能量与数据无线传输

能量与数据无线传输（共8篇）

能量与数据无线传输 篇1

0 引言

视觉假体是一种用于视觉功能修复的神经假体, 通过对生物体视觉神经系统进行功能性电刺激, 部分恢复视觉感受。视觉假体的主要目的是修复老年黄斑变性 (Age-related Macular Degeneration, AMD) 与视网膜色素变性 (Retinitis Pigmentosa, RP) 等疾病引起的视觉损伤。根据世界卫生组织 (WTO) 和民间研究机构的相关报道, 全球约有4 000万因眼部疾病致盲的患者, 其中仅AMD致盲患者数就超过320万[1,2], 这些疾病目前仍未有有效的治愈方法, 研究视觉假体对于相关疾病致盲患者的视觉功能修复具有重要的价值和意义。目前国际上多个国家的高校、研究机构致力于该领域的研究, 并取得了不同程度的研究进展, 如美国多所知名大学和Second Sight公司联合的Artificia Retina Project小组、麻省理工学院和哈佛大学联合的Boston Retina Implant Project小组以及德国Tübingen大学的Zrennner小组等。2013年2月, 美国Second Sigh公司宣布其推出的60电极视觉假体Argus II获得美国食品及药物管理局 (FDA) 的使用批准, 由此植入式假体的研究和开发又向前迈出了一大步。

虽然视觉假体研究取得了阶段性的成果, 但是目前能够可靠植入的假体的工作电极数量仍非常有限, 不能满足视觉修复的需求。相关心理物理学实验结果表明, 物体识别和人脸识别需要超过250个电极[3,4], 而实现有效的语段阅读电极阵列应达到25×25[5]。电极数目的增加能够提高所诱发假体视觉的分辨率, 从而增强植入者的视觉感受。随着MEMS加工、生物材料等技术的发展, 视觉假体装置的可植入电极数有望由目前的几十个增加到几百个, 美国Second Sight公司正在研制的Argus III视觉假体中, 电极数目有望超过1 000个[6]。

然而随着电极数目的增多, 视觉假体装置的功耗不断增大, 处理和传输的数据量也不断增加, 视觉假体无线传输系统的开发面临一定的挑战。Chen K等[7]于2010年研制了一款256电极视觉假体, 无线能量传输的功率达到100 m W, 数据传输速率为2 Mbps。视觉假体一般采用无线经皮传输的方式由体外向体内供能。当系统功耗显著增加时体外便携式电源的有效续航时间将明显减小, 不利于便携式长期应用。此外, 大功率近场无线传输可能导致植入局部的生物组织热效应和非热效应, 存在潜在健康风险。因此设计中应尽可能提高传输效率, 降低传输总功率, 减小能量损耗和组织热效应[8]。

本文首先介绍了视觉假体无线传输发展的状况和挑战, 然后分析了其工作原理和设计要求, 进而针对其特点分别介绍了能量传输和数据传输的考虑因素和设计方法, 对高分辨率假体装置的设计具有一定的指导意义。

1 视觉假体无线传输的原理

视觉假体无线传输系统包括体外控制部分和体内植入部分。接收装置植入体内 (脑部或者眼部) , 一般不带电源或电池;发射装置采用电磁耦合的方式由体外向体内植入装置无线传输能量和数据。这种方式能避免有线能量传输存在的接口感染、皮肤穿孔等问题, 也更便于实际使用。

无线传输系统的总体结构如图1所示。视觉信息在体外经过采集与处理, 转化为特定数据编码, 传给发射电路。发射电路按特定的调制方式将数据编码 (前向数据) 加载到发射信号上, 经由射频功率放大器、体内外耦合线圈对传输到体内植入装置。能量信号也会同时传送到体内植入装置。体内植入装置的射频收发电路从接收信号中恢复出数据、时钟和能量, 传给神经微刺激器, 产生相应的刺激电流, 经由植入式微电极阵列作用于视网膜、视神经和脑皮层等部位, 最终使植入者产生有效的视觉感知 (光幻视) 。一些方案在体内植入装置中设置了传感及监测电路, 能够监测体内植入装置的供电状态、电极阻抗和温度等参量, 根据需要将体内信息 (反向数据) 传输到体外装置, 用于反馈控制和调节。

2 能量传输设计与优化

视觉假体的无线能量传输中, 线圈耦合条件相对较差, 耦合因子往往小于0.3 (甚至低于0.1) , 属于低能磁链, 因而传输功率有限, 效率较低, 且易受线圈相对位置影响[9]。在设计能量传输时, 要充分考虑传输的功率大小、效率、稳定性、持久性等要求。

2.1 功率放大器效率和稳定性的优化

功率放大器的选型和设计直接影响无线能量传输的效率, 因此对整个无线传输系统至关重要。目前用于视觉假体无线传输的射频功率放大器多数采用E类功率放大器, 其理论转换效率最高达100%, 适用低耦合、较大功率、较高频率的射频发射要求。Sokal NO和Sokal AD[10]率先对E类功率放大器的电路架构与理论做了详尽的阐述。在此基础上, Rabb FH[11]提出了经典分析和参数设计方法。Tu SH等[12]分析了负载的品质因数对放大器转换效率的影响。

如图2所示, E类功率放大器采用单开关 (MOS管M1) 结构, 发射线圈电感L1与电容C1、C2构成振荡网络。R是发射端的等效电阻, Lchoke是扼流线圈。P W M信号控制开关周期性导通和截止, 使与开关相连的振荡网络呈现周期性振荡。C1和C2的具体数值可以根据L1、R和电路品质因素Q计算[13,14]。要使E类功率放大器工作中获得理想的漏极效率, 开关切换时要满足两个临界条件, 即零电压切换 (Zerovoltage Switching, ZVS) 和零导数切换 (Zero-derivative Switching, ZDS) 。前者要求开关导通时其漏极电压Vd接近0或者开关的饱和偏移电压, 后者则要求开关导通时Vd的导数为0[13]。

为了使E类功率放大器保持高效稳定的工作状态, 往往需要在设计中加入反馈调节。反馈调节按照调节环路位置可以分为体内反向数据反馈和体外闭环反馈;按照反馈输入信号类型可分为电压反馈和电流反馈;按反馈输出类型可分为反馈到开关和反馈到输入电源。

反馈到开关的调节方案检测电路的振荡状态, 在满足零电压切换 (ZVS) 和零导数切换 (ZDS) 条件的最佳时间点控制开关的通断, 保证发射电路有较大转换效率。此外, Kessler DJ等[15]从理论上推导了开关控制信号占空比与功率放大器电路元件损耗的关系, 为避免转换效率的显著降低, 开关控制信号占空比应大于30%。Baker MW等[16]设计了一种漏极电压反馈控制开关的电路, 通过直接检测漏极电压Vs判断开关通断条件。该电路工作频率在4.5 MHz左右, 链接效率最高达74%。Ziaie B等[17]设计了一种初级线圈电压反馈控制开关的电路, 工作频率3.9 MHz, 效率达71%。

反馈到输入电源的调节通过改变功率放大器的输入电源电压或者电流, 进而调节功率放大器的输出功率。Wang G等[18]设计了一种电流反馈控制电源输出的电路, 检测初级线圈电流的变化, 调节E类功率放大器输入电压。该电路工作频率1 MHz, 总效率达65.8%。

2.2 线圈耦合效率的优化

基于低能磁链耦合的无线能量传输中, 优化线圈或耦合链接对提高该类无线传输的效率十分重要[9]。Harrison R建立了可植入设备的电磁耦合效率理论模型[19]。根据该模型, 耦合因子越大, 系统耦合效率和能量传输效率就越高, 而耦合因子与体内外线圈几何尺寸、耦合距离和等效电感等相关。

视觉假体植入部位通常是头部或者眼部, 实际应用中其耦合线圈的几何尺寸和耦合距离都受到严格的限制。线圈优化主要包括提高线圈品质因数Q和降低线圈上的功率损失。高Q值线圈有利于提高耦合效率和能量传输效率, 但Q值过高也会导致射频发射电路的可操作域变窄:电路中元件的微小变化都会导致电路谐振频率点的较大迁移[19]。降低线圈上的功率损失, 就要减小线圈的等效交流阻值。对于较高频率的无线能量和数据传输, 线圈上的趋肤效应和邻近效应较为明显, 可考虑采用特殊线材和绕线方式减小这类高频效应, 比如采用利兹线绕制线圈 (有效频段大约在103 Hz~106 Hz数量级之间) [20]。Yang Z等[21]提出了根据线圈内外径、匝数、线径、股数、直流电阻和应用频率等参数计算线圈等效交流电阻、电感、寄生电容的模型, 并提供了分析线圈适用频率范围的方法。

3 数据传输设计与优化

视觉假体对准确性、实时性和数据传输速率有较高的要求。为了达到闪光融合 (Flicker Fusion) 阈值, 保持视觉感知的连续性, 视觉假体数据传输帧率要求维持在 (10~50) fps之间甚至更高, 其中视网膜上假体 (Epiretina Prosthesis) 的帧率要达到 (40~50) fps[22]。以1 024电极视网膜上视觉假体为例, 假设每个电极控制命令25 bit, 帧率40 fps, 则数据传输速率须高于1 Mbps。此外, 设计数据传输时还要考虑如何消除能量传输对数据信号的干扰。

3.1 双频传输用于提高传输速率

目前视觉假体无线数据传输主要有单频传输和双频传输两类。单频传输中数据传输与能量传输使用同一对耦合线圈和相同的载波频率。数据信号通过一定的调制方式加载到载波上, 接收端恢复的能量大小则取决于载波强度。提高载波频率有利于扩宽数据带宽, 提高传输速率, 却不利于能量传输。一般而言, 载波频率越高, 传输能量的组织吸收比越大, 能量传输效率越低, 无线传输的有效深度越小[23]。因此, 单频传输中载波频率不宜过高或者过低, 要平衡数据传输速率和能量传输效率的要求。该类方案适用较低数据传输速率和对能量传输效率要求不高的情况。

当传输功率较大、数据传输速率较高时, 数据传输和能量传输对载波频率的不同要求愈发难以平衡, 单频传输的不足逐步显现。针对这一情况, 加州大学的Liu W小组[24,25]提出了用于视觉假体的双频无线能量和数据传输。该方案分离了能量传输和数据传输, 提出采用两对不同的耦合线圈、分别以不同频率的载波传输数据与能量信号, 既能提高数据传输的速率, 又能保持能量传输的高效率。双频传输中也可以根据能量和数据传输的不同要求分别对各自的耦合线圈进行优化:能量传输的线圈遵循高Q值原则, 频带窄, 以获得高效率;而数据传输的线圈遵循较低Q值原则, 频带宽, 更有利于高速率[26]。Liu W小组的方案中, 数据载波频率达到20 MHz或22 MHz, 数据传输速率最高可达2 Mbps;能量载波频率达1 MHz或2 MHz, 能为256电极视觉假体装置稳定供能。

双频传输中还要考虑能量线圈和数据线圈的相对安放位置。一种方式是能量线圈和数据线圈同轴平行放置。该方式空间排布紧凑, 但是能量线圈和数据线圈之间存在复杂的交叉耦合关系, 能量耦合与数据耦合相互干扰较大, 这导致传输的数据信号不仅包含较多的噪声, 还会因为能量耦合电磁场的抵消作用而减弱强度[24]。Zhou M等[25]提出了一种适用于同轴平行耦合线圈数据传输的DPSK技术, 可以有效抵抗能量信号对数据信号的干扰。Ghovanloo M等[27]提出了另一种双线圈对的安放方法:能量线圈和数据线圈相互垂直放置。该方法可大大削弱两对线圈间的交叉耦合, 同时尽可能增大每对线圈的耦合强度, 保证了选择不同能量和数据载波频率的灵活性。

3.2 调制方式的选择和改进

视觉假体无线数据传输中常用的数据调制解调方式有幅移键控 (ASK) 、频移键控 (FSK) 和相移键控 (PSK) 三种基本类型及由其衍生的负载变化键控 (Load Shift Keying, LSK) 、差分移相键控 (Differential Phase Shift Keying, DPSK) 等多种形式。数据调制和解调方式关系到数据传输的准确性和电路设计的复杂性, 也可能影响能量传输的效率。合适的数据调制和解调方式应当充分考虑传输速率和实际环境, 能在一定程度上抑制能量传输和外环境干扰, 简单高效地实现数据传输。

ASK是最简单调制形式, 在神经假体早期设计中经常被采用, 传输速率在 (8~250) kbps之间[28]。采用ASK的方案具有电路结构简单的优点, 但调制深度受载波传输能量要求的制约, 传输速率较低。相比ASK而言, 采用FSK方法可以获得更高的传输速率 (最高可超过2.5 Mbps) [29,30]。FSK方法对载波频带有较多要求。FSK信号调制深度受制于数据传输速率和载波频率的比值, 要同时获得高速率和大调制深度就必须提高载波频率;在单频传输中难以同时保证高数据传输速率和高能量传输效率。

PSK同样适用于较高速率的数据传输, 传输不易受载波幅度和频率波动的影响, 具有较好的抗干扰能力。相比FSK, PSK对载波频带要求低, 也能达到较好的能量传输效率[32,33]。然而, PSK方案设计中往往需要锁相环等部件实现信号锁定, 电路较为复杂。Zhou M等[25]在PSK方式基础上进一步改进, 提出一种非相干DPSK技术, 适用于较大功率的双频传输。该技术利用数据载波相位变化编码, 通过二次采样方法实现DPSK解调, 可以在不需要锁相环和ADC的条件下完成高速度的数据传输。该方法能有效抵抗能量信号对数据信号的干扰, 保证双频系统中数据传输的准确性。

LSK又常被称为反射调制, 一般用于体内装置向体外的反向信息传输。该方法通过改变次级电路负载阻抗, 经耦合线圈将这种变化传回初级电路, 实现信息的反向传输。Tang Z等[31]设计了一种实现LSK的电路配置调制器, 分析了调制原理, 并验证了相关电路的有效性。Wang G[18]在一种具有双向数据传输能力的生物可植入假体设计中应用了类似原理。FSK、PSK及其衍生方式也常被用于反向数据传输[27,34]。

4 总结

视觉假体是视觉功能修复的重要手段。无线传输系统要为体内植入部分高效率大功率地供能, 利用容量有限的体外便携式电源维持尽可能长的续航时间;同时高速率地传输数据, 保证视觉假体工作的实时性要求。为了提高电刺激所诱发假体视觉的空间分辨率, 增强植入者的视觉感知能力, 仍需提高视觉假体装置体内植入的电极数目。而随着电极数目的增多, 体内装置的功耗和数据传输量也将大大增加。这是视觉假体经皮无线传输研究中有待解决的重要问题。

本文回顾了视觉假体中无线传输的基本原理, 讨论了无线能量和数据传输设计中的主要考虑因素, 并对当前的设计方法进行了综述。这些因素与设计方法有助于优化无线传输的耦合条件, 保持较大功率无线能量传输中的系统效率, 提高数据传输的速率, 减小能量传输与数据传输的相互干扰, 对高分辨率假体装置的设计具有一定的指导意义。随着高分辨率视觉假体系统的发展, 更加高效、高速、微型的无线传输方案也将不断出现。

能量与数据无线传输 篇2

基于GPRS网络组建的无线数据传输系统具有永远在线;按流量计费;接入时间短;较高的传输速率;覆盖范围广;通信链路免维修;组网简单、迅速、灵活、防雷击等特点。

GPRS的无现数据传输应用非常广泛，几乎所有行业都能用到。具体而言，GPRS无线数据传输系统的应用领域有：工业遥信、遥测、遥控;无人值班机房监控和远程维护;城市配电网自动化系统数据传输;自来水管道、闸门、泵站与水厂监控;煤气管道、闸门与加压站监控;环境监控;供热系统实时监控;水文监控;金融、零售行业以及其他无人值班站点监控。

但每种行业的实际需求和复杂的应用环境都不大相同，因此每种行业都会有自己独特的功能要求和组网方式。我们基于多年来对各行业GPRS实际组网经验，根据对每种行业的实际需求与特点，总结了如图1所示的四种组网方式，供客户根据业务需求和投资成本进行选择。

方案一：中心采用ADSL等专线方式与Internet公网连接，采用公网固定IP或公网动态IP DNS解析服务。此种方案又可分为两种情况：一种是数据中心拥有固网IP，数据终端直接向数据中心发起连接，运行可靠、稳定;另一种是数据中心拥有公网动态IP，使用公网动态IP DNS解析服务。此种方法可以大大节约公网固定IP的费用，但稳定性受制于DNS服务器的稳定。适合于小规模应用。

方案二：数据中心采用主副GPRS—DTU，使用移动内网动态IP 移动DNS解析服务。此种方案适合小规模应用，但实时性和稳定性较差。

方案三：数据中心采用主副GPRS—DTU，采用移动APN专网固定IP。此种方案较方案二而言，无需DNS解析，减少中间环节，稳定性增强，且无需负担宽带专线月租费用，

方案四：数据中心采用APN专线，所有点都采用内网固定IP。此种方法无论实时性、安全性和稳定性较前三种都有大大提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境，是在资金允许的情况下的最佳组网方式。

这几种方案的中心主机功能相当于普通的网络服务器，但和一般的商业服务器相比有两大特点：一、他是服务于GPRS子网用户的服务器;二、他的服务客户对象是事先预知的。我们结合这两个最显著的特点，提供了以下几种安全技术解决方案：

1.IP过滤技术：由于数据中心服务于GPRS子网用户，所有访问客户必须通过CMNET或专用APN才可能访问该服务器。因此，我们在系统中设置了防火墙，通过IP过滤技术，对所有接受是数据包进行过滤，阻止非法IP数据包。

2.身份授权和密码认证体系：由于该系统是专业化的服务系统，访问客户是预先确定的，利用这一特点，在系统的RADIUS服务器中存储了所有客户的SIM卡号以及密码，对通过了IP过滤的数据包再验证其SIM 。对于该系统以外的非法用户，获取合法的SIM 将非常困难，所以这一步大大增强了系统的安全性。

3.数据安全加密措施：采用标准的SSL数据安全通讯协议在客户端和服务器端建立加密数据通道，保证私有数据传输的安全性;在应用层植入高可靠性的加密算法，使得数据在任何网络出错时都可以得到保证的高可靠性;采用MD5算法产生“报文摘要”以实现对所有发送报文的数字签名，保证了数据传输过程中的完整性，防止数据被纂改。

能量与数据无线传输 篇3

1 无线电能传输系统主要构造和工作原理

无线电能的传输系统还称为无接触的感应耦合电能的传输系统, 其简称是ICPT系统。应用电磁感应的耦合原理经过松耦合变压器中一次侧原边线圈和二次侧的副边线圈相应电磁感应耦合关系实现电能的有效传输, ICPT系统主要构造包含了能量发射设备和能量的接收设备两方面, 如图1所示。另外, ICPT系统主要工作原理是, 工频交流电源通过整流滤波获取直流电能过后, 然后利用高频逆变器实现逆变, 而逆变形成的高频交变电流可以注入在一次侧的原边线圈中, 而一次侧的原边线圈相应高频较频电流形成的磁链φ和二次侧的副边线圈交链, 进行形成感应电动势, 此感应电动势能够经过高频整流和直流斩波等相关调节电路过后, 就能够向负载提供参数适宜的直流电能供应。

2 无线电能传输方式

2.1 电磁感应方式无线电能传输

非接触的感应电能传输一般应用非接触器的耦合实现无线电能传输。其把系统变压器中紧密型的耦合磁路实现分开, 而且变压器的原边绕组经过的为高频交流电, 经过原边绕组和副边绕组相应电磁感应把电能传输至副边绕组和用电装置, 进而完成电源与用电负载间能量游戏哦啊传递, 并不需要进行物理连接。应用非接触的电磁感应实现无线供电传输技术已经较为成熟, 可是会遭受许多限制。例如变压器中绕组位置和气隙宽度等, 会造成磁场在距离的不断增加下而逐渐衰减。若是增加供电距离, 就会在一定程度上加强磁场强度。可是磁场强度过大就会加大电能消耗。同时还会造成周围应用磁信号有效记录信息的相关设备失效。对此, 其有效传递距离仅仅是几厘米, 此种无线电能传输仅仅适合短距离的电能传输。

2.2 电磁共振模式的无线电能传输

电池共振模系统一般应用两个同频率相关谐振物体形成较强的相互耦合, 运用线圈与放置两端的相应平板电容器, 一起构成谐振电路, 从而完成能量的无线传输。某研究团队对电磁共振式进行了实验研究, 此实验过程中发送端与接收端线圈构成磁共振系统, 若是发送端相应磁场振荡频率与接收端相应线圈固有频率相同, 这时接收端就会形成共振, 从而完成能量的有效传输。依据共振特点, 能量传输主要在共振的系统内部实现, 针对此共振系统外的有关物体并会造成任何影响。若是发射端在通电过程中, 其不会向外部发射电磁波, 仅仅在周围构成非辐射磁场。此磁场用于与接收端进行联络, 有效激发出接收端共振, 进而实现能量传输, 而且消耗的成本比较小。另外, 在进行无线电能传输时, 磁场强度与地球的磁场强度比较相似, 并不会对人类与附近装置造成不良影响。此种新技术造成电能的消耗仅仅是以往电池感应相关供电技术的百万分之一。此种技术下电能的有效传输距离是几十厘米至几米, 此种传输方式可以适宜中程传输。

2.3 电磁辐射方式无线电能传输

此种传输模式一般利用微波波段完成电能传输, 其中微波主要为波长处在无线电波与红外线间的相应电磁波。因为频率相对比较高, 可以有效经过电离层并不反射。同时由于宇宙空间实现微波传输相对理想, 并不会发生能量损耗, 经过大气层的过程中损耗仅仅为2%。另外, 微波输电应用的是电池辐射原理, 主要由电源进行电力输送, 利用微波转换器把工频交流电转变成微波, 然后在应用发射站中的微波发射天线有效送至空间, 最终传输至地面的微波接收站, 此时接收的微波利用转换器把微波转变成为工频交流器, 供用户应用。此中电能传输距离通常是几千米, 比较适宜进行远程传输。

3 无线电能传输系统中信道容量与电能传输效率

无线电能的传输系统相应传输效率特性曲线如图2所示, 把频段有效换分成为许多个子频带, 同时假设在第k个子频带中分配的相应功率是p (k) , 而传输效率是 (k) , 相应的离散方式下信道容量以及传输效率可以利用下述公式进行表示:

上述公式中的C表示无线电能的传输系统欣荣通道, 而N表示高斯白的噪声功率, 表示无线电能传输系统总体传输效率。

4 输入输出功率受限时信道容量的优化方案

从上文公式中能够得出, 信道容量会在输入功率逐渐变大下而不断增大, 可是在是实践应用过程中, 无线电能传输系统可以提供的功率为有限的。在此种状况下, 应该对输入功率遭受限制时, 对子频带的功率进行合理分配。

公式中的Pin表示电源可以提供的最大功率, 对上述公

式进行有效优化, 应用Lagrange乘数法完成极值有效求取,

最后获取子频带功率的相应分配方案如下:

公式中的μ*——Lagrange因子, 可以满足下述公式

针对无线电能的传输系统而言, 不但要重视输入功率, 还应该重视负载侧接受功率, 即输出功率, 对此优化方程如下:

5 信道容量与传输效率优化

传输效率的特性区选取一点最大时, 若想保证电能传输效率的最大化, 就应该使无线电能传输系统的工作处于fpeak频率中, 而此时的工作状况喜爱, 带宽是零, 因此信道容量也是零, 也就是传输效率和信道容量在此状况下, 难以同时实现最优, 对此, 应该充分研究两者优化问题。

5.1 传输效率遭受限制时信道容量优化

各种无线电能的传输系统对于传输效率与信道容量的需求存在一定差异, 针对大功率传输运用, 必须要满足效率需求。对此, 提出下述优化方案。

公式中的表示的为至少需求的传输效率。

5.2 信道容量遭受限制时的传输效率优化

针对信息传输速率要求比较高的场合, 信道容量已经成为必须满足的条件, 在此种状况下的方程优化方案如下:

公式中的Crequired表示至少需求的信道容量。

6 结语

经过应用信道容量与传输效率相关表达式, 把无线电能的传输系统信息以及能量关系实现深入分析, 然后经过理论的推导, 制定输入功率与输出功率遭受限制时, 对信道容量进行有效优化的方案。同时在此前提下, 还在信道容量以及传输功率遭受限制, 制定相应优化方案, 从而确保无线电能传输系统中信息与能量合理平衡。

摘要：现阶段, 研究与分析无线电能和信息同步传输系统的相关文献摘要关注的实现方式, 而无线电能的传输系统信息和能量之间的关系及优化方案分析研究比较少。若是无线电能和信息传输系统的信道容量以及传输效率遭受限制, 就必须对信道容量进行优化。文章主要对信道容量遭受限制时, 制定了传输效率优化对策, 同时也对传输效率遭受影响时信道铜梁的优化进行了研究。

关键词：无线电电能传输,信息传输,信道容量,传输效率

参考文献

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能量与数据无线传输 篇4

磁耦合谐振无线能量传输(SCMR)技术最早由Marin Soljacic教授等人于2007年提出并被验证,该技术能够在中距离的范围内实现无线能量的高效传输[1,2]。

研究学者们对SCMR无线能量传输技术的研究主要集中在系统结构、频率分裂特性以及阻抗匹配等方面。Leonardo Sandrolini等研究了两线圈系统的并联谐振模型和串联谐振模型[3,4],并提出效率较高的混合谐振模型[5],还详细分析了系统的频率分裂及阻抗匹配特性等[6,7,8,9],但其研究并未涉及到复杂度更高的四线圈系统的相关模型,因此其结论无法应用到四线圈系统中。Johari,R等研究了基于四线圈系统的多发射阵列模型[10,11],但其文中使用的四线圈系统中,并未对其驱动线圈和负载线圈进行调谐处理,即无相应的临界耦合系数及效率对比等。Jong-Wook Lee等研究了四线圈系统串联模型[12],其文中使用了四线圈串联谐振的系统模型,并未对驱动线圈和负载线圈的失谐进行理论分析,因此也不适于实际系统的建模分析及设计。由此可见,虽然国内外学者对两线圈及四线圈系统特性进行了大量的研究,而对于较为复杂的驱动线圈和负载线圈失谐的四线圈系统模型及其与四线圈系统串联谐振模型的对比方面的研究却十分鲜见。研究学者在实际设计四线圈系统的过程中缺乏对于系统建模的对比分析,难以选择最合适的系统模型以及设计最优的系统。因此,对于驱动线圈和负载线圈是否谐振这两种系统的对比研究十分必要。

本文的研究主要集中在对四线圈系统磁耦合谐振无线能量传输系统中,对驱动线圈和负载线圈谐振失谐对系统传输效率及临界耦合时对应的传输距离的影响,并分析了延长四线圈系统传输距离的方法。先讨论四线圈系统模型的建立以及对系统传输效率和临界耦合状态的分析,然后分析了驱动线圈和负载线圈在不同条件下系统传输效率和传输距离的差异,最后用实验进行验证。

1 四线圈无线能量传输系统结构

四线圈磁耦合谐振能量传输系统由分别由驱动线圈D、发射线圈S、接收线圈R以及负载线圈L组成。由于线圈D、L均为单匝线圈,其分布电容非常小,故可将其忽略不计,以简化系统分析。四线圈系统结构图如图1所示,其中kij为相邻两线圈间的耦合系数;线圈D与激励源相连,线圈L与负载相连。左边线圈D和线圈S构成能量发射模块,右边线圈R和线圈L构成能量接收模块,四线圈能量传输系统的等效电路模型如图2所示,其中线圈1~4依次对应于图1中的四个线圈,Vs为电压源,Rs为电源内阻,RL为负载阻抗,L1~L4分别为四个线圈的电感,Rp1~RP4分别为四线圈的寄生电阻,C2,C3分别为发射线圈和接收线圈的分布电容,图2中的C1和C4分布为驱动线圈和负载线圈的调谐电容,若考虑驱动线圈和负载线圈失谐的情况,则图2中C1和C4用导线短接。

由于发射模块和接收模块间的距离相对较远,各线圈之间的交叉耦合较弱,故在实际建模时为简化模型而将交叉耦合项忽略。

2 四线圈系统工作原理分析

2.1 四线圈系统建模

根据图2,可列出其KVL方程组:

其中I1,2,3,4分别为四个线圈的电流,ω为系统的工作频率,Mij分别为线圈i,j之间的互感,kij为对应的电感耦合系数。

令:

则可得负载端电压VL与源端电压VS的比值:

其中若系统电源端内阻和负载端阻抗与系统标准阻抗(50Ω)匹配,则系统的传输效率可以表示为且S21与电压增益的关系[12]为:

当发射线圈谐振频率ω2和接收线圈谐振频率ω3相同,且系统工作频率ω=ω2=ω3时,由式(2)可知Z2=Rp2,Z3=Rp3,且

为进一步简化表达式,考虑对称系统,即驱动线圈D和负载线圈L相同,发射线圈S和接收线圈R相同,且耦合系数k12=k34。实际系统中,通常保持两个模块一致,则可将式(3)简化为

2.2 线圈D、L失谐对系统传输效率及距离的影响

设计四线圈磁耦合谐振无线能量传输系统时,系统主要性能参数包括传输效率和传输距离。当以S21为因变量,线圈S和线圈R间的耦合系数k23以及系统工作频率f为自变量时,四线圈系统存在一个临界耦合点。当线圈S与线圈R之间的耦合系数大于此临界耦合系数时,系统能以较高的效率工作,而当小于临界耦合系数时,系统传输效率随耦合系数的减小急剧降低[14]。

四线圈同谐振时,即当添加电容C1和C4的值使得线圈D和线圈L的谐振频率与线圈S和线圈R的谐振频率相同且与系统工作频率一致时,由式(2)可知,Z1=Z4=RS+Rp1≈RS,(Rp1≪RS),则系统电压增益可简化为:

系统传输效率最大时,最大,亦即最大,此时的k23对应系统的临界耦合系数。对公式(6)两边求导,并令可得:

由式(7)可知,提高发射线圈和接收线圈的品质因数既可以改善系统的传输效率又可以增加系统的有效传输距离。

线圈D和线圈L失谐时,即图2中的电容C1和C4用导线代替,则由式(2)可知,Z1=Z4=RS+jωL1+Rp1≈RS+jωL1,代入式(5)可得:

同理,可计算此情况下的临界耦合系数:

代入式(8)并联合式(5)即可计算出|S21|c′。其结果可由MATLAB仿真而得[16]。

3 系统仿真

基于上述对线圈D和L谐振、失谐的分析,利用MAT-LAB软件对式(7)和(9)进行仿真。对比四线圈同时谐振和线圈D及线圈L失谐的情形,利用MATLAB分别画出二者对应的|S21|c和k23c在不同接收(发射)线圈品质因数Q2时的大小,分别如图3~4所示,对应的系统各线圈参数如表1所示。

由图3可知,两种情况下,|S21|c的值均随Q2的增大而增大,这说明增大Q2可以提高系统能量传输效率;在同样的条件下,且当k23≤k23c时,四线圈谐振状态下系统的传输效率较高;线圈D和线圈L失谐时,|S21|c进入稳态时所对应的Q2值比四线圈谐振时所对应的Q2值高,因此线圈D和线圈L失谐时,为取得相对较高的效率,设计发射线圈和负载线圈时,其品质因数要求更高。文献[15]中讨论了线圈各参数对线圈品质因数及系统传输效率的影响。

由图4可知,系统的临界耦合系数均随Q2的增大而减小,故无论线圈D和线圈L谐振与否,增大Q2均可以增加系统的有效传输距离。当线圈D和线圈L失谐时,系统的临界耦合系数比四线圈谐振时的临界耦合系数小。这说明,四线圈系统中,线圈D和线圈L失谐时,系统有效传输距离较长。

4 实验研究

图5为实验装置图,图中从右至左依次为驱动线圈D、发射线圈S、接收线圈R和负载线圈L。图5中的单匝驱动线圈和负载线圈对应有调谐电容(系统Ⅰ)和无调谐电容(系统Ⅱ)两种工作状态,对比两种情况下的系统传输效率和临界耦合距离。

为保证系统对称,发射线圈和接收线圈尺寸一致,驱动线圈和负载线圈尺寸一致,且驱动线圈和发射线圈之间的距离与接收线圈和负载线圈之间的距离相同,发射线圈和接收线圈的间距记为d。两种情况下的数据记录如图6所示。

由图6(a)可以看出,四线圈谐振时,S21曲线只有一个峰值,即此时系统已经达到临界耦合状态;而由图6(b)可知,线圈D/L失谐时,其临界耦合距离为46 cm,且由于系统Ⅰ已过临界耦合点,故其效率随距离的增加而急剧下降。系统Ⅰ中达到临界耦合距离时,其S21值大于状态Ⅱ中的S21值,即采用四线圈谐振的电路模型时,系统能达到更高的传输效率;随着线圈S和R间的距离增大,系统Ⅰ先达到临界耦合状态,系统Ⅱ后达到临界耦合状态,表明线圈D和L不谐振系统的有效传输距离更长,与理论分析结果一致。因此,在实际设计系统时,可根据具体系统的传输距离和传输效率要求而选择驱动线圈和负载线圈是否添加调谐电容。

5 结束语

温度数据采集与无线传输系统设计 篇5

本系统以STC单片机作为主控芯片, 采用数字式温度传感器DS18B20, 并利用其特有的单总线特性组成传感器网络, 应用液晶LCD1602作为人机交互界面, 在充分综合分析蓝牙、GPRS、GSM等无线数据传输方式的基础上, 针对有线的数据采集方式应用受到限制的场合, 结合实际, 并考虑到做成实物调试和开发难易程度等可行性问题上, 确立了无线射频收发一体芯片的解决方案, 即利用基于n RF905芯片的无线收发模块完成数据的接收与发送, 再应用传感技术, 实现多点温度数据采集。系统还预设温度自动报警功能, 能对温度的实时监控起到预警作用。整个系统分为: (1) 温度数据采集和发送模块; (2) 温度数据接收及显示模块两部分;该系统的设计意义深远, 不仅在于能将数据采集与无线传输相结合, 充分发挥了无线传输的优势, 而且能有比较广泛的应用。

1 温度数据采集与无线传输系统设计的总体设计

整个系统由温度数据采集显示和发送程序和温度数据接收及显示程序两部分组成;

a温度数据采集显示与发送模块是由温度传感器网络DS18B20网络、液晶屏LCD1602、n RF905无线收发模块和主控芯片STC89C52RC组成;

b温度数据接收及显示模块则是由基于n RF905的无线收发模块和主控芯片STC89C52RC、液晶屏LCD1602构成。

本设计的总体设计图如下图1所示:

2 温度数据采集与无线传输硬件系统设计的硬件设计

2.1 系统电源电路

该模块将市电经过变压器变压后, 转化为18V的交流电压, 利用LM7805转压芯片将18V的交流电转化为5V直流电, 为单片机等提供电源。LM317H将18V交流电转化为3.3V直流电, 以供无线射频芯片使用。

2.2 单片机最小系统

单片机采用内时钟方式, 利用芯片内部振荡电路, 在引脚上外接定时元件, 内部振荡器便能产生自激荡。定时元件采用的是12MHz的晶振和30p F的两个电容组成的并联谐振电路。

2.3 温度数据采集

本系统为多点温度采集, DS18B20支持“一线总线”接口, 测量温度范围为-55℃~+125℃, 在-10~+85℃范围内, 精度为±0.5℃。现场温度直接以“单总线”的数字方式传输, 大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20采用外部供电方式, 只需要用一个接口引脚就可以驱动多路DS18B20, 本系统设计之初只采用4个温度传感器, 如图2所示。单片机通过读取各个DS18B20的序列号, 分别获取温度数据。

2.4 温度数据显示电路

LCD1602的引脚1接地, 引脚2接5V电源, 引脚3接电位器来调节显示器的对比度, 引脚4~14接单片机, 引脚15接10K电阻来设置显示器的亮度。

2.5 数据收发电路

VCC接3.3V电压;μCLK为输出时钟, 本系统中无需使用, 悬空;CD为输出, 单片机不对其进行控制, 悬空:GND接地;其它引脚和单片机相连, 由单片机控制其发送数据或接收数据。

2.6 无线模块芯片n RF905

n RF905芯片是挪威Nordic公司推出的单片射频发射芯片, 工作电压为1.9-3.6V, 32引脚QFN封装, 工作于433/868/915MHz三个ISM频道, 其由一个完全集成的频率调制器, 一个带解调器的接收器, 一个功率放大器, 一个晶体振荡器和一个调节器组成。Shock Burst工作模式能够自动产生前导码和CRC, 可以很容易通过SPI接口进行编程配置, 电流消耗很低, 在发射功率为+10d Bm时, 发射电流为30m A, 接收电流为12.5m A。进入Powerdown模式可以很容易实现节电。图3为基于n RF905的无线收发模块电路图:

3 温度数据采集与无线传输硬件系统的软件设计

系统采用C语言进行软件设计, 编程和调试环境为Keil 4, 系统的软件部分发送端、接收端主流程图如图4、图5所示。

4 系统的整体性能调试

4.1 硬件性能的测试

按照本文的软硬件最初设计思想, 在连接好硬件实物之后, 我们直接对整体实物进行测试, 通过对代码的精心改写, 使得最终的测试结果达到了满意的效果:发送端的液晶屏能够实时显示温度的变化, 接收端的液晶屏温度数值的显示也能随着发送端的变化而变化。

4.2 无线传输距离的测试

传输距离的测试分室外和室内两种环境下进行。其中室外环境的测试在操场上进行, 经测试在两节点相距70米左右时仍然能进行正常通信, 但是在通信距离超过150米左右时发生通信中断的现象。室内环境测试, 由于障碍物的存在, 节点通信的距离下降十分明显, 在不需要穿墙时的通信距离在65米左右, 穿两堵墙时的通信距离在50米左右。

5 结束语

本系统以C51单片机为主控芯片, 通过DS18B20温度传感器采集温度数据, 并利用n RF905无线传输模块和液晶屏1602进行数据的无线收发和显示。通过对软件代码的精心修改使得最终的系统调试获得满意的结果, 达到了最终的设计目的。

摘要：该系统采用C51单片机为核心并且利用了4个DS18B20温度传感器, 2个液晶显示器1602, 以及n RF905的无线收发模块成功的完成了对温度数据的采集、显示和传输以及接受并显示, 并且增加了温度报警功能。我们经过了长期的研究并制定了合理的方案之后对系统进行了设计, 具体是电源电路的设计, 芯片的选择与应用, 程序代码的编写以及各个模块功能的实现, 并且根据系统的特点, 将系统分为采集发送模块和接受显示模块。在系统设计完成后在实验室进行了多次的调试和测试。测试结果表明:系统软、硬件符合设计要求, 可以投入使用。

关键词：温度,数据采集,无线传输,LCD,单片机

参考文献

[1]黄贤武.传感器原理与应用[J].电子科技大学出版社, 2006.

[2]江世明, 刘先任.基于DS18B20的智能温度测量装置[J].邵阳学院学报, 2004.

能量与数据无线传输 篇6

一、无线技术的概述

收发信机、空中信道和天线馈线是无线技术系统的三个组成部分。在对系统进行前期准备设计工作时, 要确定好电台指标和各种设备的物理位置, 这些的确定主要通过对系统的通信、传输速度还有传输范围的要求来进行。在前期准备工作完成后主要还有两个技术问题, 第一是在无线信道上的传输还有就是网络的拓扑结构和媒介接入控制问题。对无线技术下的智能传输系统的迫切需求是其发展的重要原因。该项技术的提高和使用极大的节约了人力和财力资源。不仅如此, 在保证传输过程的速度和数据不受干扰的同时, 还要对数据的安全进行保障, 这一功能的提出和实现是使用户能够信赖该系统的基础。这也就对无线生产数据下智能数据传输系统的研发和完善提出了更大的挑战。

第一, 在无线信道上的传输。无线信道有三个特性, 这也就使得对于无线信道的优化可以从三个方面进行, 可以多角度的提高数据传输的速度和真实度, 最简单的几种方法有:将天线定向、分集接收信息、扩大频率等。

第二, 网络结构和控制技术。目前的网络结构也是有三种。其中中心控制结构有着高效利用信号发射频率等优点, 所以, 这是最多被使用的网络结构。控制技术主要包括两个方面, 一方面是接入协议还有一方面是高效利用信道, 因为不会有一个用户长时间的利用信道, 所以做好多个用户在信道使用方面的协调工作极为重要。

大概在二十世纪末, 世界上出现了无线数据传输设备贩卖和使用的高潮, 各个商家看到了该技术的前景, 都推出了自己创新的产品, 使得价格降低。更引来更多的使用者, 促进了无线技术的深度发展。

二、系统的分析与设计

在做系统之前要对系统的环境进行分析, 例如系统是要对野外的电器设备进行监控, 这就要求该系统对恶劣环境的适应性。

野外的电器设备数量众多, 而且位置偏僻, 导致日常对其的维修检测及检查出现不便甚至危及生命。在自动化控制技术的飞速发展背景下, 大多的电器设备都采用了这项技术, 可以随时通过网络在办公室对电器设备进行监控, 但是传统的数据传输系统仍然使用金属导线, 对于该系统的安装和使用造成很大的不方便, 因为在安装过程中需要大面积的铺设电缆对施工要求大大加强, 还增加了造价。不仅如此, 在使用过程中, 还要经常对其进行检修和替换因为电缆造价较高, 如果监管不力会被盗窃, 还易损坏, 这样不仅成本大幅提升, 还对正常的数据传输造成了麻烦。

不仅如此, 野外由于环境较差发展落后, 导致电力不能持续供应, 一旦断电发生, 这就要求利用电池对其进行能量供应, 所以电池的使用寿命也要进行提高, 这样才能保证正常持续的数据传输。

以此环境分析为依据对系统进行基本设计, 针对野外这种恶劣环境, 系统需要采用AT89S52单片机 (MCU) 控制CC1000收发模块来实现功率的自动调节, 这种搭配可以在不同环境下将系统的使用功率自动调节到最适应的大小, 在环境好的情况下, 该系统会在正常数据传输时, 确保下降低使用功率。由于使用功率的降低, 使得的电量被保存, 在环境差的情况下, 极少的使用电量, 保证电池的使用寿命, 从而减少成本投入并且长时间的保证电子设备的使用时间, 来保障数据传输的持久。

在设计中需要考虑各方面的问题并且将其解决, 才能更好地完善系统的功能。根据以上对系统环境、适用范围和使用要求的分析提出以下几个想法:

1. 应用适合的单片机 (MCU) 使系统可以达到设计要求并且造价低廉。2.建立数据传输的信道, 将从电器设备上采集到的数据传输到控制中心。3.系统有自动检测数据是否传输失真的功能, 例如对采集到的数据进行编码等。4.设计电路的放大。

系统的初步设计完成后要对其进行可行性分析。目前的无线技术已经颇具成熟感, 其对于基本数据的传输不容置疑, 但是为了数据传输的真实安全性考虑需要签署完善成熟协议, 可以向业内的专业协议学习, 做出相适应的通信协议。对于计划中要求的硬件设备的应用也不难实现, 只要运行高配置的软件与之相匹配即可实现。如果系统计划的可行性研究没有通过就要对以上计划进行适当调整和完善, 但是不能因为顾忌成本和可行性就将系统的基本功能和要求改变, 要在将计划设计到可行的方面兼顾系统的功能和要求。

三、系统的具体原理和特点

系统的产生是为了应用, 当完善成熟的设计出一个完整传输系统后, 将其应用在实际才是真正的完成功。

在工作过程中, 系统内部会组成一个个小团体, 这些团体内部有数个设备, 如果各个设备之间要想进行数据传输就要先对设备码进行辨别, 如果是本团体的设备就进行传输, 否则关闭此次数据传输。当一个团体内的设备1号的MCU将采集到的数据传给无线收发设备及放大模块后, 放大模块会对该数据进行放大, 然后传输给指定目标设备。该设备不仅可以是同团体中的其他小设备, 例如设备2号, 还可以是控制中心的设备3号。由于自动调节功率的功能的实现, 使得在指定目标设备与设备一号传输过程中, 在不影响正常的数据传输的条件下, 使用最小的使用功率, 保证电量的持续供应和使用寿命。由于系统处于户外甚至是有着恶劣环境的野外, 导致环境多变, 使得功率在一直进行调整, 所以系统会将每次调整都记录下来。

当调整好使用功率, 以后设备1号会利用这个功率进行数据传输, 当数据到达指定目标设备后, 目标设备会利用同样的功率予以回应。在同一个团体内, 如果一个设备在同时和数个设备进行数据传输, 根据数据的不同, 会有不同的功率与其他设备进行数据传输。例如, 当设备1号同时与2号、3号和4号进行数据传输, 那么1号和2号, 1号和3号, 1号和4号之间所用的功率很有可能不相等。在这一系统中的所有的设备都有这项功能。同时, 系统好友自动报警系统, 当团体内的某个设备很长时间不进行工作, 这就表明此设备出现问题, 会及时向控制中心的设备提出示警, 及时通知工作人员进行检修。

该系统有以下几个特点:

1. 完全以无线技术为基础, 缓解了利用金属导线的传统模式带来的施工困难和成本高昂的问题。操作简单, 节约资源。2.利用高科技软件硬件, 减少了传输过程中的感扰, 使得传输的数据安全可靠。3.有着自动调节功率的功能, 节约电能保证数据的长时间持续传输。4.数据最终传输到控制中心, 便于工作人员对数据进行分析。5.有自动报警功能, 方便工作人员及时对其进行检修, 这也保证了不使数据的传输因系统的损坏而中断。

结语:

该系统基本实现了生产要求, 由于其自动调节功率的功能创新, 能够适应野外的恶劣环境, 保证了数据的有效传输, 在以后更深入的研究中, 要对该项功能进行细致的研究, 争取提高整个系统的节能功能。

摘要：在计算机网络技术、无线技术和信息管理技术的飞速发展, 使工业企业控制自动化逐渐发展为无线化和智能化。传统的自动化控制主要使用导线进行数据传输, 不仅会存在一些安全隐患, 还会造成资源的浪费。文章首先对无线技术进行了简单概述, 然后对系统的分析与设计进行了分析, 最后描述了系统在日常生活中的应用。

关键词：无线技术,智能化,数据传输

参考文献

[1]王韦伟.基于Zig Bee的智能家居无线数据传输系统的设计与实现[J].宿州学院学报, 2014, 07:80-83.

[2]杨显峰, 宋飞, 梁露露, 张思东.无线传感器网络智能建筑节能系统数据传输协议设计与实现[J].现代电子技术, 2015, 21:37-40+45.

能量与数据无线传输 篇7

1 系统组成

1.1 GPRS概述

GPRS是通用分组无线业务的简称,是在现有GSM系统上发展起来的一种新的承载业务,是2G向3G的过渡。GPRS采用分组交换技术,其核心网络层采用IP技术,底层可采用多种传输协议,能够与现有数据网实现很好的连接,能向用户提供Internet所能提供的一切服务。相对于现有GSM网络9.6kbit/s的速率,GPRS的理论速率上限为115.2kbit/s,可以称的上高速。GPRS无线数据传输在污水监测系统中即能适应间歇的爆发式的数据传输,又能支持偶尔的大数据量的传输。断线后GPRS能够在非常短的时间内重新建立连接。与超短波、有线电话、卫星等通信方式相比,GPRS还具有永远在线、快速登陆、按流量计费、切换自如、高速传输、安全可靠等优点。并且它可以充分利用现有GSM网络,用它来做技术支撑,可以用最简单、最低成本、最安全可靠的方式构建远程监控网络,大幅节省人力、物力,提高监测的自动化水平。

1.2 系统硬件体系结构

该系统可划分为数据监测模块、GPRS模块、远程管理系统模块3部分组成。系统的体系结构如图1所示。

数据监测模块集成了各种数据传感器,能够实时测量各种所需要的数据,并将得到的数据经RS232接口传输到GPRS模块。

GPRS模块采用西门子公司生产的MC55,它提供RS232串行通信口,支持AT指令集。

远程管理系统就是一个连入GPRS网络的中心服务器。服务器配置固定IP,并通过移动通信公司提供的DDN连入GPRS网络。系统对数据进行分析处理,并作出相应动作。

1.3 GPRS模块与AT命令实现数据传输

一般情况下,GPRS模块都没有内嵌TCP/IP协议,在使用时,要自己在单片机上手动内嵌上TCP/IP协议。在本系统中使用的MC55是现今市面上最小的GSM/GPRS模块,具有很高的可靠性,且内嵌有TCP/IP协议,能够节省大量的系统处理时间。MC55主要由2大功能模块组成:(1)基带模块。由DSP、电源供应模块、静态存储器、Flash模块、RS232串行通讯接口组成。工作在26MHz的频率上。(2)全球移动通讯射频模块。由接收器、功率放大器、接收器前端即天线组成。负责监测模块数据的发送和远程控制系统控制数据的接收。

因为MC55没有在线模式和命令模式之分,所有对其的控制均要通过AT指令来实现。对于MC55的操作主要包括两个方面:(1)GPRS连接服务的建立,也就是使用AT指令初始化GPRS模块。(2)进行相应的数据操作,即数据信息的发送和接收。过程如下:

(1)Internet连接配置命令,可以配置六个连接。如0号连接配置类型为gprs()(相对于CSD方式),GPRS接入点(公网默认值为cmnet,专网由运营商提供),用户名(wap),密码(wap):

(2)Internet服务配置命令,可配置10个服务,其中socket服务最多6个,FTP服务1个,HTTP服务2个,SMPT、pop3服务各1个。设0号服务配置服务类型为SOCKET TCP,IP地址和端口号为192.168.0.236:10010。

(3)打开Internet服务命令,打开0号服务。

(4)数据发送命令。请求0号服务发送256个字节。

若返回:0,256则表示允许发送数据。允许后即可发送待发送的数据。返回:0,0表示不允许发送。

(5)数据接收命令。0号服务请求从Internet上接收256个字节的数据。

若返回表示有128个字节可以读取。

(6)关闭Internet服务命令。关闭0号服务。

在第个AT指令后,模块都将反馈一个相应的信息,包括正常情况和异常情况下的反馈信息,在单片机编程中应该利用对这些反馈信息的验证来确定程序执行的正确性,进而提高系统的稳定性。

1.4 MC55的串行通信

经过AT指令对MC55的初始化后,系统进入了循环监测阶段。采集端要定时地采集相关数据,因而对间隔时间有严格的要求。时间太长,起不到实时监控的效果,太短,容易形成大量冗余数据造成浪费。采集数据采用平均法,即连续采集5次数据取平均值。如果此时MC55没有收到远程控制端的控制信息,将数据变换成如图3所示的系统自定义协议格式后经RS232串行接口传输到GPRS模块。MC55检测到串行接口有数据后进行数据的传输。数据传输完毕后,定时器清零,系统返回初始化状态重新开始循环。流程如图2所示。

2 GPRS模块与管理中心间自定义通信协议

在TCP/IP协议中传输层协议有TCP和UDP两种。根据本污水监测系统数据量小、多点分散、实时性要求高及监测终端多的特点,系统采用了UDP通信协议。UDP通信虽然具有传输效率高,报文附加字节少等优点,但它不能够保证报文可以正确地到达终点。考虑到报文丢失的可能性,我们设计了主站和监测终端间的报文格式。如图3所示。

(1)收发数据均以HEAD开头,以ETX为结尾。远程管理系统或者监测终端收到数据后首先对帧首尾进行判断。符合以HEAD字符开头,以ETX字符为结尾的帧,才分析处理数据,否则视为无效帧。

(2)HEAD字符后的长度字段指的是数据区的字节数。该字节用于接收方校验数据的完整性,如不相符合同样视为无效帧。

(3)CRLF字段用于标志该帧在整个数据中的位置。当该帧正确到达接收方并且有效时,由接收方将该字段返回以确认该帧已收到。同样,当监测模块没有收到某一帧的确认信息时,可以将其重新发送直到接收到确认信息。

(4)数据区也就是监测模块中各传感器监测到的数据。按照PH值、溶解氧、电导率、常规离子、温度的先后顺序排列,不同数据间用#号分隔开来。

(5)校验区是数据区的数据近位异或得到的结果。数据解析时将数据区的数据按位异或后与校验区的数据对比,如果出现不一致,说明该帧在传输时发生变异,应当视该帧无效,等待发送端重新发送。这种方法要占用不小的数据位,为此可以将其改为奇偶校验等。

为使数据解析更为快捷,可以在帧的各区段间加入@分隔符。

在实际测试以及应用中,通过自定义的协议对数据进行封装处理后,能有效地避免数据在传输过程中出现的错误,同时根据CRLF字段能够很好地解决延时和由请求响应不对称造成的重复报文问题。

3 数据处理

远程管理系统将接收到的数据解析出来,分析并处理。根据所移值系统的具体要求实现相应的功能。系统功能界面可以用VC.NET编写,处理后的数据存入数据库。

4 结束语

本文设计了一种基于GPRS无线数据传输的可移值系统。系统的监测模块可以集成不同的检测传感器,其监测数据通过GPRS传输到控制端,可实现不同用途的自动化管理、控制、监测等,比如污水的远程无线监测,物流货车的远程调控,油田产量的远程监试等。系统克服了传统数据传输方式应用范围局限,具有很强的适应性,移值性强,成本低廉等优点,具有非常广泛的应用前景。

参考文献

[1]邬春明,齐海星.基于GPRS远程温度监测系统.工业控制计算机,2009,22(6):59～60

[2]朴兴哲,李英顺.基于GPRS网络的远程供暖监控系统.沈阳工业大学学报,2009,6(3):323～327

[3]粱万用,江泳,崔光照.基于GPRS的无线污水监测系统.微计算机信息,2008,24(9):173～174

[4]郭志伟,张云伟等.基于GSM农田气象信息采集节点设计方案.计算机工程,2009,13(35):274～276

[5]傅中军.嵌入式GPRS无线通信模块的设计与实现.计算机工程与应用,2004:44～46

[6]黄明,彭苏萍,张丽娟等.GIS、SMS/GPRS的环境监测系统设计与实现.哈尔滨工程大学学报,2008,29(7):749～754

能量与数据无线传输 篇8

随着军队卫生信息化建设的不断深入, 基层医疗机构越来越多地部署和使用门诊机构卫生信息管理系统[1,2]。该系统包含门诊挂号、收费管理、门诊医生站、药材管理、综合治疗站、人员管理、防疫信息等功能模块, 基本涵盖了日常的门诊工作流程。基层医疗机构通过应用门诊机构卫生信息管理系统, 加强了医疗业务、药品经费和操作人员的规范化管理, 使卫勤统计结果更加翔实, 查询功能更为丰富[3]。该系统具备数据汇总和上报功能, 可以为上级卫勤管理部门提供真实全面的基层医疗业务信息[4,5]。然而由于内部网络限制、经费投入不足和信息安全等因素, 许多基层医疗机构无法依托有线网络实现随时随地上报卫勤数据。

3G通信技术在我国的推广应用为卫勤数据传输方案提供了新的渠道[6]。3G (3rd generation) 是指第3代移动通信技术, 支持高速数据传输。国际电信联盟 (ITU) 在3G技术指导性文件IMT—2000中确定了TD-SCDMA、W-CDMA和CDMA2000 3种主流无线接口标准。其中TD-SCDMA是中国自主研发的3G标准, 融入了智能无线、同步CDMA、软件无线电等技术;W-CDMA又称WCDMA, 采用ARTT FDD参数标准, 带宽达5 MHz;CDMA2000由窄带CDMA发展而成, 而EVDO是电信CDMA2000的升级技术。

鉴于卫勤统计和指挥需要高效灵活的联网方式, 运用3G无线宽带技术, 通过移动接入网关结合有线传输通信, 建设全覆盖网络体系, 可以构建行之有效的卫勤数据传输方案。

1主要功能组件

1.1移动接入网关

传输方案的网关组件采用小型化移动数据加密接入网关, 针对数据传输的需求, 通过门卫式设计, 实现在办公或移动状态下为用户子网内的计算机等终端设备提供有线/无线宽带的机密级以下数据传输功能, 并能够实现网络互联。

1.1.1功能模块

接入网关的核心部分按照功能划分为4个部分, 即内网路由模块、保密模块、外网路由模块和3G无线模块。内网路由模块用于PC机和局域网侧的网络设备接入、路由和DHCP配置。保密模块对经过的数据包进行加/解密封装作业。外网路由模块用于实现不同制式通信模块的拨号功能, 对数据报文进行IP in IP封装, 具有获得公网IP地址的2层报文传输功能。3G无线模块则提供无线接入功能, 不同类型的无线模块分别支持EVDO/WCDMA/TD-SCDMA中的一种。接入网关的内部结构如图1所示。

1.1.2工作流程

当接入网关开机后, 外网路由模块通过3G无线模块拨号, 获取3G网络IP地址, 据此计算出本地的LAN口地址并设置, 同时向保密模块和内网路由模块发送8001协议的报文, 通知其内网的地址段。 保密模块和内网路由模块分别计算和设置各自的本地IP地址。PC机根据内网路由模块启动的DHCP服务, 自动获取IP地址, 然后主动向网络对端发起请求。保密模块在收到其报文后生成IPSec隧道并发起协商, 外网路由模块随之自动建立IPIP隧道。 此时PC机即可与3G网络对端进行数据传输。

1.2数据传输软件

方案使用的卫勤数据传输软件由总后卫生部研制, 能够基于内部通用的长报文传输平台, 通过对传输平台进行改造和封装, 为用户提供良好的操作界面和数据接口。网络中每个发送或接收数据的终端均需安装该软件的客户端。用户在软件界面中设置本级名称、任务类型、优先级、发送和接收文件目录等信息后, 即可在指定的目录中进行数据文件的传输。该软件具有日志管理功能, 主要用于查询和确认传输任务的状态。此外, 如果用户需要使用定制的应用程序访问传输系统, 可以根据特定的格式创建临时传输任务。

方案备用的传输软件HTTP Trans包含客户端和服务端2种模块, 分别安装运行于发送和接收数据的网络节点上。客户端动态监控本地特定的目录, 一旦在该目录中发现符合条件的文件, 就利用HTTP协议将文件传送到服务端, 传输完成后删除本地文件。服务端仅被动地接收来自客户端的文件, 将其存放在指定的位置。

2方案设计

2.1传输数据生成

基层医疗机构在日常使用门诊机构卫生信息管理系统的过程中, 可以利用其中的门诊卡片生成模块, 提取每天的卫勤统计数据, 形成一组关于就诊人次、费用、疫情等信息的数据文件, 经过加密和压缩后生成日报数据包, 放置于卫勤数据传输软件指定的发送文件目录中。传输软件根据事先设定的配置信息, 将日报数据包发往服务器端。

2.2网络拓扑结构

传输方案分为3层拓扑结构, 如图2所示。用户侧的终端计算机分别生成各个基层医疗机构的卫勤日报数据包文件, 与终端相连接的移动接入网关均开启指向文件服务器的IPIP隧道。终端通过移动接入网关将加密后的数据发送到3G公网。公网侧的运营商提供3种制式的3G无线通信传输服务, 包括TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000-EVDO, 可在无3G信号时自动切换到2G工作模式。公网的GGSN设备利用封装和隧道传输功能将终端发送的数据转发到专网侧。专网侧装有LNS服务器、专用协议路由器、密码机和防火墙等安全防护设备, 在识别和处理终端数据后, 将其回传给公网, 由公网转发到用户侧的文件服务器。

2.3数据接收与处理

文件服务器通过移动接入网关接收并解密终端数据, 根据数据中包含的终端名称和任务类型等信息, 将基层医疗机构的数据包文件分别存储到相应目录下, 再按照任务计划发送给数据库服务器。上级管理部门利用卫勤机关管理平台等软件, 从数据库中采集、接收和处理基础数据, 生成相关的统计报表等信息。

3系统应用

在方案部署和实施时, 为便于操作和维护, 移动接入网关的传输方式统一采用中国电信的EVDO技术标准, 文件服务器的操作系统为Microsoft Win- dows Server 2003, 用户终端则可选用Microsoft Win- dows Server 2003或Windows XP操作系统。可通过设置终端操作系统的任务计划和开机自动运行等功能, 使各单位的日报数据文件能够自动生成并上传, 正常情况下无需操作人员手动干预, 使方案运行对基层医疗机构日常医疗业务工作的影响达到最小。 从文件服务器接收的数据分析, 各单位日常生成的数据文件通常小于100 KB, 文件传输延迟时间为分钟级, 表明无线传输方案能够有效地应用于基层医疗机构的卫勤数据传输。

在系统应用过程中也存在着一些问题。由于3G网络在偏远地区和郊外等区域尚未实现全面覆盖, 其连续性和稳定性也无法得到保障, 导致有些单位在传输数据时出现无法连接网络和连接中断等现象。此外, 3G网络运营商通常将网络服务费与流量或使用时间相捆绑, 尽管基层医疗机构的卫勤日报数据流量并不大, 但在扩展应用进行大文件传输时, 其资费成本仍是需要着重考虑的问题。

4讨论

3G通信技术为医疗信息化的发展带来了新的机遇[7], 医疗数据传输业务可以从原来成本较高的专用网络转向更加便宜和方便的公用网络, 从原来的固定连接方式转为移动无线连接。军队卫勤系统引入3G技术, 为加速卫勤信息化保障的发展提供了有效手段。3G网络覆盖范围广, 可支持远距离无线传输, 接入方式灵活。基层医疗机构在应用无线传输方案的过程中, 不必再投资铺设有线网络, 只需在PC机等终端配置加密的无线接入网关, 即可通过3G公网传输机密级以下数据, 符合相关部门的安全保密要求。由于用户部署方案简便易行, 不影响基层医疗机构的日常医疗活动, 并且运行成本低, 减少了手工上报数据的工作量, 在实践中取得了较为满意的效果。

摘要：目的:设计一种无线传输方案并应用于基层医疗机构的卫勤数据传输。方法:客户端通过小型化移动数据加密接入网关连接到3G网络, 传输软件将数据经过公网传送到专网侧, 相关设备对数据进行分析处理后通过公网发送到服务器端。结果:基层医疗机构通过3G网络可将卫勤数据传送到上级部门的服务器。结论:3G无线传输系统能够安全有效地传输基层医疗机构的卫勤数据。

关键词：卫勤信息,基层医疗机构,宽带无线技术

参考文献

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