一种基于wia-pa的无线网关及其通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种WIA-PA无线网关，具体地说是一种用于石油行业、基于WIA-PA协 议，通过无线方式与RTU及其所管理的仪表进行通信，同时实现网络协议转换的无线网关 及其通信方法。
【背景技术】
[0002] 在石油行业的油气物联网中，绝大多数采用zigbee技术，一般情况下RUT(抽油井 控制器)与无线仪表之间采用zigbee技术进行传输，RTU将接收到的数据进行解调，解调后 将数据根据相关协议通过RS-232电平传输给数传模块，数传模块将数据调制后进行无线 传输；
[0003]目前油气物联网一般采用2.4GHz自由频段，该频段为免费自由频段，各大运营商 均已大规模商用WLAN覆盖，为了达到高速率要求，室外WLAN信号发射一般为2W，而且部分 油田米用WLAN作为主干网传输，要求空间WLAN信号幅度一般大于-65dBm，另外应用于油 井监控的无线摄像头也是干扰2. 4GHz频段通信的一个较大的干扰，这就不可避免的造成 zigbee等系统的信噪比下降，从而导致无线设备的传输距离减少。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供一种基于WIA-PA并能够提高抗干扰能力以及 传输距离的无线网关及其通信方法。
[0005] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于WIA-PA的无线网关，包括 电源模块以及与其连接的数字滤波器和网关核心板；连有天线的数字滤波器与网关核心板 连接；
[0006] 数字滤波器用于接收和发送网关核心板的命令/数据并对接收的无线数据进行 射频滤波与放大，实现网关核心板对无线数据的收发；
[0007] 网关核心板用于实现无线数据的传输与协议转换。
[0008] 所述网关核心板包括CPU以及与其连接的调制解调器、Flash、存储器、物理层芯 片；CPU通过物理层芯片与网口连接，通过串口与数字滤波器连接。
[0009] 所述数字滤波器包括：顺序连接的双路锁相环单元、MCU和射频窄带滤波放大单 元；双路锁相环单元与连有天线、调制解调器的射频窄带滤波放大单元连接。
[0010] 所述双路锁相环单元包括：基准源的一个输出端通过依次连接的第一跟踪芯片、 第三射频开关、第四射频放大器与第五射频开关连接；基准源的另一个输出端通过依次连 接的第二跟踪芯片、第四射频开关、第五射频放大器与第五射频开关连接；第五射频开关 的输出端口与功分器输入端口连接，功分器的两个输出端口均与射频窄带滤波放大单元连 接；上述三个射频开关的负载口均通过负载接地；上述射频开关与跟踪芯片均与MCU连接。
[0011] 所述射频窄带滤波放大单元包括依次连接的发射链路、第一射频开关、接收链路 和第二射频开关并形成环路；所述发射链路包括第三射频放大器；所述接收链路包括顺序 连接的低噪声放大器、第一混频器、中频声表滤波器、第一射频放大器、第二混频器、第二射 频放大器；第一混频器、第二混频器的本振输入接口分别与功分器的两路输出端口连接； 第一射频开关的两个射频接口分别与第三射频放大器输出端、低噪声放大器输入端连接， 其输入口连有天线；第二射频开关的两个射频接口分别与第二射频放大器输出端、第三射 频放大器输入端连接，其输出接口连有调制解调器；第一射频开关与第二射频开关的控制 端均与调制解调器的控制端口连接。
[0012] 所述低噪声放大器、第一射频放大器、第二射频放大器、第三射频放大器的电源端 均通过电源开关与电源连接，电源开关的控制端与调制解调器连接。
[0013] 一种基于WIA-PA的无线网关通信方法，包括以下步骤：
[0014] 接收数据时，网关核心板通过串口发送命令至数字滤波器，数字滤波器根据命令 配置接收通道，并通过天线接收无线射频信号，进行中频滤波后经调制解调器存放在FLASH 中，通过CPU转换成TCP/IP协议的数据，通过网口传输数据；
[0015] 发送数据时，网关核心板将数据信号调制成射频信号传输给数字滤波器，同时通 过调制解调器的触发信号将射频窄带滤波放大单元内发射链路的电源接通，通过天线进行 发送。
[0016] 所述中频滤波包括以下步骤：
[0017] 当MCU接收到网关核心板中CPU的切换命令，配置双路锁相环单元并输出第一本 振和第二本振；
[0018] 调制解调器发出接收触发信号，控制第一、第二射频开关切换到接收链路，接通接 收链路的供电；射频窄带滤波放大单元将通过天线接收到的射频信号进行低噪声放大，然 后通过第一混频器与第一本振进行混频，产生中频信号并进行滤波放大后，通过第二混频 器与第二本振混频恢复成天线接收到的射频信号，进行功率放大后通过第二射频开关将射 频信号输出给调制解调器。
[0019] 所述配置双路锁相环单元并输出第一本振和第二本振包括以下步骤：
[0020] MCU接收到上位机的切换命令后启动内部计数器；定时时间结束时，则接通未工 作的跟踪芯片电源，配置该芯片内部寄存器，并在定时器到达设定值时关闭另一个跟踪芯 片的电源，将与其连接的射频开关切换到负载端；
[0021] 然后将配置完成的跟踪芯片连接的射频开关切换到射频端，并将第五射频开关切 换到该跟踪芯片，使跟踪芯片输出的射频信号通过功分器输出第一本振与第二本振。
[0022] 所述第一本振与第二本振的频率范围为2545MHz~2625MHz。
[0023] 本发明具有以下有益效果及优点：
[0024] 1.本发明通过增加接收链路的中频声表滤波能够有效的滤除WLAN等2. 4GHz自由 频段的干扰信号，提高接收数据灵敏度，增加传输距离。
[0025] 2.本发明通过双路锁相环的硬件装置，实现了伪随机序列跳频，能够有效的避免 干扰。
[0026]3.本发明在接收端进行射频放大20dB，提高接收灵敏度；
[0027] 4.发射链路进行射频放大，使发射功率达到22dBm，增加覆盖距离；
[0028] 5.本专利提供了适用于石油行业的无线网关，基于WIA-PA无线网关实现接收射 频的窄带滤波、射频解调以及基于以太网协议的数据传输、P0E供电；能够将RTU及仪表的 抽油井工况数据进行传输以供专家系统进行分析，并能够根据专家系统对工况进行分析预 警，切实提高抽油井的效率。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明的应用网络示意图；
[0030] 图2为本发明的结构框图；
[0031] 图3为本发明的装置的结构框图；
[0032] 图4为本发明的射频窄带滤波放大单元结构框图；
[0033] 图5为电源开关电路框图；
[0034] 图6为低本振频谱示意图；
[0035] 图7为高本振频谱示意图；
[0036] 图8为WIA-PA时隙图；
[0037] 图9为双路锁相环图；
[0038] 图10为本发明的方法流程图。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0040] 网关在跳频的过程中，CPU配置调制解调器的同时，也通过串口发送跳频数据包。 网关核心板根据超帧长度计算发送至数字滤波器的切换时间和切换的信道号，组包发送至 数字滤波器，使数字滤波器切换信道。
[0041] 网关跳频选择采