农村智慧水利射频双载波唤醒系统研究.pdf
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1、2023年6 月引用格式:唐光辉,孙飞,王源楠.农村智慧水利射频双载波唤醒系统研究J.水利水电快报,2 0 2 3,44(S1):6 8-7 1.水利水电快报EWRHI第 44 卷增刊 1农村智慧水利射频双载波唤醒系统研究唐光辉孙飞,王源楠(长江信达软件技术(武汉)有限责任公司,湖北武汉430 0 10)摘要:农村智慧供水及灌溉项目中的智能感知设备已初具远程唤醒手段,但存在时效性差、功耗大、成功率不高等缺陷。为解决以上问题,通过对特征射频信号功率放大及滤波电路的研究,设计出一种具有定向发射、0 0 OK调制且耦合双路载波的发射电路。同时,研究对特征频率射频信号的高Q值无源接收装置,提高唤醒灵敏
2、度,并降低功耗。结果表明:最终发射电路的输出功率达33dBm,发射距离10 m以上;无源接收装置监听功耗降低到10 A级,并可过滤绝大多数环境干扰。通过射频发射装置和无源接收装置的配套使用,实现了智能感知设备微功耗远程实时唤醒。关键词:非接触唤醒;抗干扰;双载波;无源接收机;农村智慧水利中图法分类号:TP23文章编号:10 0 6-0 0 8 1(2 0 2 3)S1-0068-040引言远程测控终端(RTU)是一种可部署在智慧水利工程项目最前端的智能单元,具有远程数据采集、控制和通信功能。在智慧水利应用中,尤其是农村供水、灌渠项目中,RTU安装偏僻不易触及,这虽保证了设备安全性,维护却极为不
3、便,由此诞生出非接触式远程维护功能。本文根据多年智慧水利项目施工经验,基于低功耗RTU长期处在休眠模式、无法通过联网唤醒1-2 1的特性,研究非接触式远程唤醒技术3-5 以及可持续的低功耗待机技术6-7 ,旨在将设备使用寿命由3a延长至5 a以上,以降低智慧水利项目总体实施成本。目前,国内外产品中已存在一些远程唤醒方案,如蓝牙8-10 和WIFI11-12,适用范围广、技术成熟,如西门子RTU3000C系列,国内的四联、森孚等厂家等。但由于水利应用对低功耗的要求,广播时间和广播频次都受到极大限制,唤醒效率不高。其他方案,如AS3903调制解调方案13-15 ,优势是功耗低,由特征码解调,抗干扰
4、能力强,缺点是解调复杂,唤醒成功率不高,而且AS3903仅支持15 0 kHz的信号频率,射频波长过长,不易布设天线。在调制解调模式应用中,TI的CC11XX16系列是目前使用率较高收稿日期:2 0 2 2-12-0 9作者简介:唐光辉,男,高级工程师,主要从事水利信息化方面技术研究工作。E-mail:t a n g g u a n g h u i c j w s j y.c o m.c n通信作者:孙飞,男,工程师,硕士,主要从事水利智能设备研发工作。E-mail:68.文献标志码:ADOI:10.15974/ki.slsdkb.2023.S1.020的单芯片方案3,但是待机功耗在10 mA
5、左右,不适用于低功耗场景。远程唤醒功能对RTU电池的使用寿命影响极大,以蓝牙为例进行测算,射频发射瞬间功耗150mA,每次广播30 ms,广播间隔2 min,则每年需要额外约6 Ah的电功耗。目前,国内RTU的内置电池一般在7 6 Ah左右,按5 a使用寿命测算,RTU自身年功耗15.2 Ah,增加蓝牙远程功能之后,年功耗增加到2 1.2 Ah,使用寿命缩短到3a左右,无疑增大了智慧水利项目的建设维护成本。本文研制了一种射频双载波远程唤醒系统,摒弃蓝牙、WIFI的广播工作模式,优化射频调制解调模式,耦合双路射频载波,提高射频信号频率,缩短天线长度,降低接收功耗。该系统既具有非接触式维护功能,又
6、满足极低的待机功耗,还支持实时唤醒。1设计思路1.1问题分析如前所述,唤醒系统不能采用间歇广播形式,低功耗设备的广播功耗少则数十毫安,多则上百毫安,极大缩短了RTU使用寿命。本文设计的唤醒系统唐光辉等农村智慧水利射频双载波唤醒系统研究应该规避广播功耗,采用纯接收的监听方式。一般应用中,接收机将接收到的射频信号进行解调17 ,判断数据有效性,再进行后续操作。但在水利行业中,需要结合农村环境的特殊性,打破固有思维。解调的优点在于极大提高了射频通信的抗干扰性,但同时也意味着对信号的信噪比有最基本要求,容易因为信噪比较低而唤醒失败。在水利项目维护场景下,对多次误唤醒的容忍度比多次唤醒失败的容忍度高得多
7、,所以应该牺牲一部分唤醒系统的抗干扰能力,换取更高的唤醒成功率。结合多年项目运维经验,农村智慧水利项目的产品及配件应尽量减小体积,缩短长度,便于安装和更换。涉及射频功能时,应考虑天线布设的难度和空间。1.2总体架构本文提出一种低功耗、易部署,同时具有一定抗干扰能力、适合水利项目实际应用的远程唤醒系统,其大致结构如图1所示,系统分为2 个部分:维护人员配备的手持唤醒发射终端(上半部分虚线框内)以及每个RTU集成的接收终端(下半部分虚线框内)。载波频率最低2 7 5 MHz,按照1/4入(波长)的原则,天线长度2 5 cm左右,RTU安装井直径一般在0.5m以上,属于可接受范围。2实现方式2.1调
8、制双载波当维护人员按下开关时,MCU配置锁相环产生两路连续的射频信号:2 7 5 MHz和6 0 0 MHz,均为25MHz本振的整数倍,所以可使用较低成本锁相环芯片。2 7 5 MHz和6 0 0 MHz分别是2 5 MHz的11倍275MHzANTPALRCPASAW锁相环SAWPALRCPAANT25MHz本振和2 4倍,其同频谐波至少为11次谐波,没有低倍数谐波,相关性低、互扰小。同时,这两个频率避开了低频广播FM/AM频段,也避开了315/433MHz商用频段以及8 9 0 MHz的GSM频段,抗干扰能力强。由于水利RTU的射频唤醒不需要很复杂的调制模式,此处使用OOK调制,即二进制
9、振幅键控。调制后的载波见图2。图2 O0K调制载波(放大后)2.2氵滤波及放大锁相环输出的信号幅值非常低,远不能达到输出、辐射的要求,所以需要经过至少两级射频功率放大器放大。为减小锁相环输出负担,本设计将锁相环输出功率设定在0 dBm左右,经过声表面放大器(SAW)过滤和衰减,进入到第一级功放。此时功率较低,MCU通过对功放栅极电压的控制实现OOK调制。由于OOK调制以及功放有可能存在失真,在放大后需要加一级滤波来过滤杂波。此时输出信号功率在10 2 0 dBm量级,已不适合使用SAW滤波。因此,本文设计了一种无源LRC滤波器(接收机部分详述)。信号通过LRC滤波后进人最后一级放大,并经由天线
10、辐射。为实现远程唤醒,即至少10 m的有效距离,需要发射端和接收端的环路增益来有效抵消空间衰减,并满足接收机的最低接收灵敏度。本文的接收机大致按键MCU开关控制SPI600MHZ开关控制ANTLRC比较器或门比较器LRCANT唤醒RTU图1唤醒系统结构框69.2023年6 月增益约为2 1dB,灵敏度约10 dBm,即载波信号以0dBm从锁相环输出后,到达接收机的总增益必须高于10 dBm才可被识别。SAW的插人损耗一般为35dB。L R C 电路插损约为3dB。各个天线的SMA接口插损0.5 dB,共1dB。每一级功放的增益在15 20dB可调。由于已知RTU的位置,所以手持设备可以使用定向
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