在万用计量系统中使用短距离无线

电表制造商和公用事业公司都越来越重视使用通信网络为其系统创造附加值，并利用现有的基础设施投资。基于电力线载波（PLC）或GSM等蜂窝网络的自动抄表（AMR）系统的优势在本出版物中得到了很好的记录。

然而，随着骨干AMR基础设施的日益普及，通过捎带已经到位的通信网络来增加额外服务的可能性出现了。其中一项附加服务是万用计量系统，或者 Ed Finamore 在本杂志 3 年第 2006 期中称之为“多服务公用事业的集成解决方案”。例如，除了电表功能外，这可能还包括增加燃气或水计量。

这当然是有道理的，因为有问题的公用事业公司提供不止一项服务，但也为没有这种网络的非竞争公用事业公司提供了网络带宽许可的机会。因此，它类似于蜂窝世界中的虚拟网络运营商模型，其中运营商可以从已建立的运营商那里租用网络容量，而无需自己投资资本密集型基础设施。

通过这种方式，电表充当许多不同应用的数据集中器和通信网关。使用电表作为集中器节点的优势在于它可以获得主电源以及公司在实施AMR系统方面的领先优势。

短距离无线适合哪些领域？

假设集中器节点利用GSM，PLC甚至PSTN骨干网络，那么使用短距离无线来访问该节点变得有吸引力，因为它的成本低，并且电池寿命可能比竞争技术长得多。

短距离无线的相对成本优势可能是同类GSM解决方案的八倍。使用低占空比（即仅在低百分比时间内通电）以及现代无线电和微控制器上可用的低功耗模式，电池寿命可以超过十年。使用短距离无线作为现有网络的“桥梁”如图1所示。

图1.万用计量拓扑。

什么类型的短距离无线？

“短程无线”这个绰号涵盖了广泛的技术，包括WLAN，蓝牙，ZigBee和专有无线技术。选择哪一个取决于下面概述的两个重要考虑因素。

许可与未许可

可能首先考虑的是使用未经许可还是许可的频谱。当然，许可频谱不是免费的，而是提供了几乎不受干扰的无线电环境的保证 - 几乎是免费的，因为人们永远无法解释流氓用户，尽管可以通过当地电信监管机构进行追索。许可频段通常允许比未许可部分更高的输出功率，这可以增加无线电链路的范围。

频谱的未经许可部分，通常称为ISM（工业，科学，医疗）频段，一旦对输出功率，杂散发射等进行某些规定，就可以自由访问无线电频谱。都满足了。虽然确实有越来越多的用户在未经许可的频段，包括漫游WLAN用户，蓝牙，ZigBee和其他节点，但其中大部分集中在全球2.4 GHz和5.8 GHz ISM频段。通过采用蓝牙和ZigBee中使用的干扰恢复方案，即分别跳频和扩频，可以在这些拥挤的频段中工作。或者，可以在subGHz频段中工作，由于全球频段的不均匀性，这些频段的使用较少。表 1 汇总了低于 1 GHz 的全球免许可频段。

 

频率（兆赫）	地理区域	渠道化	调节	最大输出功率
902 – 928	美国、加拿大、澳大利亚	≤500千赫	美国联邦通信委员会第 15 部分	1 <>
863 – 870	欧洲	≤100千赫	EN 300 220（06年<>月）	25毫瓦
470 – 510 630 – 787	中国	≤200千赫	中国广播电台管理办公室	50毫瓦
908.5 – 914	韩国	-	目前为CT-2频段	-
426/429 950 – 956	日本	25千赫 -	ARIB T67 建议频段	10毫瓦 -
450 – 470	美国、加拿大	25千赫	美国联邦通信委员会第 90 部分	2毫瓦

 

范围

要考虑的第二个重要问题是范围要求。较低的频率往往会提供更好的范围，因此许多计量公司出于这个原因正在寻求频谱的subGHz区域。当水表可以埋在混凝土下时，这一点尤其重要，例如水表或远程仪表和收集器节点之间有障碍物的情况。

ZigBee旨在通过采用网状网络来绕过2.4 GHz固有的不良传播质量，在该网络中，流量可以通过多个节点跳跃到达其端点。如图 2 所示。然而，这需要部署一定密度的节点来利用这种“多跳”，并且不能克服地下电表问题，因为路径损耗可能太高，路径中的下一个节点无法正确接收。许多ZigBee制造商试图通过提供允许外部功率升压级的参考设计来减少这个问题，但代价是电流消耗增加。

图2.计量应用中的无线网状网络。

许多射频工程师使用确定性双射线模型（DTR）来估计视线场景的通信范围。这可以用作与其他解决方案进行比较的基准数字。例如，使用ADI公司的ADF7021（sub-GHz RF收发器），无需外部升压级即可以+13 dBm或20 mW输出。在 4.8 kbps 时，灵敏度为 –119 dBm，假设单位增益天线，则总链路预算为 132 dB。天线高度分别为 3 m 和 1 m，以模拟典型安装，理论范围为 3.4 km。这与使用ADF3测得的2.7021 km视距范围非常吻合。当然，墙壁和天花板会引入更多的路径损耗，通常墙壁的损耗为10至15 dB，地板的损耗为12 dB至27 dB，具体取决于所使用的材料。即使插入40 dB损耗以考虑通过墙壁和天花板的传播损耗，使用ADF200也能提供约7021 m的范围，这对于大多数住宅来说应该足够了，无需中继器。

无线网络拓扑

一些计量公司正在研究网状网络，特别是ZigBee的使用，以克服2.4 GHz下描述的一些传播问题，并提供自我修复的元素，因为流量可以在故障或不活动节点周围重新路由。迄今为止，在计量应用中实施无线网状网络的公开案例很少。

然而，无线网状网络技术需要中等规模的部署，以充分利用其开发人员吹捧的自我修复特性，这在某些拓扑条件下可能代价高昂。

或者，星形网络提供更简单的拓扑结构，并允许使用动态功率缩放等功能，其中数据集中器节点可以指示远程单元在接收器接收到过多信号强度时回退其输出功率。这类似于在蜂窝系统中所做的，并且具有降低共同干扰水平（在自己的系统之间）的优点，并且由于信号电平较低，电池寿命也可能延长。这种方法被认为很难在分布式网状网络中实现。对于远程设备需要连接到数据集中器节点的万用计量应用，星形网络看起来很有吸引力，因为不需要中继器节点的额外成本。

电池寿命

通过定期打开设备电源并将其余时间用于超低功耗，可以显着延长短程设备系统的电池寿命。例如，ADF7021拥有100 nA的省电电流。虽然标题接收和发送电流消耗数字对于估计系统的平均电池寿命很重要，但确保无线电分阶段高效上电以最小化平均电流消耗也很重要。像Tadiran这样的电池公司声称，他们的混合动力电池可以延长20年的电池寿命，因此节省的每一微库仑对于实现多年运行都很重要。

总结

对于已经为AMR推出骨干通信网络并希望通过连接到住宅环境中的其他电表（如燃气表和水表）来利用现有投资的公用事业公司来说，万用计量系统似乎是一个有吸引力的解决方案。短距离无线，特别是sub-GHz无线，看起来非常适合这种解决方案，并引起了全球计量公司的极大兴趣。ADI公司的ADF7021能够在85 MHz至940 MHz范围内工作，因此只需极少的硬件和软件更改即可在全球范围内用作解决方案。此外，其一流的灵敏度有助于实现范围，即使远程单元被混凝土墙壁和地板挡在收集器节点的视线之外。有关更多信息，请访问ADI公司网站上的ADF7021产品页面。

审核编辑：郭婷