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無線傳輸在稱重儀表系統中的應用
【摘 要】 隨著國內稱重儀表市場的迅速發展，傳統臺秤儀表、汽車衡儀表的競爭已經達到白熱化程度，許多客戶也對稱重儀表及其系統提出了更高的要求。其中數據集中管理、遠程監控等需求尤為突出。本文主要討論了通過使用普通RF無線傳輸、Zigbee無線傳輸、GSM/GPRS無線傳輸等方式，將稱重儀表、秤臺、數據處理服務器，以及大屏幕顯示等附件遠程緊密連接的方案。
1.1. 稱重儀表行業背景
近十年來，隨著國內生產力的發展，中國的衡器儀表行業產生了巨大的變化。從十幾年前國內稀少及良莠不齊，發展到目前上百家具有一定規模，能設計、制造符合國家對稱重儀表精度、穩定性、抗干擾能力等要求的稱重儀表廠商。其中不乏一些廠商可以設計、制造一部分外觀、性能能與發達國家同行相媲美的稱重儀表，且在成本上能達到合理控制，性價比較高，得到國內外客戶一致好評。如上海耀華稱重有限公司的XK-3190系列等。
但是目前國內大部分稱重儀表用戶在技術方面還相對落后，因此國內稱重儀表市場主要還集中在普通計價計數臺秤、靜態汽車衡等，附加功能主要集中在內置微打或外接打印機、開關量輸出、上下限報警等方面。
然而近幾年市場不斷拓寬，隨著稱重儀表用戶企業的規模擴大、產品復雜度增加、管理體系日趨完善的情況下，對稱重儀表及其系統的各種新的要求也不斷提出，其中數據集中管理、遠程監控等需求尤為突出。
1.2. 無線傳輸在稱重儀表系統中意義
目前市場情況下，大部分稱重儀表還是單獨使用，各儀表間聯系不是很緊密。在需要將秤臺進行數據處理的時候，常常通過類似于使用電流環方式將儀表與大屏幕連接，使用RS-232方式將單臺儀表與計算機近距離連接，或使用RS-485方式將多臺儀表與計算機連接。這種常規的連接方式中有以下幾點不便之處：
a）稱重儀表與計算機及其他附件之間的連接需要布線，布線的隱蔽性和維護方便性之間難以取舍。
b）各種接口對連線的長度及負載的個數都有要求，且還要考慮負載能力的情況。
c）布線較長時容易受到現場環境干擾影響，在電氣、電磁等環境較為惡劣的情況下尤為突出。
因此無線傳輸在距離較遠、負載較多、環境較惡劣的情況下，對比常規布線方式有著很大的優勢。
而且，最近我國工信部提出了物聯網的“十二五”發展規劃，對我國物聯網的發展高度重視。無線物聯網將是今后稱重儀表行業，乃至電子行業的發展方向。
2 稱重儀表與無線傳輸
2.1. 簡述
目前，稱重儀表行業中，有多種無線傳輸方式并存。其中有些方式已經較為
成熟；還有一些方式可能在其他行業已經有了比較成熟的應用方案，但在稱重儀表行業可能還在嘗試階段。
本文主要討論了通過使用普通RF無線傳輸、Zigbee無線傳輸、GSM/GPRS無線傳輸等方式，將稱重儀表、秤臺、數據處理服務器，以及大屏幕顯示等附件遠程緊密連接的方案。
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2.2. 普通RF無線傳輸
射頻即Radio Frequency，通常縮寫為RF。表示可以輻射到空間的電磁頻率，頻率范圍從300KHz～30GHz之間。射頻簡稱RF射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小于1000次的交流電稱為低頻電流，大于10000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。在電磁波頻率低于100khz時，電磁波會被地表吸收，不能形成有效的傳輸，但電磁波頻率高于100khz時，電磁波可以在空氣中傳播，并經大氣層外緣的電離層反射，形成遠距離傳輸能力，我們把具有遠距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻，射頻技術在無線通信領域中被廣泛使用。
本文所說的普通RF無線傳輸，即指在國內常用的433Mhz頻段附近，采用透明傳輸方式進行的無線傳輸。目前有市場上已經有不少產品使用了普通RF無線傳輸方案，如吊鉤秤、無線大屏幕、無線秤臺等。上海耀華稱重系統也擁有XK-3190 DS3無線儀表，可以通過普通RF無線傳輸的方式，將數字傳感器組成的秤臺、無線數字稱重儀表、計算機、無線大屏幕結合一起進行無線組網通訊，滿足大部分客戶的需求。
圖1 使用RF無線傳輸的方式的稱重儀表
普通RF無線傳輸的實現方式較為簡單，大多是通過GFSK高斯頻移鍵控，在調制之前通過一個高斯低通濾波器來限制信號的頻譜寬度，再通過FSK頻移鍵控，利用載波的頻率變化進行數字調制，來傳遞數字信息。使用方法也比較簡單，一般都是通過選擇信道，及選擇配對的頻率，即可進行配對無線傳輸。
普通RF無線傳輸有以下特點：
a）傳輸距離可以在空曠地帶、附近無同頻干擾源及較大干擾的情況下，傳輸距離可達一至兩千公里。基本可以滿足大部分客戶需求，但在建筑較為密集、電磁環境較惡劣的情況下無法滿足要求。
b）使用方便，采用透明傳輸，但信息容易被竊取，需要額外做加密解密處理。
c）使用國內常用的433Mhz免費頻段，不需額外申請，但該頻段使用者較為集中，再加上頻點較窄，較難做到防碰撞，且頻點漂移現象較為嚴重，在密集使用情況下串頻、誤碼率較高。
d）系統價格低廉，后續維護費用低。
可見普通RF無線傳輸在適合在普通中等距離情況下及非密集使用場所下應用時，性價比較為突出。
2.3. Zigbee
無線傳輸Zigbee無線傳輸也是一種RF無線傳輸方式。
Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議。根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。
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主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，Zigbee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通訊技術。
Zigbee采用DSSS直接序列擴頻通信技術，用高速率的偽噪聲碼序列與信息碼序列模二加（波形相乘）后的復合碼序列去控制載波的相位而獲得直接序列擴頻信號，即將原來較高功率、較窄的頻率變成具有較寬頻的低功率頻率，以在無線通信領域獲得令人滿意的抗噪聲干擾性能。
Zigbee的組網功能強大，可以通過預先對各節點身份進行定義，運行后能自動組建網絡或尋找網絡，可建立星狀、樹狀、網狀網絡等復雜拓撲結構，并能自動尋找最近的路徑進行數據傳輸。
圖2 Zigbee的組網功能
Zigbee與普通RF無線傳輸方式相比，有以下特點：
a）由于Zigbee采用2.4G頻段，頻率較高穿透性能較差，傳輸距離較差，但Zigbee具有進行自動組網功能，在使用密集的情況下可以自動尋找路徑將數據傳輸到目的節點。
b）自動組網使用方便，且在節點變動時能自動調節，使用自有協議傳輸，具有加密功能，數據傳輸安全。
c）使用2.4G免費頻段，頻點相對433M較寬，防碰撞機制較為完善，使用穩定。
d）系統價格較為低廉，后續維護費用低。
因此，Zigbee無線傳輸方式適合在節點較為密集、結構較為復雜的環境下使用，如集貿市場、生產車間、倉庫等地方使用。
2.4. GSM/GPRS無線傳輸
GSM全球移動通信系統，俗稱全球通是世界上主要的蜂窩系統之一，主要承載語音業務和短信業務。
GPRS通用分組無線業務，是在現有的GSM系統上發展出來的一種新的分組數據承載業務。所謂的分組交換就是將數據分裝成許多獨立的數據包進行傳輸，并且可以按照傳輸的數據流量計價(而非占線時間)，可以同時處理語音業務（通話）和數據業務（下載數據），兩種業務互相獨立，互不影響。GPRS是一種高速、高效的無線系統，我們可以通過GPRS訪問互聯網。GPRS具有“永遠在線”、“自如切換”、“高速傳輸”、“按需計費”等特點。
GSM/GPRS可以在移動網絡覆蓋的地方進行連接，應此應用在稱重儀表上，可以達到超遠距離傳輸、控制的效果。
GSM無線傳輸應用在稱重儀表上，主要在短信收發的控制上，使用較為簡便。可以通過使用手機對連接有GSM/GPRS模塊且安裝有效SIM卡的稱重儀表發送短信，儀表接收到短信后進行分析處理，判斷是否為預置手機號的有效命令，處理完畢后視情況回復相應的短信，達到遠程控
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制、監控的效果。
當稱重儀表數量較多，且需要組網使用時，GSM無線傳輸就比較難以完成，需要使用GPRS無線傳輸。
圖3 GPRS DTU的接入方式
每臺稱重儀表配有安裝有效SIM卡的的GPRS DTU模塊，同時需要一臺可以登錄互聯網，并且通過外網地址可以訪問到的計算機作為數據中心。將GPRS DTU模塊通過互聯網連接至數據中心，就可以通過TCP/UDP協議，進行數據中心與DTU間的通訊。雙方將接收到的數據包處理后返回，進行雙向通訊。數據中心可以和多個DTU同時進行通訊。
也可申請專用的APN，這時GPRS DTU和數據中心只需要接入專網即可使用，不需要連接互聯網，此時專網和外網互相無法訪問，安全性更高。但是申請專網需要昂貴的費用，如果沒有特殊要求，使用互聯網是一種性價比比較高的方案。
通過GPRS DTU進行無線組網連接，實現稱重儀表的物聯網化，可以說是今后發展的一個趨勢。我們可以通過它對多個儀表同時進行超遠程監測、控制。雖然使用GPRS進行稱重儀表數據無線傳輸面臨著使用較復雜、技術要求高以及資費較高的情況，但如果今后隨著技術的普及和GPRS，甚至3G資費的下降，使用GPRS甚至3G進行稱重儀表無線傳輸，必然會是很有競爭力的方案。
3 結語
在目前的市場環境下，普通RF無線傳輸、Zigbee無線傳輸、GSM/GPRS無線傳輸等方式，都具有各自的優勢和劣勢。作為稱重儀表廠商，在適和的環境和成本上綜合考慮，開發迎合市場需求的無線稱重儀表，將會成為接下來的熱門話題。
