的有益效果是:有效地解决了低发射功率下长距离的用电信息采集问题；它能自动搜索组网形成路由，无需人工配置路由表；具有自动频率组选择的避让干扰的自适应能力；能将上下行通讯使用不同频点，防止自身干扰，提高了系统的可靠性；其路由表不是单一的，集中器与目标节点之间有多条路径，当某路径出现问题时，能自动选择备用路径 ，具有较好的防故障能力。
[0020]【专利附图】
【附图说明】图1是本实用新型自组网微功率无线通信模块的所述PCB通信主板2优选实施例的逻辑结构示意框图；[0021]图2是所述优选实施例中微处理器MCU控制电路20的原理电路图；
[0022]图3是所述优选实施例中通用接口电路21的原理电路图；
[0023]图4是所述优选实施例中数据存储电路22的原理电路图；
[0024]图5是所述优选实施例中收发信电路23的原理电路图；
[0025]图6是所述优选实施例中射频功率放大电路24和低通滤波电路25的原理电路图；
[0026]图7是所述优选实施例中收发转换开关电路26、稳压电路27和天线28的示意电路图；
[0027]图8是所述优选实施例中看门狗电路29的不意电路图；
[0028]图9是所述优选实施例的自组网微功率无线通信模块应用于用电信息采集系统时的未组网之示意图；
[0029]图10是所述优选实施例的自组网微功率无线通信模块应用于用电信息采集系统时的正在组网中之示意图；
[0030]图11是所述优选实施例的自组网微功率无线通信模块应用于用电信息采集系统时的组网后的不意图。
[0031]【具体实施方式】 下面，结合附图所示之优选实施例进一步阐述本实用新型。
[0032]参见图1，本实用新型之优选实施例是一种自组网微功率无线通信模块，应用于用电信息采集系统的用电信息采集设备上，在用电信息采集设备之间组成无线网络，包括壳体和位于其内的PCB通信主板2，所述PCB通信主板2包括微处理器MCU控制电路20、通用接口电路21、数据存储电路22、收发信电路23、射频功率放大电路24、低通滤波电路25、收发转换开关电路26、稳压电路27和天线28 ；
[0033]所述通用接口电路21将其所附着的用电信息采集设备提供的12V电源送至所述稳压电路27，经该稳压电路27处理后分别向各电路供以适配的电力；所述通用接口电路21还与微处理器MCU控制电路20之间联接有用于数据传输的数据线；
[0034]所述天线28将收到射频信号经收发转换开关电路26送到收发信电路23，由收发信电路23将将射频信号解调为数据包再达到所述微处理器MCU控制电路20 ；
[0035]所述微处理器MCU控制电路20处理接到的数据包，将其送至数据存储电路22中，或通过通用接口电路21送至所附着的主体中，或通过通用接口电路21将主体传送的用户数据打包为数据包送至所述收发信电路23，并发送控制信号至收发转换开关电路26使其转换为发送状态；
[0036]所述收发信电路23将接收到的数据包调制为射频信号，发送至射频功率放大路电路24放大、再经低通滤波电路25滤除高次谐波，再送到收发转换开关电路26，通过与该收发转换开关电路26连接的天线28向空中发送。此外，还有与微处理器MCU控制电路20连接的看门狗电路29，当所述自组网微功率无线通信模块在刚通电开机时，如果其软件系统没有正常运行，则该看门狗电话29重新提供以一次复位电平至所述微处理器MCU控制电路20中，使用软件系统可靠运行。如图1所示，微处理器MCU控制电路20还连接有LED指示电路，以表明本模块的工作状态。
[0037]参见图2，本例中，所述微处理器MCU控制电路20的微处理器集成电路U2是采用ARM平台的STM32F103系列，该芯片具有32位的RISC内核，工作频率可达72MHz，128K的高速存储器，低功耗工作模式。所述微处理器集成电路U2的ΡΑ4~ΡΑ7和PCO脚连接到所述收发信电路23，所述微处理器集成电路U2的PA14和PA15脚接入收发转换开关电路26，所述微处理器集成电路U2的ΡΒ10-Ρ11与所述数据存储电路22连接，所述述微处理器集成电路U2的PAO、PD2、ΡΑ9和PClO脚接入通用接口电路21。
[0038]参见图3，本例中，所述通用接口电路21包括与用电数据统计装置的接口适配的排针J2，所述壳体I设有令该排针J2伸出的开口，该排针J2将用电统计装置提供的12V供电送至所述稳压电路27。
[0039]参见图4，本例中，所述数据存储电路22包括电可擦可编程只读存储器U3，该电可擦可编程只读存储器U3的SDA和SCL脚与所述微处理器MCU控制电路20连接。当系统停电，所有需要存储的数据信息都将电可擦可编程只读存储器U3中保存；当自组网微功率无线通信模块担当路邮工作时，所有接收到的数据包在未转发前都存储在数据存储单元。
[0040]参见图5，本例中，所述收发信电路23的收发信集成电路Ul采用SI4432，其RX-P和RX-N脚与收发转换开关电路26连接；该收发信集成电路Ul的NIRQ、NSEL、SCLK、SDI和SDO与所述微处理器MCU控制电路20连接，该收发信集成电路Ul的TX脚与射频功率放大路电路24连接。
[0041]参见图6,本例中所述射频功率放大路电路24包括N沟道绝缘栅型场效应管Ql、三极管Q5、Q2 ;所述三极管Q5的集电极C通过电阻R113和R118接入N沟道绝缘栅型场效应管Ql的栅极，该三极管Q5的基极经电阻R36接入三极管Q2的集电极；所述收发信电路23送来的射频信号接入N沟道绝缘栅型场效应管Ql的栅极，N沟道绝缘栅型场效应管Ql的漏极接入所述低通滤波电路25。所述低通滤波电路25包括电感LfLll和电容C41、C43和C34构成的滤波电路，由所述射频功率放大路电路24送至射频信号经滤波电路处理后，被送至收发转换开关路。
[0042]参见图7，所述收发转换开关电路26包括收发转换开关集成电路U7，该收发转换开关集成电路U7的ANT2与天线28连接，该收发转换开关集成电路U7的RX脚与与天线28连接收发信电路23连接，该收发转换开关集成电路U7的TX脚与所述低通滤波电路25连接。
[0043]本例中所述稳压电路27包括三端稳压器Q1、稳压集成电路U4;所述通用接口电路21送来的电压Vl输入至所述三端稳压器Ql的输入端，所述三端稳压器Ql的输出端输出+5V的输出电压，该+5V的输出电压分别送至稳压集成电路U4的输入端和向射频功率放大路电路24供电；所述稳压集成电路U4将输入端的电压+5V转换成+3.3V的输入电压，向与其连接的所述微处理器MCU控制电路20、数据存储电路22、收发信电路23、低通滤波电路
25、和收发转换开关电路26供电。
[0044]本例中，自组网微功率无线通信模块的工作指标为:
[0045]I)空中波特率:默认 10Kbps, 1200bps ~200Kbps
[0046]2)接收灵敏度:优于 _112dBm (BER=0.1%，IOkbps)
[0047]3)工作频段:470MHz ~5IOMHz
[0048]4)信道频率间隔:200kHz
[0049]5)天线:阻抗50 Ω，接头SMA
[0050]6)供电电压:+I2VDC[0051]7)工作电流:发送电流≤300mA ;静态电流≤50mA
[0052]8)发射功率:≤17dBm
[0053]9)发射持续时间:≤200ms
[0054]参见图9至图11，对本实用新型自组网微功率无线通信模块在用电信息采集系统中的使用加以说明，将自组网微功率无线通信模块通过接口电路21安插在用电信息采集系统的集中器91、采集器或电能表92~98上，就形成了微功率无线集中器、采集器或电能表，该系统中只有一个集中器，其它的皆为采集器或电能表；系统使用470.2MHz~488.4MHz频段，共划分总共31个频率组，包括I个公共频率组和30个工作频率组，O号频率组用于组网维护，I~30频率组用于抄表等应用。
[0055]参见图9，在系统组网前，微功率无线集中器91和微功率无线采集器或电能表92~98之间没有任何联系。此时，所有的微功率无线采集器或电能表通过O号频率组向微功率无线集中器91间歇性的发送信标帧，微功率无线集中器91根据收到的信标数据和信号强度确定邻居节点，将满足信号强度指标的邻居节点标记为子节点，如图10中的采集器或电能表92、93和94为节点。
[0056]微功率无线集中器确定了一级子节点后，再逐个获取一级子节点的邻居节点，去除信号强度不满足要求的邻居节点作为二级子节点。
[0057]微功率无线集中器91确定了二级子节点后，再逐个获取二级子节点的邻居节点，去除信号强度不满足要求的和已经注册的一级子节点，其余的作为三级子节点。依此方式，逐次搜索下一级子节点，直到搜索不到新的子节点，此时组网完成。
[0058]参见图11，组网后的各节点与微功率无线集中器I之间可能存在多条路径，如图11 中，91 至Ij 95 的路径有 91-92-95、91-93-95 和 91-93-92-95 三条。
[0059]组网后，各节点可能在A路径中一级子节点，在B路径中是二级子节点或其它级子节点，如图Ι-c中，节点92可能是一级或二级子节点,节点95可能是二级或三级子节点,节点98可能是二级或三级或四级子节点。
[0060]组网完成后，微功率无线集中器91根据信号强度、最短路径对各路由进行综合分析，对到各节点的路由进行排序，形成每个节点的路由表。并通过O号频率组将此路由表传给相应的微功率无线采集器或电能表92~98保存。
[0061]组网完成并将路由表传给各微功率无线采集器或电能表92~98后，微功率无线集中器I侦测I~30号频率组，判断对应频点的干扰信号强度，然后选择一个频率组作为数据通讯的频率组，此频率组的编号则通过O号频率组发送给各微功率无线采集器或电能表92~98。然后用选定的频率组与各微功率无线采集器或电能表92~98进行通讯，实现用电信息的采集。
[0062]在应用中若发现选定的频率组干扰较大、通讯效果差，微功率无线集中器I可随时修改通讯频率组，通过O号频率组发给各微功率无线采集器或电能表92~98，以避开干扰。
[0063]以电网集中器91为例，说明本自组网微功率无线通信模块接收信号时工作方式:天线接收到的射频信号首先送到收发转换开关电路，当模块处于接收模式时，收发转换开关电路开通接收信号通路，将射频信号送到收发信电路的收发信集成电路Ul (本例中Ul采用SI4432_的3脚接收信号输入端，然后送到收发信集成电路Ul内部进行低噪声放大、零中频混频、中频滤波、GFSK解调等过程，将射频信号还原成数据包，这个数据包通过收发信集成电路和微处理器集成电路U2连接的串口数据线送到该微处理器集成电路U2，由其将数据包进行处理，取出用户用电信息数据，用户用电信息数据通过通用接口电路送到电网集中器本体中。
[0064]再以电网单相电能表为例说明本自组网微功率无线通信模块发送信号时工作方式:
[0065]当电网单相电能表本体收到电网集中器发送的数据请求后，电网单相电能表的自组网微功率无线通信模块的微处理器集成电路U2通过通用接口的排针J2从电网单相电能表本体读取用户用电信息数据，然后将其加上前导码和同步码，再将其打包成数据包，这个数据包通过串口数据线送到收发信电路的收发信集成电路Ul的调制电路进行调制，调制方式为(GFSK)高斯滤波移频键控调制方式，调制后的已调制中频信号送到收发信机内部的发射混频电路。
[0066]收发信机内部的发射混频电路的任务是将已调制中频信号和本地振荡信号进行混频，将已调制中频信号变换成UHF高频载波信号，再将UHF高频信号送到收发信机内部的发射射频驱动放大电路和射频功率放大电路进行放大，信号幅度达到17dBm ,这个信号从收发信集成电路Ul的2脚输出，再送到UHF射频功率放大器电路的缘栅型场效应管Q3 (型号:2SK3078A)，UHF高频载波信号经过UHF射频功率放大器放大后送到低通滤波器电路，本例中低通滤波器由电感L9、LlO和Lll组成，UHF高频载波信号经低通滤波器滤除高次谐波后，再送到收发转换开关关集成电路U7 (型号:UPG2164)，当此时自组网微功率无线通信模块处于发射模式时，收发转换开关开通发射信号通路，将UHF高频载波信号送到天线，天线将UHF高频载波信号转换成电磁波向空中发射。
【权利要求】
1.一种自组网微功率无线通信模块，应用于用电信息采集系统的用电信息采集设备上，在各用电信息采集设备之间组成无线网络，其特征在于: 包括壳体和位于其内的PCB通信主板(2)，所述PCB通信主板(2)包括微处理器MCU控制电路(20)、通用接口电路(21)、数据存储电路(22)、收发信电路(23)、射频功率放大电路(24)、低通滤波电路(25)、收发转换开关电路(26)、稳压电路(27)和天线(28)； 所述通用接口电路(21)将其所附着的用电信息采集设备提供的电力送至所述稳压电路(27)，经该稳压电路(27)处理后分别向各电路供以适配的电力；所述通用接口电路(21)还与微处理器MCU控制电路(20)之间联接有用于数据传输的数据线； 所述天线(28)将收到的射频信号经收发转换开关电路(26)送到收发信电路(23)，由收发信电路(23)将射频信号调解为数据包再送到所述微处理器MCU控制电路(20)； 所述微处理器MCU控制电路(20 )处理接到的数据包，将其送至数据存储电路(22 )中，或通过通用接口电路(21)送至所附着的主体中，或通过通用接口电路(21)将主体传送的用户用电信息打包为数据包送至所述收发信电路(23)，并发送控制信号至收发转换开关电路(26)使其转换为发送状态； 所述收发信电路(23)将接到的数据包调制为射频信号，发送至射频功率放大路电路(24)放大、再经低通滤波电路(25)滤除高次谐波，再送到收发转换开关电路(26)，通过与该收发转换开关电路(26)连接的天线(28)向空中发送。
2.按照权利要求1所述的自组网微功率无线通信模块，其特征在于:还包括与微处理器MCU控制电路(20)连接、并向其提供复位电平的看门狗电路(29)。
3.按照权利要求1所述的自组网微功率无线通信模块，其特征在于: 所述通用接口电路(21)包括与用电数据统计装置的接口适配的排针J2，所述壳体(1)设有令该排针J2伸出的开口，该排针J2将用电统计装置提供的12V供电送至所述稳压电路(27)。
4.按照权利要求1所述的自组网微功率无线通信模块，其特征在于: 所述微处理器MCU控制电路(20)的微处理器集成电路U2是采用ARM平台的STM32F103系列，所述微处理器集成电路U2的ΡΑ4~ΡΑ7和PCO脚连接到所述收发信电路(23)，所述微处理器集成电路U2的PA14和PA15脚接入收发转换开关电路(26 )，所述微处理器集成电路U2的ΡΒ10-Ρ11与所述数据存储电路(22)连接，所述述微处理器集成电路U2的ΡΑ0、PD2,ΡΑ9和PClO脚接入通用接口电路(21)。
5.按照权利要求1所述的自组网微功率无线通信模块，其特征在于: 所述稳压电路(27)包括三端稳压器Q1、稳压集成电路U4;所述通用接口电路(21)送来的电压Vl输入至所述三端稳压器Ql的输入端，所述三端稳压器Ql的输出端输出+5V的输出电压，该+5V的输出电压分别送至稳压集成电路U4的输入端和向射频功率放大路电路(24)供电； 所述稳压集成电路U4将输入端的电压+5V转换成+3.3V的输入电压，向与其连接的所述微处理器MCU控制电路(20)、数据存储电路(22)、收发信电路(23)、低通滤波电路(25)和收发转换开关电路(26)供电。
6.按照权利要求1所述的自组网微功率无线通信模块，其特征在于: 所述收发信电路(23)的收发信集成电路Ul采用SI4432，其RX-P和RX-N脚与收发转换开关电路(26)连接；该收发信集成电路Ul的NIRQ、NSEL, SCLK, SDI和SDO与所述微处理器MCU控制电路(20)连接，该收发信集成电路Ul的TX脚与射频功率放大路电路(24)连接。
7.按照权利要求1所述的自组网微功率无线通信模块，其特征在于: 所述射频功率放大电路(24)包括N沟道绝缘栅型场效应管Q3、三极管Q5、Q6 ;所述三极管Q5的集电极通过电阻R113和R118接入N沟道绝缘栅型场效应管Q3的栅极，该三极管Q5的基极经电阻R36接入三极管Q2的集电极；所述收发信电路(23)送来的射频信号接入N沟道绝缘栅型场效应管Ql的栅极，N沟道绝缘栅型场效应管Q3的漏极接入所述低通滤波电路(25)。
8.按照权利要求1所述的自组网微功率无线通信模块，其特征在于: 所述低通滤波电路(25)包括电感L9~L11和电容C41、C43和C34构成的滤波电路。
9.按照权利要求1所述的自组网微功率无线通信模块，其特征在于: 所述数据存储电路(22 )包括电可擦可编程只读存储器U3，该电可擦可编程只读存储器U3的SDA和SCL脚与所述微处理器MCU控制电路(20 )连接。
10.按照权利要求1所述的自组网微功率无线通信模块，其特征在于: 所述收发转换开关电路(26)包括收发转换开关集成电路U7,该收发转换开关集成电路U7的ANT2与天线(28)连接，该收发转换开关集成电路U7的RX脚与天线(28)连接收发信电路(23)连接，该收发转换开关`集成电路U7的TX脚与所述低通滤波电路(25)连接。
【文档编号】G08C17/02GK203444631SQ201320398744
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年7月5日 优先权日:2013年7月5日
【发明者】尹本勋, 李春晖, 龙翔林 申请人:锐拔科技（深圳）有限公司