無線智能儀器電路方案該如何選擇?電路設計該注意什么?
發布時間:2019-11-13
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無線智能儀器電路方案該如何選擇?電路設計該注意什么?
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技術的進步使人們淘汰了機械和機電式的水、電、氣表,取而代之的是具備高級功能的數字儀表。擁有這些新工具后,用戶將擺脫被動消極的角色,變得更加積極主動,每個人都能控制自己的消費習慣并制定各自的資源節約策略。這里的關鍵詞是“通信”. 二字。利用新的技術,公用事業公司和用戶便能實現相互溝通,進而開創基礎資源智能化利用的新局面。

智能儀表

使用智能儀表具有諸多優勢。公用事業公司能夠從自動化數據收集中受益,避免了人工抄表帶來的人為差錯,并最終降低人工成本。此外,靜態數據收集變得更加容易,因而能夠實現最優容量規劃,并充分利用配送網。利用診斷和瞬時故障檢測功能,還可以開展預見性維護,構建更高效、更可靠的配送網。此外,公用事業公司還可以提供更多服務,例如根據一天中的不同時間段進行實時計費。某些能源使用行為可以推遲到服務成本較低的時間段,這樣既能讓用戶節省資金,又能讓公用事業公司有效管理峰值需求。

智能儀表連接到家庭網絡之后,便能提供關于消費習慣的實用信息,這樣就能了解某個洗衣循環的能耗、澆灌花園所需的用水量、每日供暖所需的用氣量等等。多項研究表明,僅憑加強節能意識一項,就能節省20%或更多的能源。消費者如果有機會通過減少能源使用來節省資金,并獲得可降低能耗的技術,他們愿意采取行動,并因此實現高達50%的能源節約效益。

智能儀表能夠減少用戶一端所耗用的基礎資源,降低公用事業公司一端的損耗,最終有助于實現“減少碳排放、讓地球更環保”的目標。

智能儀表的結構

智能儀表的總體框圖如圖1所示。根據、水、電、氣計量等具體應用,可以包含一個或多個與前端電子裝置連接的傳感器、電源,以及相關的電源管理電路、通信節點和系統管理微控制器。

可以使用多種技術實現網絡化的計量系統,然而,其中兩種技術占據主導地位,即無線短程(SRD)和電力線通信(PLC)。PLC作為免費提供的電力線載波,特別適用于電能計量;對于水、氣計量,由于缺少適用的電力線載波,SRD成為當仁不讓的選擇。此外,水表和氣表采用電池供電,因此功耗是一個至關重要的因素。

為了在功耗和通信范圍之間達成最佳平衡,北美的儀表設計師選擇sub-GHz頻段(如915 MHz)的無線電,而在歐洲,目標頻段為868 MHz和433 MHz,同時169 MHz頻段也日益受到關注。此外,大多數儀表制造商紛紛考慮2.4 GHz全球免費頻段;然而,在給定功耗下,這些頻率的無線電通信距離短于sub-GHz無線電。水表和氣表由于安裝在惡劣的環境中進行RF傳播(如地下室和地下坑洞),因此獲得較寬的通信范圍至關重要。

水計量—Smart Metering開發的MultiReader系統
無線短程傳輸技術的進步實現了對配水網的監控。過去,監控用水情況依靠的是數學模型,以及在配水網的輸入端和用戶接口進行零星的測量。如今,有了適用的硬件,便能執行同步多次測量,進而能夠妥善管理配水網。

該儀表實現了AMR(自動抄表),不僅能夠用于計費,還能檢測網絡中的損耗。由于可以在輸入端和輸出端進行同步而頻繁的測量,公用事業公司得以執行每月、每周,甚至是每天的水量預算。如此一來,就能更輕松地監控由于故障或非法用水造成的網絡損耗。公用事業公司還可以為客戶提供更多的服務,例如通過監控夜間或非高峰時段的使用情況來檢測用戶網絡中的損耗。

通過電池供電式無線網絡進行水資源監控是一項棘手的任務。儀表需要在惡劣的環境中連續工作多年,甚至長達10年或15年,而且電能來源也非常有限。帶外干擾信號(如無線電和電視廣播、GSM基站)或帶內干擾信號(如遙控)會帶來電磁干擾,降低接收機的靈敏度,有時還會造成接收機本身的阻塞。另外,天氣條件和金屬物體(如排水管和停泊的車輛)也會影響天線性能和無線電波傳播。較高的濕度和熱循環則會產生機械應力或影響電池性能。

上述因素都會影響系統的總體可靠性,并使維護成本難以保持低水平。

從上述工作條件明顯可以看出,設備應具備極高的靈敏度、穩定的抗干擾能力以及較低的功耗。 Smart Metering 對一系列短程設備進行了對比分析,最終決定選擇ADI公司的ADF702x系列無線收發器,因為該系列產品在滿足上述嚴苛要求方面具有冠絕市場的表現。

MultiReader系統

Smart Metering開發了基于ADF702x 系列的MultiReader系統(圖2),以滿足公用事業公司的水資源監控需求。該系統由水表MultiReader-C、中繼器MultiReader-R和集中器MultiReader – G組成。

MultiReader-C是一個電池供電計數器,最多可連接三個脈沖發射極器件。該儀表可提供實時用水情況、根據固定日歷存儲的數據,以及應用特定算法處理的測量數據。上述功能實現了多項服務,例如不同位置的同步測量、按規定時間間隔提供耗水數據,以及報告其他有價值的信息,如回流、計數器關閉和最終用戶損耗等等。

MultiReader-R是一個電池供電中繼器,通常安裝在電線桿上,用于擴展單個儀表的通信范圍。該中繼器能與儀表、其他中繼器以及集中器實現通信。

MultiReader-G收集來自儀表的數據,并能夠通過GSM網絡與中央交換局實現通信。

要對可靠的無線水計量網絡進行安裝和維護,需要具備硬件、軟件和系統管理能力,而Smart Metering已在長期實踐中發展了這種能力。

圖3所示為MultiReader-C單元裝置,其中每個單元與三個脈沖發射極器件相連。圖4所示為安裝在電線桿上的中繼器。

ADI的ISM頻段收發器技術

ADI的SRD收發器可以覆蓋75 MHz至1 GHz的頻段。最受歡迎的器件包括ADF7020 中頻收發器(100 kHz至200 kHz,數據速率最高可達200 kbps)、ADF7021窄帶收發器(9 kHz至25 kHz,數據速率最高可32 kbps)及其衍生產品。靈活性是這些器件的主要特性之一。為了在性能和功耗之間達成最佳平衡,可以對多種參數進行編程。這些收發器提供了ASK、FSK、OOK、GFSK、MSK調制方案、-16 dBm至+13 dBm范圍內的可編程輸出功率,以及許多適用于低噪聲前置放大器(LNA)的編程選項,可在靈敏度、線性度和功耗之間進行權衡取舍。差分LNA輸入級、功率放大器(PA)斜坡控制以及高斯和升余弦數據濾波均可保證器件在復雜的電磁環境中正常工作。

同一系列中的ADF7023嵌入了一個8位通信處理器,以提供數據包處理、無線電控制和智能喚醒模式功能。該通信處理器通過集成一個典型通信協議堆棧的低層,減輕了配套處理器的處理負擔。

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