基于STM32的無線對講機系統設計

吳元慶

(湖南科技學院 智能制造學院,湖南 永州 425199)

0 引言

時代在進步,雖然5G技術已經逐漸成熟,但是手機仍然無法替代無線對講機。因為從無線電通信技術的角度來看,對講機是永遠不會被取代的[1]。傳統對講機是通過無線電信號通話的,自帶發射和接收功能,不需要任何基站,不依賴公眾網絡,調到相同頻率即可通話,走到哪里都能用,距離可控制在2~15 km。后來出現了公網對講機,插卡給運營商交年費,不過有的組群不方便,屬于集中式管理[2]。模擬對講機優點是信號穩定,一般帶GPS定位功能,機器無信號也能通訊,缺點是距離限制在2~15 km,不過機器在飛機上或其他制高點,通信距離會更遠。因此微信無法取代對講機,微信需要互聯網的,沒信號就無法運行[3-4]。

1 需求分析

根據前期對無線對講機的應用場景調研和分析,進行了如下的需求分析。無線對講機不用插卡,不用跟手機一樣給運營商每月交話費,節省了經濟上的開銷。除了公網每年要交費,遠遠比話費便宜。無線對講機不用借助互聯網發送或者接受消息。自身具備這些功能,系統越簡單,可靠性則越高。實時傳達,音質清晰速度快,比如救援隊、警用、軍用、山區及惡劣環境的工作人員。無線對講機的技術盡量做到無信號通信2 km之內。最新專利技術對講機自帶中繼功能,彌補了所有缺點,不再需要高價的中繼臺。最重要的是無線對講機的待機續航時間長,最長待機可長達15天,并可以通話3天。

該系統的設計使信號能有效覆蓋建筑物公共部位和人員活動頻繁的區域,使整個系統能夠實現統一覆蓋,信號清晰、穩定、可靠。該設計需要能夠確保上述要求滿足建筑內部管理、物業使用和維護以及安全、消防、應急通信等方面的要求,以便內部管理、維護、安全,而且消防員可以方便快捷地保持聯系和溝通。

2 設計與實現

2.1 設計原則

設計上,在保證系統質量的前提下,盡量采用低成本的方法設計方案。合理設置天線的位置、數量和輸出功率,確保使用較少的天線和較低的輸出功率,以實現良好的覆蓋。由于高層切換頻繁,設計應盡量做到盡量不要使用后備廂放大器,以減少噪音的引入;建立完善的無線覆蓋網絡。考慮到施工相對容易實現和施工效率,特別是合理布置布線。該鏈路在覆蓋區域內滿足大于15 dB的載波噪聲比。

2.2 總體設計

該系統采用IP組網,將多個數字中繼站組成一個單基站集群通信系統,最多支持8個語音中繼通道和16個數據通道,最大用戶容量可達800。不需要傳統集群系統的控制通道,8個時隙都可以使用,不浪費系統時隙,不需要應用和許可機制。當新的呼叫開始時,空閑時隙將被轉移到新的空閑時隙,系統通知所有空閑的對講機轉移到空閑時隙,將原來的空閑時隙轉換為通話時隙,并在該時隙上中繼語音通信。當呼叫終止時,通話時隙將通知收音機新的空閑時隙或相關時隙。

2.3 系統結構

通信效果覆蓋整個底層、地下層、垂直電梯轎廂及附近室外區域的通信需求,實現無線通信網絡的全覆蓋。在上述區域,可以使用對講機相互通話。根據實際情況和目前無線頻率的使用情況,可以選擇400 MHz頻段作為建筑物的無線通信頻率。由于本對講機通信系統采用無線集群方式解決對講機通信信道的劃分問題,因此需要申請兩組射頻,采用組合分支方式,系統的布線結構保持不變。

根據該建筑物的結構,考慮了周圍電磁環境的實際情況。由于該通信網絡覆蓋范圍廣,包括南塔和北塔,有兩個地下層和夾層,因此采用了加固技術。混凝土結構,對射頻信號有明顯的屏蔽(衰減)作用。無線對講通信覆蓋率低,確保沒有通信盲點(點),無線對講系統通信正常。系統設計使信號在相應的空間區域內,即對講信號的有效覆蓋區域為地上建筑物,對講信號有效覆蓋建筑物設備間、消防電梯、安全通道和整個室外建筑物,確保無線對講系統通信清晰、流暢,使整個系統實現統一覆蓋,信號清晰、穩定可靠。建議在地下一層弱電機房安裝集群通信基站(全自動、無人值守),并將通信天線分布在以下位置:設計一套信道系統、多個吸盤天線和無吸盤天線,室外天線覆蓋整個辦公樓,完全可以保證對講系統的可靠性,保證物業管理人員和保安人員的無線對講通信。

2.4 室內信號分布

為滿足設計要求,并考慮到具體施工的難度,選擇最合理的線路進行中繼器的布線和布置,實現室內配電均勻。本設計中的覆蓋信號由室內有源配電裝置通過饋線傳送到各樓層。嚴格按設備及饋線技術指標計算,室內覆蓋天線功率控制在15 dBm以下,符合國家電磁環境衛生標準。發送和接收信號的全向吸盤天線置于天花板頂部,通過饋線與機房一層的中繼站相連。無線信號分配系統接收和發送來自天線的信號,天線與屏蔽電纜連接,無線對講信號室內分配系統解決了整個建筑內公共網絡和建筑內專用信號的信號覆蓋。

2.5 聯合調試

將調試好的整機裝入機殼,接好電池,連好天線,LED和話筒。這里需聲明,天線對通話距離有著舉足輕重的作用,業余自制的天線,在沒有調好發射接收機時,很難保證其性能,最好先選用成品的天線,并且一定是30 MHz頻段的,否則通話距離難以達到設計要求。用一臺作發射機(發射機應將未級功率級去掉,以減小射頻功率),而另一臺作接收機,拉開兩臺機的距離至剛好收到信號為宜,微調接收機的T2,T1,L4,L3,L2,L1,使收到的信號最強,音質最好,再拉開兩機的距離,再調整,直到兩機的通話距離最遠。這里需注意,一般只能微調,因為經上述調整后,一般都將頻率調得較準確,如果再大幅度調整,會導致調試不準。接上發射機的未級功率管,接上本機天線,一般只需微調L1,L2,使發射機旁的場強計指示最大即可。因為匹配網絡沒能調好,將嚴重影響發射功率,也就是發射的電功率是足夠大,但從天線輻射出去的電磁波能量卻小得多,因為載頻電流沒有完全輸送到天線上,而是有一部分的載頻電流以駐波的形式返回了功放級。顯然,這樣的電路效率就會大打折扣,也將大大縮短通話距離。

3 結語

本文設計實現的無線對講機主要是針對商業廣場內的對講機。商業廣場包括商場、寫字樓、酒店、公寓和豪宅以及停車場等配套功能設施。無線集群通信系統分為大型物業、商場、酒店3種管理模式(群組)。每種格式的通信都要求相對獨立。每種格式有2~5個部門,它們的通信不會相互干擾。本文設計的對講機在這種情況下,大型物業可以調度所有的對講機功能,包括酒店和商場。