基于433頻段無線傳輸的試驗研究

王丹紅++史智興++孫劍鋒

摘 要： 針對實際生產環境中對無線傳輸質量產生影響的因素，結合固態釀醋控制系統對433 MHz的無線傳輸模塊進行試驗研究。針對機械設備中存在的電磁波干擾、不同材質障礙物對無線信號的衰減損耗、不同房間不同樓層間傳輸的特性及特定環境下不同傳輸距離的誤碼率進行試驗，重點衡量誤碼率、傳輸損耗、信號強度、傳輸距離等指標，試驗結果可以為無線傳輸系統的設計提供參考。

關鍵詞： 無線傳輸； 固態釀醋； 電磁干擾； 衰減損耗

中圖分類號： TN925?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）11?0010?04

Experimental study on wireless transmission based on 433 frequency band

WANG Danhong， SHI Zhixing， SUN Jianfeng

（Institute of Information Science and Technology， Hebei Agricultural University， Baoding 071000， China）

Abstract： In view of the factors affecting on the wireless transmission quality in actual production environment， the solid?state vinegar brewing control system is combined to perform the experimental study for the wireless transmission module working at 433 MHz. The experiments of electromagnetic wave interference and obstacle with different materials existing in mechanical equipment influencing on the attenuation loss of wireless signal， transmission characteristics among different rooms and different floors， and bit error rate of different transmission distance in specific environment were carried on. The bit error rate， transmission loss， signal intensity， transmission distance and other indicators are measured emphatically. The experimental results can provide the reference for the design of wireless transmission system.

Keywords： wireless transmission； solid?state vinegar brewing； electromagnetic interference； attenuation loss

0 引 言

隨著勞動力成本的日益增加和無線技術的提高，無線通信技術越來越多地應用于工、農、漁、副、林[1]。在實際應用中遠程監測的應用一般是控制器結合傳感器的檢測和控制技術通過無線模塊的傳輸來實現，在實際應用中如何在復雜環境中實現可靠的無線數據傳輸成為研究重點。

國內外也進行了影響無線傳輸質量的相關研究，如文獻[2]在蘭花大棚中測試了花卉對433 MHz載波頻率的無線傳感器網絡通信質量的影響；文獻[3]測試了信號在傳輸過程中棕櫚樹對不同頻段信號的影響；文獻[4]主要研究了自由空間損耗與地板損耗；文獻[5]提出了樓層間隔、拐角個數窗戶比例對傳輸的損耗，但是目前對影響無線傳輸性能的研究主要集中在自然環境下對特定的農作物、地板、簡易樓層[6]。這些研究存在測試試驗障礙物單一，試驗環境固定等不足，不能適用于實際工業生產中無線傳輸的環境。本文結合固態釀醋生產的實際環境做了實際應用中無線傳輸影響因素的綜合研究，為無線傳輸系統的設計提供參考。

1 硬件環境的搭建

本文結合某醬菜廠封閉式固態發酵釀醋設備改造課題，設計了一套基于433 MHz頻道的遠程監測系統，實現上位機對多套設備控制參數的實時遠程檢測和信息管理。

總體設計實現方案如下：以STC89C52單片機為核心，結合ADC0809數模轉化芯片、三極管8050驅動繼電器、7929鍵盤、蜂鳴器等搭建成下位機的控制及采集系統，采用SRWF?501無線模塊搭建無線傳輸網絡。

2 無線傳輸模塊設計

系統采用基于射頻IC CC1020的無線芯片SRWF?501進行上下位機的信息傳輸。封閉制醋工藝過程可分為五個階段，每個階段檢測控制內容不同，因此每個階段傳輸的數據大小不同，最少為2個字節最多為6個字節，為此便于通信管理，規定在數據傳輸過程中統一設定傳輸10個字節，內容不夠統一補0。為了解決部分試驗場地無法提供直流電源，采用PL2303HX實現SRWF?501與PC機的USB連接并實現PC機為無線模塊供電。

3 通信性能檢測及問題解決

根據在工廠實際環境的調查，針對無線信號在實際傳輸中會對傳輸質量產生影響的幾個因素分別進行試驗研究。在試驗中傳輸性能的指標采用信號強度、誤碼率、丟包率相結合的方法。信號在傳輸時由于外界干擾和氣溫變化一天之內的信號強度也會存在變化，由搭建于信息院樓下的試驗無線模塊可以發現信號強度從早晨8：00—9：00，11：00—13：00，16：00—18：30這段時間會因為外界干擾因素增多信號傳輸質量受到較大影響。為了更好地讓檢測結果貼近于實際情況，試驗時間多選于外界干擾較多的時間段。

3.1 傳輸距離測試

試驗場地一以學校操場空曠地作為數據收發地，試驗場地二以試驗樓4樓及樓下場地分別作為數據發送地和接收地，測試在滿足試驗數據正確率的要求下最大的傳輸距離。

由于樓上到樓外的傳輸損耗遠遠大于空曠地，為了觀察信號強度的變化，首先將發送端固定于416，將接收端由樓下逐漸向外移動到200 m處的信號變化如圖1所示。根據信號強度的變化選取特定距離測試衡量傳輸質量的另一標準——誤碼率。檢測結果見表1。

圖1 樓內外信號強度變化

表1 檢測結果

[場地 測試距離 /m 誤碼率 測試時間 /h 操場 200 10-4 24 信息院4樓 500 10-3 24 50 10-2 24 100 24 ]

由實驗結果可知，在空曠地500 m內，樓內外傳輸距離在100 m內傳輸質量可以滿足工業需求，樓內外傳輸時傳輸質量下降較快。

3.2 電磁波對433 MHz通信質量的影響

無線傳輸模塊在生產現場通常被放置于工廠設備或計算機附近，強電和弱電混雜電磁干擾比較大，為了檢測可能存在的電磁干擾對無線數據傳輸的影響，進行了三種試驗：試驗（a）是把無線模塊放置于8 m寬15 m長，內有30臺計算機同時工作的教學機房；試驗（b）查看發送模塊通電瞬間的數據變化；試驗（c）把收發模塊分別放置于機房內和機房外走廊，變化接收方位置，查看不同距離下電磁干擾的的通信影響。實驗結果如圖2所示。

圖2 電磁干擾實驗結果

從圖2（a）可見，30臺計算機正常工作或部分開關操作對無線信號傳輸質量沒有影響。圖2（b）顯示將無線模塊設置完成后發送模塊接入電源瞬間會有大量亂碼出現，但很快恢復正常。圖2（c）顯示隨著通信距離增加，傳輸信號強度減小，外界干擾的影響增大。

3.3 不同障礙物對433 MHz無線傳播的影響

參考實際在工廠應用時會遇到的障礙物：墻體，木門，樓房，鐵質設備，以接收到的信號丟包率和信號強度作為檢測標準。在不同通信距離下對檢測目標進行試驗，并通過Matlab對試驗數據進行圖像生成，得到不同障礙物對433 MHz傳輸的影響。在試驗過程中主要選取操場和試驗樓為試驗場地，選擇磚墻，木門，樓房，鐵質設備為試驗障礙物。

將無線發射模塊固定在與木門、墻體、鐵質設備，房屋等障礙物距離1 m處，發射功率為10 dBm，測試1 h內在不同通信距離下接收信號的強度， 分析不同障礙物對433 MHz無線信號的傳輸影響[7]。試驗結果如圖3所示。

圖3 不同障礙物的傳輸特性

試驗結果表明：無線信號在隨著傳輸距離加大的過程中，信號強度總體呈下降趨勢，木門、鐵質設備在100 m范圍內仍可以接收到信號，墻體對無線信號傳輸質量影響最大50 m處已經下降到-80 dBm，并可以發現隨著障礙物厚度的增加衰減加大，每增加一堵墻體相當于在空曠地增加30 m的傳輸距離。

3.4 樓內樓間433 MHz的無線傳輸模型

工廠中的監測機一般安放于室內，屋外向屋內傳輸時，同樣大小的窗戶下房間越大屋內衰減越快；發射天線靠近墻面或者地面時也會造成一定的信號衰減，房屋內外的信號傳播主要依靠窗戶的繞射進入[7]。由不同障礙物對無線傳輸衰減性的影響可知墻體對無線傳輸造成的衰減最大，并且工業中會存在樓內各房間進行相互無線傳輸的情況，結合實際情況在樓內樓間進行無線傳輸試驗研究。

同一樓層內傳輸性能研究分別采用1 m和1.5 m不同的天線高度，在不同傳輸距離下分別安置信號發送、接收端，觀測信號傳輸質量變化。同時在發送端從1臺到10臺筆記本電腦開關對信號傳輸進行電磁干擾，信號損耗變化見表2，圖4。

表2 信號損耗 dB

[天線

高度 /m 同樓層內距離 /m 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 53.74 59.33 64.92 66.47 68.61 72.15 75.11 80.32 87.67 1.5 56.36 59.12 64.87 65.72 69.21 71.84 76.36 79.94 86.96 ]

整個測試過程發現信號在樓內傳輸時信號多由門窗進入走廊內傳輸，信號損耗變化較小，同樓層內50 m內電磁干擾對信號傳輸基本沒有干擾影響。

不同樓層間的無線傳輸模型對433 MHz信號在樓內跨層傳輸性能進行檢測，特在信息院同一位置的不同樓層安放無線傳輸模塊分別設置作為收發端。測得信號的強度變化如圖5所示。

圖4 兩種天線高度下傳輸損耗

圖5 樓間信號強度

根據信號的傳輸信號強度及誤碼率分析可以發現，在樓內短距離10 m之內上傳輸與下傳輸信號強度變化不大，信號強度在可接受范圍之內，但樓內上下傳輸距離超過10 m之后上傳輸性能不如下傳輸，信號強度衰減嚴重，信號強度變化大，外來干擾增大、傳輸質量下降。

4 試驗分析及總結

試驗結果表明，在室外空曠地域傳輸距離500 m之內性能誤碼率完全可以滿足工業需求。在滿是電子設備的同一試驗室內部傳輸20 m之內誤碼率非常低，電磁干擾影響不大，突然增加開啟中的電子設備對傳輸基本無影響，但在信號強度下降時影響較大，傳輸中會由于外界的各種電磁干擾出現亂碼。在測試中跨越不同障礙物時衰減不同，墻體影響最大，大量跨墻體進行傳輸時傳輸質量會明顯下降，甚至出現收發碼數不一致的情況，間隔頻率隨傳輸時間增大，每次持續約1 s，墻體的損耗對傳輸影響非常大。現代水泥建筑樓中無線信號的傳輸主要通過門窗進行傳輸，樓道內信號傳輸主要依靠走廊，樓內信號的上傳質量優于下行質量，同樣的設置條件下天線高度越高傳輸質量越好。無線信號在傳輸時，傳輸質量晚上優于白天，由白天試驗數據可知，早晨8：00—9：00，11：00—13：00，16：00—18：30這幾段時間會因為外界干擾因素增多信號傳輸質量受到較大影響。

對于增強信號傳輸質量的措施如下：

（1） 硬件方面：電源采用壓器隔離、低通濾波等抗干擾技術，注意對元器件的接地和覆銅。采用可拆卸的AP天線并根據實際需要選取高增益。無線工作站一般分布于幾個不同的房間中，需要跨越大量墻體進行傳輸時將無線天線置于室外或窗口遠離地面處盡可能減少墻體、障礙物的阻擋，總接收端盡可能可以覆蓋多個工坊。

（2） 通信協議方面的改進：正常情況下采用單片機自帶多機通信功能，通信的協調完全由上位機控制，在傳統的釀制產業中一般對各種參數的要求不是特別精確，根據與保定槐茂醬菜廠的實際聯系，確定每10 min向總控室傳輸一次信息。主機每隔10 min依次呼叫輪詢各個下位機，被叫到的下位機上傳信息。按照上位機同時管理10 套設備（10個下位機）分析，每下位機每次傳輸的內容為10個字節，加上呼叫的時間，每下位機占用20 ms，10個下位機共需0.2 s。表明系統有很強的容錯機制。根據協議， 上位機對下位機采用帶地址碼的數據幀發送數據，全部都接收，并將接收到的數據幀格式與規定格式相比較，一致則對數據保存、處理，否則丟棄這幀報文，再次向被丟棄信息的下位機發起呼叫直至信息符合要求[7]，并限制主站對接收信息的來源地址進行比較，非從站地址拒絕接收減少亂碼。

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