時(shí)間：2022-03-30 13:11:58
開(kāi)篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇無(wú)線傳輸技術(shù)論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，溫度傳感器，遠(yuǎn)程監(jiān)控與測(cè)量
1.研究的目的與意義
本研究以溫度采集及轉(zhuǎn)換，單片機(jī)處理和監(jiān)控，無(wú)線傳輸為核心，可用于航空航天系統(tǒng)中，倉(cāng)儲(chǔ)溫度監(jiān)測(cè)及環(huán)境監(jiān)測(cè)，礦井里的溫度采集等。免費(fèi)論文。快速方便并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集，具有較高精確度，另外加有存儲(chǔ)單元，可以對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)對(duì)比，以備不時(shí)之需。在該系統(tǒng)中還添加報(bào)警系統(tǒng)，自動(dòng)提醒不正常溫度，以免發(fā)生不必要的危險(xiǎn)。由于采用ZigBee無(wú)線傳輸裝置，可以遠(yuǎn)距離測(cè)溫，因此可用于危險(xiǎn)區(qū)域，例如：高壓區(qū)，工廠，大型機(jī)器內(nèi)部溫測(cè)等，還可采集低溫。另外還適用于家庭防火災(zāi)，火災(zāi)內(nèi)部溫度探測(cè)和溫度監(jiān)控，有助于滅火的開(kāi)展和搶救人員和財(cái)產(chǎn)以及預(yù)測(cè)火勢(shì)的發(fā)展等。
在現(xiàn)代社會(huì)中溫度在航空航天，工業(yè)自動(dòng)化、家用電器、環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)等方面都是最基本的監(jiān)測(cè)參數(shù)之一，但是在某些環(huán)境下溫度檢測(cè)比較危險(xiǎn)。因而需要一個(gè)智能檢測(cè)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)代替危險(xiǎn)的工作，本系統(tǒng)就可以很好的解決此問(wèn)題，不僅可以實(shí)時(shí)的對(duì)溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)監(jiān)控，還可以在十分惡劣的環(huán)境下工作，測(cè)量結(jié)果精度高，并且對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)可以直接通過(guò)USB接口傳給電腦存儲(chǔ)或者直接存入外設(shè)存儲(chǔ)單元，同時(shí)加報(bào)警裝置，在溫度不正常給予提醒，從而將損失減少到最低。為滿足對(duì)溫度記錄的要求（高精度、自動(dòng)控制、經(jīng)濟(jì)實(shí)用），系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的不間斷測(cè)量與監(jiān)控，讓您通過(guò)監(jiān)控中心可以直觀看到溫度實(shí)時(shí)變化，做到足不出戶即可了解各被測(cè)點(diǎn)的溫度。在那些需要對(duì)溫度監(jiān)控和測(cè)量的地方放置無(wú)線溫度采集器，然后由監(jiān)控中心通過(guò)軟件對(duì)無(wú)線采集器進(jìn)行控制，代替過(guò)去由人工來(lái)完成的溫度數(shù)據(jù)采集任務(wù)；同時(shí)監(jiān)控中心對(duì)無(wú)線溫度采集器傳輸來(lái)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和查詢統(tǒng)計(jì)。本系統(tǒng)使用方便，操作簡(jiǎn)捷，已經(jīng)在許多領(lǐng)域中得到廣泛的使用
2.國(guó)內(nèi)外本項(xiàng)目的研究狀況
溫度在工業(yè)自動(dòng)化、家用電器、環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)等方面都是最基本的監(jiān)測(cè)參數(shù)之一，因此其檢測(cè)裝置也得到的長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展。免費(fèi)論文。例如美日生產(chǎn)的管纜熱電阻溫度傳感器可測(cè)溫度高達(dá)1000℃，精度0.5級(jí)，清華大學(xué)的“光纖黑體腔溫度傳感器”可在400～1300℃間靈敏度可達(dá)0.1℃。隨著科技的進(jìn)步和新材料的發(fā)現(xiàn)，新一代的溫度傳感器也在不斷出現(xiàn)和完善，如利用核磁共振的溫度檢測(cè)器，可測(cè)量出千分之一開(kāi)爾文，而且輸出信號(hào)適于數(shù)字運(yùn)算處理，在常溫下可作為理想的標(biāo)準(zhǔn)溫度。此外還有熱噪聲溫度傳感器、激光溫度傳感器等諸多發(fā)展。智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在20世紀(jì)90年代中期問(wèn)世的。它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)(ATE)的結(jié)晶。智能溫度傳感器的特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)，它在硬件的基礎(chǔ)上通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能。目前，國(guó)際上已開(kāi)發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。如由美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其分辨力高達(dá)0.03125°C,測(cè)溫精度為±0.2°C。此外新型智能溫度傳感器的功能也在不斷增強(qiáng)。例如，DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘(RTC),使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲(chǔ)功能，利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)用戶的短信息。免費(fèi)論文。另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開(kāi)發(fā)多路溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。
無(wú)線傳輸技術(shù)ZigBee是在工業(yè)自動(dòng)化、家庭智能化和遙控監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)o(wú)線通訊和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笕找嬖鲩L(zhǎng)的情況下應(yīng)運(yùn)而生的，它采用IEEE802.15.4協(xié)議，具有功耗低，成本低等特點(diǎn)，還可以方便的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移動(dòng)的AdHoc網(wǎng)絡(luò)。目前市場(chǎng)上的RF芯片供應(yīng)商主要還是TI、EMBER、FREESCAIE及JENNIC，國(guó)產(chǎn)廠商在這個(gè)方面仍然是空白。鑒于ZigBee技術(shù)在功耗、組網(wǎng)技術(shù)等方面的出色能力，受到各國(guó)政府、軍方、科研機(jī)構(gòu)和跨國(guó)公司的廣泛關(guān)注和高度重視，隨著其技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)逐漸的深入生活的每個(gè)方面。
3.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)溫度采集可以實(shí)現(xiàn)如下功能
（一）數(shù)字信號(hào)通過(guò)單片機(jī)分析處理，通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸模塊，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸功能。（二）接收模塊得到的數(shù)字信號(hào)通過(guò)單片機(jī)處理，可在LCD FC12864上可進(jìn)行當(dāng)前溫度顯示，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示功能。（三）外部存儲(chǔ)單元可對(duì)過(guò)去溫度進(jìn)行存儲(chǔ)，以便隨時(shí)調(diào)用，可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能。（四）由于有無(wú)線傳輸，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)量 存儲(chǔ)，安全可靠，而且速度快精度高。（五）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不間斷溫度測(cè)量與監(jiān)控，讓您通過(guò)監(jiān)控中心可以直觀看到溫度實(shí)時(shí)變化，做到足不出戶即可了解各被測(cè)點(diǎn)的溫度。在那些需要對(duì)溫度監(jiān)控和測(cè)量的地方放置無(wú)線溫度采集器，然后由監(jiān)代替過(guò)去由人工來(lái)完成的溫度數(shù)據(jù)采集任務(wù)；同時(shí)監(jiān)控中心對(duì)無(wú)線溫度采集器傳輸來(lái)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和查詢統(tǒng)計(jì)。（六）該系統(tǒng)可換部分裝置，然后實(shí)現(xiàn)其它功能，例如：將溫度傳感器換成濕度傳感器進(jìn)行濕度采集等，具有很強(qiáng)的移植性。
4.結(jié)語(yǔ)
在當(dāng)代社會(huì)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及人類對(duì)自然的不斷深入探索下，一些人類無(wú)法立足的惡劣環(huán)境以及相關(guān)工業(yè)、煤礦業(yè)、石油業(yè)、存儲(chǔ)業(yè)等相關(guān)環(huán)境中的重要溫度數(shù)據(jù)的采集和控制成為科學(xué)研究的重要課題。本研究項(xiàng)目以適應(yīng)相關(guān)條件下的溫度傳感器為依托，以單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的處理和監(jiān)控為核心，當(dāng)需要采集人類無(wú)法立足的惡劣環(huán)境中的重要溫度數(shù)據(jù)時(shí)，本系統(tǒng)可以通過(guò)媒介放置一體積小、精度高的溫度傳感器去采集；在生產(chǎn)和存儲(chǔ)環(huán)境中可以通過(guò)本系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)溫度，當(dāng)超過(guò)合適的環(huán)境溫度時(shí)，發(fā)出警報(bào)，通知工作人員及時(shí)處理控制溫度以減少損失。本研究項(xiàng)目可以更好的服務(wù)于科研，提高生產(chǎn)效率，降低危險(xiǎn)事故發(fā)生的幾率，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義
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10..LCD12864中文資料手冊(cè).
【關(guān)鍵詞】 諧振耦合 無(wú)線充電 RFID 智能家居
一、引言
所謂無(wú)線充電技術(shù)通常指的是電能的無(wú)線傳輸技術(shù)，通俗的說(shuō)，就是不借助實(shí)物連線實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳達(dá)。這樣做的好處是方便、快捷，減少在苛刻條件下使用電纜帶來(lái)的危險(xiǎn)性等。關(guān)于無(wú)線充電技術(shù)的研究開(kāi)始較早，早在1900年，尼古拉?特拉斯就開(kāi)始無(wú)線電能傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，關(guān)于無(wú)線傳電的方法多種多樣，但是基本原理大概可以分為以下三種：電磁感應(yīng)式、無(wú)線電波式、諧振耦合式，通過(guò)非輻射磁場(chǎng)內(nèi)兩線圈的共振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)中距離的無(wú)線供電。
從表1對(duì)比可知， 諧振耦合式無(wú)線充電技術(shù)的非輻射性、高效率等優(yōu)點(diǎn)是其它無(wú)線充電技術(shù)無(wú)法相比的。所謂諧振耦合式就是利用接收線圈的電感和并聯(lián)的電容形成共振回路，在接收端也組成同樣共振頻率的接收回路，利用諧振形成的強(qiáng)磁耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率的無(wú)線電能傳輸。該技術(shù)的出現(xiàn)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的巨大興趣，被公認(rèn)為目前最具發(fā)展前景的一種無(wú)線能量傳輸技術(shù)方案。
但是目前基于諧振耦合式的無(wú)線充電技術(shù)的研究偏向理論化，缺乏對(duì)實(shí)際應(yīng)用有定量指導(dǎo)意義的研究成果，同時(shí)此技術(shù)傳輸功率較小遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能完成大功率能量傳輸，也存在著能量損失較高等缺陷。但毋庸置疑，諧振耦合式無(wú)線充電技術(shù)對(duì)充電設(shè)備位置的靈活性以及充電設(shè)備的高效匹配性具有重要的實(shí)用價(jià)值。
二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
無(wú)線能量傳輸?shù)臉?gòu)想最早可以追溯到19世紀(jì)80年代，由著名電氣工程師（物理學(xué)家）尼古拉?特斯拉（Nikola Tesla）提出。為證實(shí)這一構(gòu)想，特斯拉建造了巨大的線圈用于實(shí)驗(yàn)使用。由于實(shí)驗(yàn)耗資巨大，最終因財(cái)力不足沒(méi)有得到實(shí)現(xiàn)，隨后也一直被技術(shù)發(fā)展水平所限制。
國(guó)外對(duì)無(wú)線充電技術(shù)的研究開(kāi)展的比較早。1968 年，美國(guó)著名電氣工程師P. E. Glaser在W. C. Brown提出的微波無(wú)線能量傳輸（WPT）概念的基礎(chǔ)上提出了衛(wèi)星太陽(yáng)能電站（SSPS）的概念。隨后美國(guó)，日本和歐洲等國(guó)都試圖把這項(xiàng)技術(shù)作為獲取新能源的手段，但由于該方案在技術(shù)上要求很高，故在實(shí)際使用上存在一定的局限性。隨后，一家名為 Powercast 的公司推出了一款利用無(wú)線電波充電的充電裝置，實(shí)現(xiàn)了距離為1米左右的低功率無(wú)線充電。
另一方面，在20世紀(jì)70年代，美國(guó)出現(xiàn)了電磁感應(yīng)能量傳輸原理的無(wú)線電動(dòng)牙刷。這項(xiàng)應(yīng)用的傳輸功率和傳輸距離都不是很理想，但其無(wú)線的特征卻恰好滿足了其特殊條件下的應(yīng)用要求。近年來(lái)，美國(guó)、日本、新西蘭、德國(guó)等國(guó)家相繼在這項(xiàng)技術(shù)上繼續(xù)深入研究，目前已經(jīng)研發(fā)了很多實(shí)用的產(chǎn)品：美國(guó)通用汽車公司研制出的 EV1 型電車；日本大阪幅庫(kù)公司研制出的單軌型車和無(wú)電瓶自動(dòng)貨車；2013年10月，瑞典汽車制造商沃爾沃聲稱成功地研制出電磁感應(yīng)式無(wú)線充電汽車。
國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)線充電技術(shù)的研究相對(duì)較晚。目前在無(wú)線電波和電磁感應(yīng)無(wú)線能量傳輸方面取得的主要成果有：2005年8月，香港城市大學(xué)電子工程學(xué)系教授許樹源教授宣布成功研制出“無(wú)線電池充電平臺(tái)”；中科院嚴(yán)陸光院士帶領(lǐng)的研究小組從高速軌道交通的角度對(duì)運(yùn)動(dòng)型應(yīng)用進(jìn)行了性能分析；2007年2月，重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院非接觸電能傳輸技術(shù)研發(fā)課題組突破技術(shù)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)的無(wú)線電能傳輸裝置實(shí)現(xiàn)了600至1000W的電能輸出，傳輸效率達(dá)到 70%。
諧振耦合式方案是2006年由美國(guó)麻省理工學(xué)院物理系助理教授 Marin Soljacic 所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)提出來(lái)的。并于 2007 年 7 月 6 日在科學(xué)雜志《Science》上發(fā)表成果文獻(xiàn)。團(tuán)隊(duì)利用該方案，成功的點(diǎn)亮了距離為2米外的一個(gè)60 瓦的燈泡，傳輸效率為40%左右。此項(xiàng)稱為“Witricity”技術(shù)，該技術(shù)樹立了無(wú)線充電技術(shù)發(fā)展史的里程碑。一年后，Marin Soljacic團(tuán)隊(duì)聲稱已將傳輸效率提高至90%。
由于該技術(shù)極具前景和市場(chǎng)，世界各國(guó)的相關(guān)機(jī)構(gòu)和公司也不約而同的進(jìn)行深入研究。2010 年 1 月，海爾在美國(guó)拉斯維加斯舉行的國(guó)際消費(fèi)電子展（CES）上展出了最新概念產(chǎn)品無(wú)尾電視。一方面，產(chǎn)品運(yùn)用無(wú)線通信技術(shù)傳輸視頻信號(hào)；另一方面，又使用諧振耦合式充電技術(shù)供電，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)線化。
三、發(fā)展疑難點(diǎn)及解決方案
3.1 如何克服干擾源的影響
無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)工作在包含各種用電設(shè)備的電磁環(huán)境中，易受到外界電磁源的干擾。一方面，磁耦合諧振無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)以磁場(chǎng)為能量傳輸介質(zhì)，任何能感應(yīng)到磁場(chǎng)的元件都可能成為負(fù)載，這種情況為無(wú)源干擾源，稱為負(fù)載類干擾，干擾源稱為負(fù)載類干擾體；另一方面，外磁場(chǎng)也會(huì)影響能量傳輸系統(tǒng)的磁場(chǎng)，這種情況為有源干擾，其干擾源為干擾場(chǎng)源。這些干擾都會(huì)降低系統(tǒng)的傳輸效率。根據(jù)無(wú)線輸電原理，本文提出以下兩個(gè)解決方案：（1）選擇隔磁的充電空間。為了避免干擾源對(duì)能量傳輸系統(tǒng)的影響，可以把能力傳輸系統(tǒng)與干擾源隔離，故可以利用電磁屏蔽技術(shù)，使系統(tǒng)不受外界干擾源影響。電磁屏蔽的工作原理是利用反射和衰減來(lái)隔離電磁場(chǎng)的耦合，所以可以制作屏蔽體，來(lái)保護(hù)系統(tǒng)免受外界電磁波干擾。如屏蔽導(dǎo)電漆就是能用于噴涂的一種油漆，干燥形成漆膜后能起到導(dǎo)電的作用，從而屏蔽電磁波干擾。（2）控制能量傳輸系統(tǒng)的諧振頻率。由磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸機(jī)理的研究知，能量傳輸系統(tǒng)對(duì)干擾源的頻率十分敏感。在實(shí)際應(yīng)用中，0.5～25MHz 尚屬于空白應(yīng)用頻率段，因此可以在設(shè)計(jì)能量傳輸系統(tǒng)的時(shí)候，使系統(tǒng)的諧振頻率滿足電磁耦合的同時(shí)盡量處于0.5～25MHz之間，這樣有可能降低實(shí)際應(yīng)用中的電子設(shè)備對(duì)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的影響。
3.2 如何提高傳輸距離
美國(guó)麻省理工學(xué)院物理系助理教授 Marin Soljacic 所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)成功地點(diǎn)亮了距離為 2 米外的一個(gè) 60 瓦的燈泡。但目前這種技術(shù)的最遠(yuǎn)充電距離只能達(dá)到2.7m，傳輸距離較近嚴(yán)重限制了它的應(yīng)用。由于傳輸距離的遠(yuǎn)近與能量傳輸系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，現(xiàn)提出如下解決思路：改變電路參數(shù)角度來(lái)提高傳輸距離。研究表明，傳輸距離受到頻率、線圈參數(shù)等的影響。線圈的諧振頻率越高，傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)；線圈的線徑越大，傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)；線圈的直徑越大，傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)；線圈的匝數(shù)越多，近距離傳輸效果強(qiáng)于遠(yuǎn)距離傳輸效果。因而可以綜合頻率、線圈參數(shù)等因素，選定合適的電路器件，使系統(tǒng)傳輸距離較遠(yuǎn)。
3.3 是否存在有害電磁輻射
磁耦合諧振式無(wú)線充電技術(shù)的原理告訴我們，由于電感線圈的存在，必然會(huì)產(chǎn)生磁力線輻射，那么這樣的磁場(chǎng)會(huì)不會(huì)造成電磁輻射危害人們的身心健康呢？在電流的輻射方面，目前無(wú)線充電器基本上將交流電整流后轉(zhuǎn)換為直流電，且功率極小，業(yè)內(nèi)人士也一直在強(qiáng)調(diào)理論上對(duì)人的健康不構(gòu)成威脅。但是輻射的問(wèn)題，現(xiàn)在也只是停留在理論分析上，到底會(huì)不會(huì)，依舊是需要更進(jìn)一步的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，只能讓時(shí)間來(lái)證明。
四、發(fā)展前景及創(chuàng)新
4.1 RFID與無(wú)線充電技術(shù)的融合
射頻識(shí)別技術(shù)是利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合（交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式信息傳遞并通過(guò)所傳遞信息達(dá)到自動(dòng)識(shí)別自標(biāo)的一種技術(shù)，將RFID技術(shù)與無(wú)線充電技術(shù)相結(jié)合，對(duì)每個(gè)無(wú)線充電設(shè)備嵌入RFID電子標(biāo)簽，讀寫器通過(guò)射頻信號(hào)同電子標(biāo)簽進(jìn)行通信，保證被充電設(shè)備與充電系統(tǒng)的完全分離，實(shí)現(xiàn)能量的高效率無(wú)線傳輸。
4.2 智能家居與無(wú)線充電技術(shù)融合
智能家居是物聯(lián)化的一個(gè)體現(xiàn)，最終發(fā)展方向之一是終端無(wú)線化。應(yīng)用無(wú)線充電技術(shù)，可以使各家電系統(tǒng)自動(dòng)獲取電能，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能家居的自動(dòng)控制化。但在無(wú)線輸電過(guò)程中產(chǎn)生的磁場(chǎng)是否會(huì)影響到各級(jí)系統(tǒng)裝置的正常工作有待進(jìn)一步考證。如果相互影響問(wèn)題得到有效的解決，無(wú)線充電設(shè)備與常規(guī)家電設(shè)備能有效共存，則是智能家居與無(wú)線充電兩大領(lǐng)域的完美結(jié)合，勢(shì)必進(jìn)一步改變?nèi)祟惿睢?/p>
4.3 電動(dòng)汽車與無(wú)線充電技術(shù)融合
無(wú)線充電技術(shù)對(duì)手機(jī)等小型電子產(chǎn)品而言，是個(gè)錦上添花的新功能，對(duì)電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)而言，則可能是啟動(dòng)整個(gè)市場(chǎng)的關(guān)鍵。對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行無(wú)線充電，沒(méi)有外露的連接器，可以徹底避免漏電、跑電等安全隱患。同時(shí)采用電磁共振式無(wú)線充電技術(shù)，可以將電源和變壓器等設(shè)備隱蔽在地下，讓汽車在停車處或街邊特殊的充電點(diǎn)充電。若能將無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)，將是電動(dòng)車行業(yè)的一大改革。
五、結(jié)束語(yǔ)
諧振耦合式無(wú)線充電技術(shù)是目前最被看好的無(wú)線充電技術(shù)之一，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看具有廣泛發(fā)展空間及應(yīng)用前景。但是每一種無(wú)線輸電方式都有一系列的關(guān)鍵問(wèn)題需要解決，如何實(shí)現(xiàn)電磁共振式無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用的大型化、高效化與距離化，是各國(guó)科學(xué)家探索研究的重點(diǎn)。隨著技術(shù)水平的提升，無(wú)線充電技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用逐漸成熟，技術(shù)普及逐步實(shí)現(xiàn)，在未來(lái)的各種場(chǎng)合，無(wú)線充電技術(shù)無(wú)疑將扮演重要角色，服務(wù)全人類。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 曲立楠，磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸機(jī)理的研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文，2010
[2] 范明，諧振耦合式電能無(wú)線傳輸系統(tǒng)研究，太原理工大學(xué)碩士論文，2012
關(guān)鍵詞 無(wú)線電能 傳輸 形式 當(dāng)前面臨問(wèn)題
中圖分類號(hào)：TM724 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
1無(wú)線電能傳輸?shù)亩x
無(wú)線電能傳輸又稱無(wú)接觸電能傳輸是一種傳輸電能的新技術(shù)，它將電能通過(guò)電磁耦合、射頻微波、激光等載體進(jìn)行傳輸。這種技術(shù)解決了電力自身的兩大缺點(diǎn)：不易儲(chǔ)存和不易傳輸，同時(shí)也解除了對(duì)于導(dǎo)線的依賴，從而得到更加方便和廣闊的應(yīng)用。
2無(wú)線電能傳輸發(fā)展歷史
19世紀(jì)末被譽(yù)為“迎來(lái)電力時(shí)代的天才”的特斯拉在電氣與無(wú)線電技術(shù)方面做出了突出貢獻(xiàn)。1881年發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理，并用于制造感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，次年進(jìn)行試制且運(yùn)轉(zhuǎn)成功。1888年發(fā)明多相交流傳輸及配電系統(tǒng)；1889-1990年制成赫茲振蕩器。1891年發(fā)明高頻變壓器（特斯拉線圈），現(xiàn)仍廣泛用于無(wú)線電、電視機(jī)及其他電子設(shè)備，他曾致力于研究無(wú)線傳輸信號(hào)及能量的可能性，并在1899年演示了不用導(dǎo)線采用高頻電流的電動(dòng)機(jī)，但由于效率低和對(duì)安全方面的擔(dān)憂，無(wú)線電力傳輸?shù)募夹g(shù)無(wú)突破性進(jìn)展。
2001年5月，國(guó)際無(wú)線電力傳輸技術(shù)會(huì)議在法屬留尼汪島召開(kāi)期間，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的皮格努萊特，利用微波無(wú)線傳輸電能點(diǎn)亮40m外一個(gè)200W的燈泡。其后，2003年在島上建造的10kW試驗(yàn)型微波輸電裝置，已開(kāi)始以2.45GHz頻率向接近1km的格朗巴桑村進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線供電。
2007年6月麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在短距離內(nèi)的無(wú)線電力傳輸，他們通過(guò)電磁感應(yīng)利用磁耦合共振原理成功地點(diǎn)亮了離電源2m多遠(yuǎn)處的一個(gè)60w燈泡。
2008年9月，北美電力研討會(huì)最新的論文顯示，他們已經(jīng)在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州的雷電實(shí)驗(yàn)室成功的將800W電力用無(wú)線的方式傳輸?shù)?m遠(yuǎn)的距離。
3無(wú)線電能傳輸方式
3.1電磁感應(yīng)式
電磁感應(yīng)式又稱為非接觸感應(yīng)式，電能傳輸電路的基本特征就是原副邊電路分離。原邊電路與副邊電路之間有一段空隙，通過(guò)磁場(chǎng)耦合感應(yīng)相聯(lián)系。根據(jù)無(wú)接觸變壓器初、次級(jí)之間所處的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，新型無(wú)接觸電能傳輸系統(tǒng)可分為：分離式、移動(dòng)式和旋轉(zhuǎn)式，分別給相對(duì)于初級(jí)繞組保持靜止、移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的電氣設(shè)備供電。
電磁感應(yīng)式的特點(diǎn)是：（1）較大氣隙存在，使得原副邊無(wú)電接觸，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)接觸式電能的固有缺陷；（2）較大氣隙的存在使得系統(tǒng)構(gòu)成的耦合關(guān)系屬于松耦合，使得漏磁與激磁想當(dāng)，甚至比激磁高；（3）傳輸距離較短，實(shí)際上多在毫米級(jí)。
3.2電磁共振式
電磁共振式又稱WiTricityj技術(shù)是由麻省理工學(xué)院物理系、電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)系，以及軍事奈米技術(shù)研究所的研究人員提出的。系統(tǒng)采用兩個(gè)相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合，能量在兩物體間交互，利用線圈及放置兩端的平板電容器，共同組成諧振電路，實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)線傳輸。
電磁共振式的特點(diǎn)：（1）利用磁場(chǎng)通過(guò)近場(chǎng)傳輸，輻射小，具有方向性。（2）中等距離傳輸，傳輸效率較高。（3）能量傳輸不受空間障礙物（非磁性）影響。（4）傳輸效果與頻率計(jì)天線尺寸關(guān)系密切。
3.3微波式
先通過(guò)磁控管將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉苄问剑儆砂l(fā)射天線將微波束送出，接收天線接收后由整流設(shè)備將微波能量抓換為電能。
微波式特點(diǎn)：（1）傳輸距離遠(yuǎn)，頻率越高，傳播的能量越大。在大氣中能量傳遞損耗很小，能量傳輸不受地球引力差的影響；（2）微波式波長(zhǎng)介于無(wú)線電波和紅外線輻射的電磁波，容易對(duì)通信造成干擾；（3）能量束難以集中，能量散射損耗大，定向性差，傳輸率低。
4無(wú)線電能傳輸需要解決的問(wèn)題
4.1電磁輻射安全問(wèn)題
對(duì)人身安全和周圍環(huán)境的影響需要解決。由于無(wú)線能量的傳輸既不像傳統(tǒng)的供電方式那樣可以在傳輸路徑上得到很好的控制也不像無(wú)線通訊那樣傳送微小的功率。高能量的能量密度勢(shì)必會(huì)對(duì)人身安全及健康帶來(lái)影響。對(duì)激光則在功率密度小于2.5mW/cm2才能保證對(duì)人體無(wú)傷害。所以采用無(wú)線輸電時(shí)要考慮避免對(duì)人身的傷害。
4.2電磁兼容性
無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)在工作時(shí)周圍空間會(huì)存在高頻電磁場(chǎng)，這就要求系統(tǒng)本身具有較高的電磁兼容指標(biāo)。系統(tǒng)要發(fā)生電磁兼容性問(wèn)題，必須存在三個(gè)因素，即電磁騷擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備。所以，在遇到電磁兼容問(wèn)題時(shí)，要從這三個(gè)因素入手，對(duì)癥下藥，消除其中某一個(gè)因素，就能解決電磁兼容問(wèn)題。因此采取有效的抗干擾措施、屏蔽技術(shù)、合理使用電磁波不同的頻段、避免交叉，重疊等造成不必要的電磁干擾。
4.3系統(tǒng)整體性能有待提高
目前無(wú)線能量傳輸技術(shù)整體上傳輸?shù)男什桓撸饕蚴悄芰康目刂票容^困難，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)能量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳送在傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)散射等損耗一部分能量，能量轉(zhuǎn)換器的效率不高也是影響整個(gè)系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。當(dāng)然隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳輸?shù)男室矔?huì)逐漸提高。
4.4傳輸距離、效率、功率、裝置體積之間的關(guān)系
對(duì)于無(wú)線能量傳輸技術(shù)中幾個(gè)關(guān)鍵性的指標(biāo)：傳輸距離、傳輸效率、傳輸功率、裝置體積等。一般情況下，傳輸距離越近、裝置體積越大、傳輸效率就越高、傳輸功率就越大。如何盡可能地減小裝置體積、提高傳輸距離、效率和功率是無(wú)線輸電技術(shù)重點(diǎn)研究的方向之一，也是小功率設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)線輸電的前提。
參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞： 無(wú)線電力傳輸技術(shù) 電磁感應(yīng) 射頻 原理與應(yīng)用前景
1.引言
自17世紀(jì)人類發(fā)現(xiàn)如何發(fā)電后就用金屬電線來(lái)四處傳輸電力。時(shí)至今日，供電網(wǎng)、高壓線已遍布全球的角角落落。在工作和生活中，越來(lái)越多的電器給我們帶來(lái)極大便捷的同時(shí)，不知不覺(jué)各種“理不清”的電源線、數(shù)據(jù)線帶來(lái)的困擾也與日俱增。不過(guò)，這些年的科技發(fā)展表明，在無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)日益普及之時(shí)，科學(xué)家對(duì)無(wú)線電力傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）的研究也有了很大突破，從某種意義上來(lái)講，無(wú)線電力傳輸也不再是幻想――在未來(lái)的生活中擺脫那些紛亂的電源線已成為可能。
2.無(wú)線電力傳輸?shù)陌l(fā)展歷史
19世紀(jì)末被譽(yù)為“迎來(lái)電力時(shí)代的天才”的名尼古拉?特斯拉（Nikola Tesla，1856―1943）在電氣與無(wú)線電技術(shù)方面作出了突出貢獻(xiàn)。他1881年發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理，并用于制造感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；1888年發(fā)明多相交流傳輸及配電系統(tǒng)；1889―1890年制成赫茲振蕩器；1891年發(fā)明高頻變壓器（特斯拉線圈），現(xiàn)仍廣泛用于無(wú)線電、電視機(jī)及其他電子設(shè)備。他曾致力于研究無(wú)線傳輸信號(hào)及能量的可能性，并在1899年演示了不用導(dǎo)線采用高頻電流的電動(dòng)機(jī)，但由于效率低和對(duì)安全方面的擔(dān)憂，無(wú)線電力傳輸?shù)募夹g(shù)無(wú)突破性進(jìn)展［1］。1901―1905年在紐約附近的長(zhǎng)島建造Wardenclyffe塔，是一座復(fù)雜的電磁振蕩器，設(shè)想它將能夠把電力輸送到世界上任何一個(gè)角落，特斯拉利用此塔實(shí)現(xiàn)地球與電離層共振。
2001年5月，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的皮格努萊特，利用微波無(wú)線傳輸電能點(diǎn)亮40m外一個(gè)200W的燈泡。其后，2003年在島上建造的10kW試驗(yàn)型微波輸電裝置，已開(kāi)始以2.45GHz頻率向接近1km的格朗巴桑村進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線供電。
2005年，香港城市大學(xué)電子工程學(xué)系教授許樹源成功研制出“無(wú)線電池充電平臺(tái)”，但其使用時(shí)仍然要將產(chǎn)品與充電器接觸。
2006年10月，日本展出了無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)。此系統(tǒng)輸出端電力為7V、400mA，收發(fā)線圈間距為4mm時(shí)，輸電效率最大為50%，用于手機(jī)快速充電。
2007年6月，美國(guó)麻省理工學(xué)院的物理學(xué)助理教授馬林?索爾賈希克研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了在短距離內(nèi)的無(wú)線電力傳輸。他們給一個(gè)直徑60厘米的線圈通電，6英尺（約1.83米）之外連接在另一個(gè)線圈上的60瓦的燈泡被點(diǎn)亮了。這種馬林稱之為“WiTricity”技術(shù)的原理是“磁耦合共振”。
2008年9月，北美電力研討會(huì)的論文顯示，他們已經(jīng)在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州的雷電實(shí)驗(yàn)室成功地將800W電力用無(wú)線的方式傳輸?shù)?m遠(yuǎn)的距離。
2009年10月，日本奈良市針對(duì)充電式混合動(dòng)力巴士進(jìn)行了無(wú)線充電實(shí)驗(yàn)。供電線圈埋入充電臺(tái)的混凝土中，汽車駛上充電臺(tái)，將車載線圈對(duì)準(zhǔn)供電線圈就能開(kāi)始充電。
3.無(wú)線電力傳輸?shù)幕驹?/p>
3.1電磁感應(yīng)――短程傳輸
電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系與轉(zhuǎn)化。電磁感應(yīng)是電磁學(xué)中的基本原理，變壓器就是利用電磁感應(yīng)的基本原理進(jìn)行工作的。利用電磁感應(yīng)進(jìn)行短程電力傳輸?shù)幕驹砣鐖D1所示，發(fā)射線圈L1和接收線圈L2之間利用磁耦合來(lái)傳遞能量。若線圈L1中通已交變電流，該電流將在周圍介質(zhì)中形成一個(gè)交變磁場(chǎng)，線圈L2中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)可供電給移動(dòng)設(shè)備或者給電池充電。
3.2電磁耦合共振――中程傳輸
中程無(wú)線電力傳輸方式是以電磁波“射頻”或者非輻射性諧振“磁耦合”等形式將電能進(jìn)行傳輸。它基于電磁共振耦合原理，利用非輻射磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電力高效傳輸。在電子學(xué)的理論中，當(dāng)交變電流通過(guò)導(dǎo)體，導(dǎo)體的周圍會(huì)形成交變的電磁場(chǎng)，稱為電磁波。在電磁波的頻率低于100khz時(shí)，電磁波就會(huì)被地表吸收，不能形成有效的傳輸，當(dāng)電磁波頻率高于100khz時(shí)，電磁波便可以在空氣中傳播，并且經(jīng)大氣層外緣的電離層反射，形成較遠(yuǎn)距離傳輸能力，人們把具有較遠(yuǎn)距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻（即：RF）。將電信息源（模擬或者數(shù)字）用高頻電流進(jìn)行調(diào)制（調(diào)幅或者調(diào)頻），形成射頻信號(hào)后，經(jīng)過(guò)天線發(fā)射到空中；較遠(yuǎn)的距離將射頻信號(hào)接收后需要進(jìn)行反調(diào)制，再還原成電信息源，這一過(guò)程稱為無(wú)線傳輸。中程傳輸是利用電磁波損失小的天線技術(shù)，并借助二極管、非接觸IC卡、無(wú)線電子標(biāo)簽，等等，實(shí)現(xiàn)效率較高的無(wú)線電力傳輸。
具體來(lái)說(shuō)，整個(gè)裝置包含兩個(gè)線圈，每一個(gè)線圈都是一個(gè)自振系統(tǒng)。其中一個(gè)是發(fā)射裝置，與能量相連，它并不向外發(fā)射電磁波，而是利用振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩電流，通過(guò)發(fā)射線圈向外發(fā)射電磁波，在周圍形成一個(gè)非輻射磁場(chǎng)，即將電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)。當(dāng)接收裝置的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時(shí)，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)，完成磁場(chǎng)到電能的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。圖2是一個(gè)典型的利用電磁共振來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電力傳輸?shù)南到y(tǒng)方案。電磁波的頻率越高其向空間輻射的能量就越大，傳輸效率就越高。
3.3微波/激光――遠(yuǎn)程傳輸
理論上講，無(wú)線電波的波長(zhǎng)越短，其定向性越好，彌散就越小。所以，可以利用微波或激光形式來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)程傳輸，這對(duì)于新能源的開(kāi)發(fā)利用、解決未來(lái)能源短缺問(wèn)題也有著重要意義。1968年，美國(guó)工程師彼得格拉提出了空間太陽(yáng)能發(fā)電（Space Solar Power，SSP）的概念。其構(gòu)想是在地球外層空間建立太能能發(fā)電基地，通過(guò)微波將電能送回地球。
4.無(wú)線電力技術(shù)的應(yīng)用前景
無(wú)線電力傳輸作為一種先進(jìn)的技術(shù)一般應(yīng)用于特殊的場(chǎng)合，具有廣泛的應(yīng)用前景。
4.1給一些難以架設(shè)線路或危險(xiǎn)的地區(qū)供應(yīng)電能
高山、森林、沙漠、海島等地的臺(tái)站經(jīng)常遇到架設(shè)電力線路困難的問(wèn)題，而工作在這些地方的邊防哨所、無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)、衛(wèi)星監(jiān)控站、天文觀測(cè)點(diǎn)等需要生活和工作用電，無(wú)線輸電可補(bǔ)充電力不足。此外，無(wú)線輸電技術(shù)還可以給游牧等分散區(qū)村落無(wú)變壓器供電和給用于開(kāi)采放射性礦物、伐木的機(jī)器人供電。
4.2解決地面太陽(yáng)能電站、水電站、風(fēng)力電站、原子能電站的電能輸送問(wèn)題
我國(guó)的新疆、、青海等地降雨量少、日照充足且存在大片荒蕪?fù)恋兀戏讲糠值貐^(qū)水力、風(fēng)力資源豐富，這些地區(qū)有利于建造地面太陽(yáng)能發(fā)電站或水電站、風(fēng)力電站。可是，這些地區(qū)人煙稀少、地形復(fù)雜，在崇山峻嶺之中難以架設(shè)線路，這時(shí)無(wú)線輸電技術(shù)就有了用武之地。采用無(wú)線輸電技術(shù)，還可以把核電站建在沙漠、荒島等地。這樣一方面便于埋葬核廢料，另一方面當(dāng)電站運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)也可以避免對(duì)周圍動(dòng)植物的大量傷害和耕地的污染。
4.3傳送衛(wèi)星太陽(yáng)能電站的電能
所謂衛(wèi)星太陽(yáng)能電站，就是用運(yùn)載火箭或航天飛機(jī)將太陽(yáng)能電池板或太陽(yáng)能聚光鏡等材料發(fā)送到赤道上空35800km的地球靜止同步軌道上。在太空的太陽(yáng)光線沒(méi)有地球大氣層的影響，輻射能量十分穩(wěn)定，是“取之不盡”的潔凈能源。并且一年中有99%的時(shí)間是白天，其利用效率比地面上要高出6―15倍［3］。在那里利用太陽(yáng)能電池板把陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽蛘哂锰?yáng)能聚光鏡把陽(yáng)光匯聚起來(lái)作為熱源，像地面熱電廠一樣發(fā)電。這樣產(chǎn)生的電能供給微波源或激光器，然后采用無(wú)線輸電技術(shù)將大功率電磁射束發(fā)送至地面，接收到的微波能量經(jīng)整流器后變成直流電，由變、配電設(shè)施供給用戶。
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4.4無(wú)接點(diǎn)充電插座
隨著無(wú)線電力技術(shù)的發(fā)展，一些小型用電設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線供電。如：電動(dòng)牙刷、“免電池”無(wú)線鼠標(biāo)、無(wú)線供電“膜片”/“墊”等。無(wú)線供電“膜片”/“墊”是一種家用電器無(wú)線供電方式，用一片圖書大小的柔軟塑料膜片就可對(duì)家電進(jìn)行無(wú)線供電，可為圣誕樹上的LED、裝飾燈、魚缸水中的燈泡、小型電機(jī)、手機(jī)、MP3、隨身聽(tīng)、溫度傳感器、助聽(tīng)器、汽車零部件、甚至是植入式醫(yī)療器件等供電。
4.5給以微波發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)的交通運(yùn)輸工具供電
現(xiàn)在大部分交通運(yùn)輸工具燃燒石油產(chǎn)品，其發(fā)動(dòng)機(jī)叫做柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)等。與此類比，以微波作為能源推進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)叫做微波發(fā)動(dòng)機(jī)。微波是工作頻率在0.3―300GHz的電磁波，不能直接用它來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，因?yàn)橐O(shè)計(jì)出在如此高的頻率下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)非常困難。如果思路加以改變，把微波能量轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娏鞯恼髌鳎敲次⒉ň涂梢灾苯幼鳛榻煌üぞ叩哪茉戳恕Ｃ骸⑹汀⑻烊粴獾拇鎯?chǔ)量有限，而日消耗量巨大，總有耗盡之日，到那時(shí)衛(wèi)星太陽(yáng)能電站可望成為能源供給的主干，通過(guò)無(wú)線輸電技術(shù)就可以直接把微波能量輸給交通運(yùn)輸工具。
4.6在月球和地球之間架起能量之橋
世界人口的不斷增長(zhǎng)和地球資源的日益耗盡，太陽(yáng)系中其他星球的開(kāi)發(fā)利用是人類一直以來(lái)的夙愿。月球是地球的天然衛(wèi)星，其上資源豐富，地域遼闊，是首先要開(kāi)發(fā)的星體。未來(lái)人類對(duì)月球的利用主要是移民和資源獲取。月球的土壤里富含SiO2，是制造太陽(yáng)能電池的原料。如果先在月球上建立起工廠，然后把太陽(yáng)能電站直接建在月球上，比起建在地球靜止同步軌道上要容易些，借助于微波束或激光束把電能發(fā)送到地球。
5.結(jié)語(yǔ)
隨著無(wú)線電力傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，不但使人們未來(lái)的生活有望擺脫手機(jī)、相機(jī)、筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備電源線的束縛，享受在機(jī)場(chǎng)、車站、酒店多種場(chǎng)所提供的無(wú)線電力，而且可用于一些特殊場(chǎng)合，如人體植入儀器如心臟起搏器等的輸電問(wèn)題、新能源（電動(dòng)）汽車、低軌道軍用衛(wèi)星、太陽(yáng)能衛(wèi)星發(fā)電站等。在世界經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的今天，節(jié)能和新的、可再生能源的開(kāi)發(fā)是擺在能源工作者面前的首要問(wèn)題。太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭的干凈能源。除核能、地?zé)崮芎统毕苤猓厍蛏系乃心茉炊紒?lái)自太陽(yáng)，建造衛(wèi)星太陽(yáng)能電站是解決人類能源危機(jī)的重要途徑。要將相對(duì)地球靜止的同步軌道上的電能輸送的地面，無(wú)線輸電技術(shù)將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，該技術(shù)具有潛在的廣泛應(yīng)用前景。但是，每一種無(wú)線傳輸方式，都有一系列問(wèn)題需要解決，如電能傳輸效率問(wèn)題，電力公司如何收費(fèi)和計(jì)費(fèi)，能量傳輸所產(chǎn)生的電磁波是否對(duì)人體健康帶來(lái)危害，等等。不管怎樣，一旦這項(xiàng)技術(shù)能夠普及，就會(huì)給人們的生活帶來(lái)巨大的便利。
參考文獻(xiàn):
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論文摘要:感知無(wú)線電技術(shù)是在軟件無(wú)線電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的智能無(wú)線通信技術(shù)，是軟件無(wú)線電技術(shù)的擴(kuò)展，它使軟件無(wú)線電從預(yù)先定義協(xié)議的盲目執(zhí)行者轉(zhuǎn)變成為無(wú)線電領(lǐng)域的智能。感知無(wú)線電雖具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但技術(shù)并不成熟，本文對(duì)感知無(wú)線電的無(wú)線傳輸場(chǎng)景分析、信道狀態(tài)估計(jì)及其容量預(yù)測(cè)、功率控制和頻譜管理，無(wú)線電知識(shí)描述語(yǔ)言等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了探討，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)工作的開(kāi)展提供一些參考。
一、感知無(wú)線電的概念
感知無(wú)線電技術(shù)用以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜共享。通過(guò)檢測(cè)空中信號(hào)占用頻譜，通過(guò)探知無(wú)線環(huán)境中空閑頻譜資源，選擇可被自己利用頻率進(jìn)行通信。租借系統(tǒng)通過(guò)采用感知無(wú)線電技術(shù)，實(shí)時(shí)跟蹤授權(quán)系統(tǒng)占用頻率狀況，隨時(shí)使用、釋放頻段，在保障授權(quán)系統(tǒng)通信前提下，與授權(quán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)共享頻譜。采用頻譜檢測(cè)方式獲取頻譜信息可使感知無(wú)線電技術(shù)能適應(yīng)無(wú)線環(huán)境頻譜使用狀況短期變化，高效利用頻譜，并且感知無(wú)線電技術(shù)不要求改造現(xiàn)有系統(tǒng)，對(duì)無(wú)線信道環(huán)境和用戶需求都將具有較好適應(yīng)性。
感知無(wú)線電技術(shù)動(dòng)態(tài)頻譜共享是自適應(yīng)傳輸技術(shù)思想在頻譜分配領(lǐng)域的運(yùn)用。自適應(yīng)傳輸使無(wú)線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸適應(yīng)信道傳輸能力的變化，通過(guò)提高數(shù)據(jù)傳輸速率來(lái)改善頻譜利用率。而感知無(wú)線電使無(wú)線通信系統(tǒng)占用的頻譜適應(yīng)無(wú)線環(huán)境頻譜使用狀況的變化，通過(guò)增加共享同一頻段的系統(tǒng)數(shù)、用戶數(shù)來(lái)提高頻譜利用率。不管是自適應(yīng)傳輸技術(shù)還是感知無(wú)線電技術(shù)，其思想的核心都是無(wú)線通信系統(tǒng)能自動(dòng)地適應(yīng)外界環(huán)境和自身需求的變化。
感知無(wú)線電思想可以推廣到移動(dòng)通信其它層面。從低層到高層，要求未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)能檢測(cè)系統(tǒng)各層參數(shù)與狀態(tài)，如鏈路質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹I(yè)務(wù)負(fù)載、甚至用戶需求，并能適應(yīng)這些變化。從通信端到端，在存在重疊覆蓋多種無(wú)線電通信環(huán)境下，要求移動(dòng)設(shè)備能夠在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間切換，實(shí)現(xiàn)包括終端、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)在內(nèi)的端到端重配置。這也就是所謂的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)(CognitiveNetwork)。
二、感知無(wú)線電關(guān)鍵技術(shù)分析
作為一種新的智能無(wú)線通信技術(shù)，感知無(wú)線電可以感知到周圍的環(huán)境特征，采用構(gòu)建方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過(guò)相關(guān)描述語(yǔ)言(RadioKnowledgeRepresentationLanguage，RKRL)與通信網(wǎng)絡(luò)智能交流，實(shí)時(shí)調(diào)整傳輸參數(shù)，使系統(tǒng)的無(wú)線規(guī)則與輸入的無(wú)線電激勵(lì)的變化相適應(yīng)，以達(dá)到隨時(shí)隨地通信系統(tǒng)的高可靠性和頻譜利用的高效性。無(wú)線規(guī)則指一系列適合無(wú)線頻譜合理使用的射頻帶寬、空中接口、相關(guān)協(xié)議和空間時(shí)間模式的設(shè)置。感知無(wú)線電系統(tǒng)的重構(gòu)能力很重要，該功能就是以軟件無(wú)線電作為平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。重構(gòu)功能是由軟件無(wú)線電實(shí)現(xiàn)，而感知無(wú)線電的其他任務(wù)是通過(guò)信號(hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)程實(shí)現(xiàn)，其感知過(guò)程開(kāi)始于無(wú)線電激勵(lì)的被動(dòng)感應(yīng)，以做出反應(yīng)行為而終止，一個(gè)基本的感知周期要大致分為3個(gè)基本過(guò)程，分別是無(wú)線傳輸場(chǎng)景分析、信道狀態(tài)估計(jì)及其容量預(yù)測(cè)、功率控制和頻譜管理，它們的順序執(zhí)行使感知無(wú)線電系統(tǒng)的感知功能得以實(shí)現(xiàn)。
2.1感知無(wú)線電技術(shù)與動(dòng)態(tài)頻譜分配
未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)滿足用戶需求的關(guān)鍵點(diǎn)是提高頻譜利用率。移動(dòng)通信的發(fā)展使帶來(lái)了越來(lái)越嚴(yán)重的頻率短缺問(wèn)題。解決頻率短缺大致有兩類方法，一是擴(kuò)大可利用的頻率范圍，二是提高頻譜利用率。為增加可用頻率，移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻率已擴(kuò)展至300GHZ。無(wú)線信道的路徑損耗是隨頻率升高而迅速增加的，所以頻率過(guò)高并不利于移動(dòng)通信。因而，更加有效的方法是提高頻譜利用率。
提高頻譜利用率有三類途徑，改進(jìn)通信設(shè)備的傳輸技術(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)、提高組網(wǎng)能力。目前廣泛采用這兩種途徑，但是這兩種方法能夠獲得的頻潛利用率增益將越來(lái)越少。第三種提高頻譜利用率的途徑是改進(jìn)頻譜分配方式。
目前國(guó)際上主要采用固定頻譜分配方式，一個(gè)頻段只分配給一個(gè)無(wú)線接入系統(tǒng)，不管分配的頻段是否被頻率牌照的所有者實(shí)際使用，其它無(wú)線接入系統(tǒng)不能占用該頻段。為提高頻譜利用率，可以將一些頻段分配給了多個(gè)系統(tǒng)，允許它們同時(shí)占有同一個(gè)頻段，甚至一些頻段可以開(kāi)放為不需牌照的頻段，允許任意系統(tǒng)占用。盡管固定頻譜分配方式能夠改善系統(tǒng)干擾問(wèn)題，但由于頻譜的授權(quán)系統(tǒng)并不是在任何地區(qū)的任何時(shí)刻都使用頻率，其頻譜利用率很低。而簡(jiǎn)單地允許多個(gè)系統(tǒng)共享一個(gè)頻段，雖然優(yōu)于獨(dú)占性的固定頻譜分配方式，但由于它對(duì)頻譜共享沒(méi)有加以必要的控制，一個(gè)系統(tǒng)占用頻率前并不知道該頻率是否正在被其它系統(tǒng)使用，從而導(dǎo)致了兩方面的問(wèn)題。可見(jiàn)，如果僅僅是簡(jiǎn)單地允許多個(gè)系統(tǒng)共享頻譜，而不避免系統(tǒng)間干擾，會(huì)制約頻譜利用率的提高，并且不能保證通信質(zhì)量。為解決頻譜短缺與頻譜利用率低下的矛盾，可以考慮采用動(dòng)態(tài)頻譜分配方式。允許多個(gè)系統(tǒng)共享同一頻段，各系統(tǒng)只在需要通信時(shí)才能占有頻段，通信結(jié)束就釋放頻段，而且必須控制系統(tǒng)間干擾，后接入的系統(tǒng)不能影響其它已有系統(tǒng)的通信。為與現(xiàn)有通信系統(tǒng)兼容，分配頻段上授權(quán)系統(tǒng)有使用頻譜的最高優(yōu)先級(jí)，只要不影響授權(quán)系統(tǒng)通信，租借系統(tǒng)與授權(quán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)共享頻譜。這種動(dòng)態(tài)的頻譜共享包含時(shí)間與空間兩方面。在時(shí)間上，當(dāng)授權(quán)系統(tǒng)不使用所分配的頻率時(shí)，租借系統(tǒng)可以占用頻率，但當(dāng)授權(quán)系統(tǒng)重新占用頻率時(shí)，租借系統(tǒng)必須及時(shí)地歸還頻率。
2.2信道狀態(tài)估計(jì)及其容量預(yù)測(cè)
信道估計(jì)的結(jié)果可用來(lái)計(jì)算信道容量，用于控制發(fā)送端的信號(hào)能量，可使用香農(nóng)法則計(jì)算信道容量C，但在感知無(wú)線電系統(tǒng)中并不直接在發(fā)送端傳輸C的信息，而是量化C，一定的量化率用于反饋發(fā)送端，量化比率是預(yù)先確定的，所以接收機(jī)接收的信息量要小于信道容量C。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)線系統(tǒng)的傳輸率是波動(dòng)的，當(dāng)其超出一定界限時(shí)，就會(huì)引起系統(tǒng)的不正常工作，這個(gè)界限決定了最大的傳輸比特率。
2.3功率控制和頻譜管理
2.3.1功率控制
在感知無(wú)線電通信系統(tǒng)中功率控制的實(shí)現(xiàn)以分布方式進(jìn)行，以擴(kuò)大系統(tǒng)工作范圍，提高接收機(jī)性能。控制發(fā)送端功率是感知無(wú)線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在多址接入的感知無(wú)線電信道環(huán)境中，主要采用協(xié)作機(jī)制方法，包括規(guī)則及協(xié)議和協(xié)作的Adhoc網(wǎng)絡(luò)兩方面內(nèi)容。多用戶的感知無(wú)線電系統(tǒng)彼此協(xié)作工作，基于先進(jìn)的頻譜管理功能，可以提高系統(tǒng)工作性能，支持更多用戶接入。
2.3.2動(dòng)態(tài)頻譜管理
動(dòng)態(tài)頻譜管理也稱為動(dòng)態(tài)頻譜分配，具有實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻譜高效利用的功能。在感知無(wú)線電系統(tǒng)中，頻譜管理的算法可這樣描述:基于頻譜空穴和功率控制器的輸出，選擇一種調(diào)制方式以適應(yīng)時(shí)變的無(wú)線傳輸環(huán)境，使系統(tǒng)工作在可靠傳輸?shù)臓顟B(tài)下。系統(tǒng)工作的可靠性可由信噪比差額(SNRgap)的大小確定。
2.4無(wú)線電知識(shí)描述語(yǔ)言
傳統(tǒng)的軟件無(wú)線電不能與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能交流，因?yàn)闆](méi)有基于模式推理計(jì)劃能力和沒(méi)有相關(guān)描述語(yǔ)言。在以軟件無(wú)線電為發(fā)展平臺(tái)的感知無(wú)線電研究中，研究表示無(wú)線系統(tǒng)知識(shí)、計(jì)劃和所需語(yǔ)言是關(guān)鍵技術(shù)，無(wú)線電知識(shí)描述語(yǔ)言(RKRL)應(yīng)運(yùn)而生，它表示了無(wú)線規(guī)則、系統(tǒng)配置、軟件模塊、網(wǎng)絡(luò)傳送、用戶需求、應(yīng)用環(huán)境等知識(shí)。
參考文獻(xiàn):
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關(guān)鍵詞：ZigBee 家居智能 溫度傳感器
中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（a）-0038-02
1 引言
1.1 智能家居簡(jiǎn)介
人們的生活水平和質(zhì)量隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而得到了大幅度的提高。因此人們對(duì)家庭居住環(huán)境提出了更高的要求，希望家居生活更加智能化、人性化。智能家居應(yīng)運(yùn)而生。智能家居是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)，綜合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化以及傳感器等多門學(xué)科，同時(shí)又融入了人文科學(xué)等。通過(guò)各項(xiàng)技術(shù)的綜合管理，使得人們的生活更加舒適化、高效節(jié)能。家居智能系統(tǒng)的核心技術(shù)是：對(duì)于內(nèi)部家庭的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建以及智能控制。內(nèi)部的家庭網(wǎng)具有兩種方式進(jìn)行組網(wǎng)，即無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或者有線網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)采用的都是有線網(wǎng)絡(luò)的方式，采用綜合布線實(shí)現(xiàn)智能家居。但是這種布線使得成本急劇上升，安裝十分復(fù)雜。因此人們逐漸轉(zhuǎn)向無(wú)線傳感方面[1]。
家居智能大體上分為兩種類型：家庭的控制網(wǎng)絡(luò)以及家庭的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。家庭的控制網(wǎng)絡(luò)能夠使得不同的網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)也能夠相互之間進(jìn)行通信以及網(wǎng)絡(luò)等功能。當(dāng)然這些控制都是低速的，可控制照明燈光、家庭的安防以及應(yīng)急等實(shí)用功能。家居智能中的控制需要連接很多設(shè)備節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)又都需要電池供電。因此，需要家居智能中的傳感器具有低速、低功耗、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。
1.2 智能家居發(fā)展歷程
傳統(tǒng)的智能家居都是通過(guò)有線的布線方式進(jìn)行組建的，這樣做固然能夠使得數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，但是卻帶來(lái)了許多問(wèn)題。人們逐漸采用無(wú)線傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，包括：藍(lán)牙、WiFi、紅外以及ZigBee等。這些網(wǎng)絡(luò)無(wú)線技術(shù)的逐漸完善，使得家居智能取得了質(zhì)的飛躍。
20世紀(jì)80年代在美國(guó)建成了第一棟智能建筑，智能建筑逐漸有了新的概念。此后世界各國(guó)都提出了很多基于家居的智能方案。這些智能家居方案在歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)以及日本等的應(yīng)用十分廣泛[2]。
20世紀(jì)90年代末期，新加坡舉辦了活動(dòng)“98亞洲家庭電器與電子消費(fèi)品國(guó)際展覽會(huì)”。在這次展覽大會(huì)上，新加坡提出了基于本國(guó)的家居智能系統(tǒng)。這個(gè)家居智能系統(tǒng)主要是包括了很多實(shí)用功能：智能的家庭控制面板、智能的接入寬帶功能、控制家電功能、接入有線電視功能、安防應(yīng)用以及抄送三表等功能。雖然這些功能在當(dāng)時(shí)只是一個(gè)概念，并沒(méi)有完全融入人們的日常生活中。但是人們相信隨著科技的發(fā)展，家居智能必將服務(wù)現(xiàn)代人們，使得人們能夠具有高質(zhì)量的生活。
2 無(wú)線通信技術(shù)簡(jiǎn)介
2.1 藍(lán)牙技術(shù)
藍(lán)牙是一種短距離的無(wú)線通信技術(shù)。通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)，我們能夠通過(guò)無(wú)線的方式，使筆記本電腦、移動(dòng)電話和無(wú)線耳機(jī)等各種設(shè)備間進(jìn)行信息交換。我們能夠通過(guò)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，但是藍(lán)牙的連接時(shí)間很長(zhǎng)，大概需要3～10 s的時(shí)間。藍(lán)牙技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率是1Mbps，主要采用了時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)了全雙工傳輸。藍(lán)牙支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，采用了快跳頻以及短包技術(shù)和分散式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，工作在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、科學(xué)的2.4 GHz ISM頻段，這個(gè)頻段是全球免費(fèi)通用的[3]。
2.2 WiFi技術(shù)
WiFi無(wú)線傳輸技術(shù)具有快速安全和可靠等優(yōu)點(diǎn)，能夠使得計(jì)算機(jī)能夠通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)的連接。WiFi具有很寬廣的覆蓋面積，能夠達(dá)到大約100 m。其缺點(diǎn)是電波容易受到干擾，用戶在使用WiFi過(guò)程中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容易被竊聽(tīng)和竊取，用戶的信息安全得不到保證。現(xiàn)在WiFi協(xié)議不斷發(fā)展，具有各種各樣的安全協(xié)議，使得安全性能得到很大提高[4]。
2.3 ZigBee技術(shù)
作為一種全新的無(wú)線傳輸技術(shù)，ZigBee具有功耗低、傳輸速率低等特點(diǎn)。其也是工作在2.4 GHz的頻段范圍內(nèi)，傳輸?shù)木嚯x可以達(dá)到10～75 m，其協(xié)議內(nèi)容同藍(lán)牙很相似。但是ZigBee通常都是使用在不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)傳輸?shù)膱?chǎng)合，這是因?yàn)閆igBee經(jīng)常是工作在睡眠模式下。現(xiàn)在世界上有70多個(gè)國(guó)家加入了ZigBee聯(lián)盟。在不同的國(guó)家和地區(qū)，采用了不同的物理層的頻段：在歐洲地區(qū)是868 MHz、在北美是915 MHz和2.4G。ZigBee更加適合應(yīng)用在低頻率和低傳輸速率的儀器上，這是因?yàn)槠洳捎玫氖切切途W(wǎng)絡(luò)，主從配合。
2.4 紅外技術(shù)
在20世紀(jì)90年代初期，世界上20多個(gè)廠商聯(lián)合建立紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)。他們將紅外通信的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了統(tǒng)一，這就是紅外技術(shù)。紅外技術(shù)的初始數(shù)據(jù)傳輸是4兆波特率，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在的傳輸速率提高了3倍。紅外技術(shù)更加適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的短距離無(wú)線傳輸上，這是因?yàn)榧t外技術(shù)采用的近紅外線的波長(zhǎng)很短，因此并不能夠穿透物體，或者說(shuō)在穿透物體時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生偏差。當(dāng)前紅外技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)已經(jīng)十分成熟[5]。
2.5 射頻設(shè)別技術(shù)
射頻識(shí)別技術(shù)，也叫做無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)是在1990年流行的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，這種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)并不需要直接接觸，而是通過(guò)射頻的方式進(jìn)行互相通信。射頻識(shí)別的數(shù)據(jù)傳輸精度很高，同時(shí)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。正是因?yàn)樯漕l識(shí)別技術(shù)不需要進(jìn)行直接接觸，因此在應(yīng)用的過(guò)程中并沒(méi)有摩擦，同時(shí)也不需要可見(jiàn)光源，因此使用壽命很長(zhǎng)，耐久性很好。
3 ZigBee技術(shù)
3.1 ZigBee協(xié)議
ZigBee協(xié)議是定義在IEEE802.15.4協(xié)議的基礎(chǔ)上，IEEE802.15.4是一個(gè)新興的無(wú)線通訊協(xié)議，是一種低速的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)兩個(gè)層次進(jìn)行了定義：MAC層以及PHY層。MAC層是介質(zhì)訪問(wèn)層，其對(duì)多個(gè)無(wú)線的傳輸信號(hào)采用何種方式實(shí)現(xiàn)頻段共享進(jìn)行了定義和說(shuō)明。PHY層是物理層，其對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸速率以及網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線頻段進(jìn)行了定義。然而，只對(duì)這兩個(gè)層的定義和規(guī)范不能解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)人袉?wèn)題。這是由于即使是在這樣的規(guī)范下，世界各生產(chǎn)廠商所生產(chǎn)出來(lái)的設(shè)備同樣具有兼容性問(wèn)題[8]。這就需要廠商聯(lián)合起來(lái)，對(duì)使用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義和規(guī)范。因此ZigBee聯(lián)盟成立起來(lái)，其規(guī)定了不同的設(shè)備生產(chǎn)廠商進(jìn)行設(shè)備兼容性的問(wèn)題[7]。
3.2 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)
數(shù)據(jù)傳輸速率低：ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸在20～200K波特率之間，可以分成幾個(gè)頻段。依據(jù)不同的頻段，能夠具有與不同的數(shù)據(jù)傳輸能力。但是該速度能夠滿足其一般數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊骩6]。
功耗很低：ZigBee的功耗很低，兩節(jié)5號(hào)電池能夠供其在待機(jī)時(shí)能夠工作半年到2年。
成本低：ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速度比較低，因此具有很簡(jiǎn)單的協(xié)議，成本也就相應(yīng)減少了。同時(shí)該技術(shù)協(xié)議是開(kāi)發(fā)的，用戶在使用的過(guò)程中并不需要向相關(guān)部門提交專利費(fèi)。
具有較快的響應(yīng)速度：將其喚醒到工作狀態(tài)，所需時(shí)間只要15 ms；接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)間也僅需30 ms，節(jié)約能量。藍(lán)牙接入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間很長(zhǎng)，大概需要3～10 s；WiFi接入網(wǎng)絡(luò)也需要3 s的時(shí)間。
3.3 ZigBee協(xié)議架構(gòu)
ZigBee的協(xié)議相比較上節(jié)所提到的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，具有簡(jiǎn)單有效的特點(diǎn)。ZigBee的協(xié)議在惡劣的環(huán)境下也能夠很好地工作，只需要很低的硬件配置就能夠正常工作[9]。ZigBee具有幾個(gè)層次的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)如圖1所示。
4 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于ZigBee技術(shù)的家居智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，傳感器系統(tǒng)有很多，溫度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌熿F傳感器等等，如圖2ZigBee技術(shù)在家居智能中的應(yīng)用。本文簡(jiǎn)要介紹其中的一款溫度傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。
4.1 硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)介
圖3為ZigBee家居智能節(jié)點(diǎn)硬件示意圖，它由射頻數(shù)據(jù)模塊、微控制器和設(shè)備組成，其設(shè)備包括傳感器、執(zhí)行器、LCD等。
4.2 無(wú)線收發(fā)器
MC13192是飛思卡爾公司的一款無(wú)線收發(fā)器。該收發(fā)器具有很低的功率消耗，同時(shí)工作在2.4 GHz頻段下。MC13192在mesh以及star網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用良好。如果對(duì)MC13192加上相應(yīng)的MCU控制器后，就能夠提供一種合適性價(jià)比的數(shù)據(jù)傳輸方案。
4.3 主控芯片
本文設(shè)計(jì)的ZigBee智能家居使用的主控芯片是AT89S52單片機(jī)。MSC-51單片機(jī)是八位的非常實(shí)用的單片機(jī)。本文所使用的AT89S52單片機(jī)就是基于這款單片機(jī)的。MSC-51單片機(jī)的基本架構(gòu)被ATMEL公司購(gòu)買，繼而在其基本內(nèi)核的基礎(chǔ)上加入了許多新的功能，同時(shí)擴(kuò)展了芯片的容量以及加入flash閃存等等。51內(nèi)核的單片機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此無(wú)論是在工業(yè)上還是在一些電子產(chǎn)品上應(yīng)用都很多。全球也有許多大公司對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，加入新的功能。即使是在今天，51單片機(jī)仍然在控制系統(tǒng)中占據(jù)很大市場(chǎng)。這款單片機(jī)具有最大能夠支持的64 K外部存儲(chǔ)擴(kuò)展，同時(shí)還具有8K字節(jié)的Flash空間。該單片機(jī)具有4組I/O口，分別是從P0到P3，同時(shí)每組端口具有8個(gè)引腳。
4.4 液晶模塊
液晶模塊的功能主要是顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。例如，進(jìn)行信道的能量檢測(cè)時(shí)，等檢測(cè)完畢之后，就可以在液晶上顯示檢測(cè)到的當(dāng)前信道的能量級(jí)別；MCU請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功，若發(fā)送成功就可以在液晶上顯示成功，如果發(fā)送不成功，則可以根據(jù)返回的狀態(tài)在液晶上顯示發(fā)送不成功的原因。
4.5 溫度傳感器
溫度檢測(cè)的方法有很多，比如采用熱電偶等。本文采用的是DS18B20溫度傳感器。該溫度傳感器采用的是one-Wire總線，即只采用一根信號(hào)線與單片機(jī)進(jìn)行連接。該測(cè)溫傳感器能夠測(cè)量-55～125 ℃的溫度范圍，同時(shí)分辨率能夠達(dá)到0.5 ℃。工作電壓范圍很寬，一般為3.0～5.5 V。
5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.1 總體設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)的軟件主要可以分成三個(gè)層：應(yīng)用層、協(xié)議層以及系統(tǒng)平臺(tái)層。系統(tǒng)平臺(tái)層提供服務(wù)給協(xié)議層，這些工作都是同過(guò)調(diào)用API程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的；協(xié)議層是對(duì)物理層和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)；應(yīng)用層主要完成傳輸數(shù)據(jù)等功能。
5.2 溫度測(cè)量程序
該論文采用的溫度傳感器是one-wire總線的器件，與主控芯片進(jìn)行一根數(shù)據(jù)線連接，就能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)的雙向傳輸。但是這樣就要求主控芯片的時(shí)序必須具有嚴(yán)格的要求。在出廠之前，每個(gè)器件的ROM上都光刻上64位的編碼，這個(gè)編碼地址序列是唯一的，我們可以通過(guò)這個(gè)編碼地址序列來(lái)進(jìn)行多點(diǎn)的組網(wǎng)。本文所設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)，在每一個(gè)結(jié)點(diǎn)只是用一個(gè)溫度傳感器，因此在程序中并不需要讀取其ROM編碼。
6 結(jié)語(yǔ)
目前在智能家居設(shè)備控制已經(jīng)應(yīng)用方面各個(gè)商家和設(shè)備廠商繽紛復(fù)雜、百花齊放，對(duì)技術(shù)的采用和各個(gè)系統(tǒng)的融合還存在很大的討論空間。所以本論文在結(jié)合ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上討論了其在溫度傳感中的典型應(yīng)用，以希望此論文能夠拋磚引玉，為我國(guó)現(xiàn)代化技術(shù)在智能家居智能領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)一點(diǎn)力量。
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Wireless Communication Systems
From RF Subsystems to 4G
Enabling Technologies
2010，1024pp
Hardback
ISBN9780521114035
杜克林等著
無(wú)線通信系統(tǒng)(Wireless Communication System)也稱為無(wú)線電通信系統(tǒng)，是由發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、無(wú)線信道三大部分組成的，利用無(wú)線電磁波，以實(shí)現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)即下一代移動(dòng)通訊，是移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)過(guò)程中的一個(gè)階段和目標(biāo)，它不僅采用新的無(wú)線傳輸技術(shù)提高通信系統(tǒng)的性能，而且與現(xiàn)有的各種有線與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相融合；它不僅包含現(xiàn)有的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而且在某些環(huán)境下也可以采用Ad hoc方式進(jìn)行組網(wǎng)，或者采用兩種結(jié)構(gòu)的組合形式，形成蜂窩網(wǎng)絡(luò)下的兩跳或多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方式。
本書涵蓋了目前以及下一代移動(dòng)通訊與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的所有關(guān)鍵技術(shù)，涉及CDMA技術(shù)、OFDM技術(shù)、超寬帶、turbo和LDPC編碼、智能天線、無(wú)線Ad Hoc和傳感器網(wǎng)絡(luò)、MIMO和認(rèn)知無(wú)線電，為讀者提供了掌握無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的一切知識(shí)。本書共22章，1.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展史、無(wú)線系統(tǒng)各部分基礎(chǔ)知識(shí)，以及本書結(jié)構(gòu)等內(nèi)容；2.各種無(wú)線通訊發(fā)展概況；3.無(wú)線通訊系統(tǒng)中影響頻道和傳播的各種因素；4.蜂窩和多用戶系統(tǒng)的概念與相關(guān)技術(shù)；5.無(wú)線通訊系統(tǒng)分集技術(shù)；6.信道估計(jì)、信道均衡、脈沖整形等內(nèi)容；7.各種調(diào)制與解調(diào)技術(shù)；8.擴(kuò)頻通訊原理及具體應(yīng)用；9.正交頻分復(fù)用的相關(guān)知識(shí)，以及正交頻分復(fù)用的具體應(yīng)用；10.天線設(shè)計(jì)原理及基礎(chǔ)；11.射頻與微波子系統(tǒng)的各部分原理分析與電路等內(nèi)容；12.A/D和D/A轉(zhuǎn)換相關(guān)知識(shí)；13.信號(hào)處理的相關(guān)技術(shù)；14.無(wú)線通訊系統(tǒng)信息理論相關(guān)基礎(chǔ)；15.信道編碼的基本技術(shù)；16－17.信源編碼中的語(yǔ)音和音頻編碼、圖像和視頻編碼；18－19.兩種多天線系統(tǒng)：智能天線系統(tǒng)和MIMO系統(tǒng)；20.超寬帶通信的相關(guān)知識(shí)；21.認(rèn)知無(wú)線電相關(guān)知識(shí)；22.無(wú)線自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識(shí)。
本書詳細(xì)介紹了射頻子系統(tǒng)及天線的性能、設(shè)計(jì)和選擇方法，使讀者對(duì)于無(wú)線系統(tǒng)有一個(gè)清晰概覽，也是第一次完整的介紹無(wú)線系統(tǒng)中語(yǔ)音編碼器和視頻編碼器的教科書。本書有400副插圖，側(cè)重于實(shí)際和藝術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，而不是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，適合于無(wú)線通信領(lǐng)域的研究生和研究人員，以及無(wú)線和電信工程師。
杜克林，IEEE高級(jí)會(huì)員，1998年在華中科技大學(xué)獲得博士學(xué)位，1998－1999年在中國(guó)華為公司從事軟件開(kāi)發(fā)；1999－2000年在中國(guó)電信技術(shù)研究院TDD研發(fā)部移動(dòng)通訊中心從事射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2000到2001年在香港中文大學(xué)微波與通訊實(shí)驗(yàn)室從事項(xiàng)目管理；2001年加盟加拿大Concordia大學(xué)信號(hào)處理與通訊中心，并于2008訪問(wèn)了香港科技大學(xué)。他的主要研究領(lǐng)域包括信號(hào)處理、無(wú)線通信、射頻系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
M. N. S. Swamy是IEEE會(huì)員、英國(guó)工程技術(shù)學(xué)會(huì)和加拿大工程信息中心會(huì)員，并獲得許多IEEECAS獎(jiǎng)勵(lì)，包括在1986年GuilleminCauer獎(jiǎng)、2000年教育獎(jiǎng)和50年金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆Ｊ羌幽么驝oncordia大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院信號(hào)處理與通訊中心主任；他還是Concordia大學(xué)1977到1993年期間工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)。他發(fā)表了大量關(guān)于電路、系統(tǒng)和信號(hào)處理的論文，合作四本書。
杜利東，助理研究員
（中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所）
摘 要：隨著LED照明技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)LED自適應(yīng)調(diào)光技術(shù)的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。該文以AVR單片機(jī)中Atmega16作為
>> 空間高等植物培養(yǎng)箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 基于GSM的生物培養(yǎng)箱智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 基于LED光源的番茄生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基于SOPC的LED點(diǎn)陣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基于ZigBee的智能LED路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基于DSP的光伏LED照明驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng) NICU培養(yǎng)箱溫度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 食品行業(yè)培養(yǎng)箱的設(shè)計(jì)研究 基于ZigBee技術(shù)的LED路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的LED電子顯示屏控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 基于WSCN的LED顯示屏遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 基于IOT的LED智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的LED路燈模擬控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 基于無(wú)線傳輸?shù)腖ED燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基于太陽(yáng)能LED照明控制系統(tǒng)的處理器設(shè)計(jì) 基于LED冷光源的智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基于LED的校園照明節(jié)能控制系統(tǒng) LED點(diǎn)陣顯示控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 太陽(yáng)能LED路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) LED教室走廊智能燈的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 常見(jiàn)問(wèn)題解答 當(dāng)前所在位置：l.
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功率效率；載波干涉正交頻分復(fù)用；添零；頻率分集增益
low power efficiency is a problem affecting traditional orthogonal frequency division multiplexing (ofdm) systems. to counter this problem, a new wireless transmission technology based on zero-padding interferometry ofdm (zp-ci/ofdm) can be employed. zp-ci/ofdm extends the launch symbol to all ofdm subcarriers via carrier interfermoetry codes, eliminating the average power ratio problem and making full use of multicarrier frequency diversity gain. through zero-padding at the transmitter, zp-ci/ofdm can use an advanced receiver to take further advantage of diversity gain and to improve power efficiency in the system.
power efficiency; carrier interferometry; orthogonal frequency division multiplex; zero-padding; frequency diversity gain
正交頻分復(fù)用(ofdm)是由多載波調(diào)制(mcm)技術(shù)發(fā)展而來(lái)，基本思想是采用頻譜重疊但相互不影響的多個(gè)子頻帶來(lái)實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用的數(shù)據(jù)傳輸。ofdm技術(shù)可以有效對(duì)抗符號(hào)間干擾(isi)，具有頻率利用率高以及適合于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因此越來(lái)越受到人們的關(guān)注[1]。
20世紀(jì)80年代，ofdm技術(shù)在通信領(lǐng)域開(kāi)始商用，并于20世紀(jì)90年代首先在廣播式的音頻和視頻領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括在不對(duì)稱數(shù)字用戶線(adsl)、甚高數(shù)據(jù)率數(shù)字用戶線(vhdsl)、音頻廣播(dab)、數(shù)字視頻廣播(dvb)等[2]。1999年，ieee通過(guò)了5 ghz的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)——ieee 802.11a[3]，其物理層傳輸基于ofdm技術(shù)。隨后，寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)ieee 802.16[4]將ofdm技術(shù)作為物理層的基礎(chǔ)技術(shù)。在3g的后續(xù)演進(jìn)技術(shù)中，lte的前向鏈路采用正交頻分多址(ofdma)技術(shù)，反向鏈路采用單載波-頻分多址(sc-fdma)技術(shù)[5]。短距離通信ieee 802.15.3a超寬帶(uwb)技術(shù)[6]也將ofdm作為備選方案之一。可見(jiàn)，ofdm已經(jīng)成為寬帶無(wú)線通信的主流傳輸技術(shù)。然而，ofdm也存在自身的技術(shù)缺陷：
(1)與單載波系統(tǒng)相比，ofdm系統(tǒng)的輸出是多個(gè)獨(dú)立子載波信號(hào)的疊加，合成信號(hào)會(huì)產(chǎn)生很高的峰值平均功率比(papr)。高的峰值平均功率比對(duì)發(fā)射機(jī)射頻功放的線性度提出了很高的要求，同時(shí)也導(dǎo)致了發(fā)射機(jī)的功率效率降低。
(2)ofdm系統(tǒng)將頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化為并行的平坦衰落子信道，因而能夠在有效對(duì)抗符號(hào)間干擾(isi)的同時(shí)，降低接收端均衡處理的復(fù)雜度。然而，ofdm也因此喪失了頻率多徑分集增益。因此，當(dāng)子載波處于深衰落時(shí)，相應(yīng)的子載波承載的數(shù)據(jù)符號(hào)的檢測(cè)就變得異常困難，從而限制了ofdm系統(tǒng)的誤碼率(ber)性能，降低了ofdm系統(tǒng)的功率效率。
針對(duì)傳統(tǒng)的ofdm的功率效率問(wèn)題，wiegandt等將載波干涉(ci)碼用于ofdm系統(tǒng)中，提出了稱為ci/ofdm的改進(jìn)的ofdm傳輸技術(shù)[7-8]。在ci/ofdm系統(tǒng)中，每個(gè)低速并行數(shù)據(jù)不再像ofdm那樣僅通過(guò)各自的子載波傳送，而是由正交的ci碼擴(kuò)展到所有子載波上同時(shí)傳輸。因此，ci/ofdm不降低系統(tǒng)的傳輸速率，也不需要額外帶寬即可產(chǎn)生頻率分集增益，提高系統(tǒng)的ber性能。另外，從時(shí)域角度看，ci碼使每個(gè)數(shù)據(jù)調(diào)制的時(shí)域波形峰值均勻錯(cuò)開(kāi)，不再像ofdm那樣由許多隨機(jī)正弦信號(hào)相加，從而完全消除了papr問(wèn)題。
傳統(tǒng)的ofdm系統(tǒng)在添加保護(hù)間隔時(shí)采用循環(huán)前綴(cp)方式來(lái)消除符號(hào)間干擾。最近的研究表明，采用添零(zp)方式來(lái)代替cp所形成的zp-ofdm系統(tǒng)可以在信道深衰落的情況下保證傳輸符號(hào)的恢復(fù)，從而較傳統(tǒng)基于cp的ofdm系統(tǒng)而言具有更好的誤碼率(ber)性能[9]。
1 系統(tǒng)模型
zp-ci/ofdm的系統(tǒng)模型如圖1所示。在發(fā)射端，zp-ci/ofdm系統(tǒng)利用傅里葉反變換(idft)來(lái)實(shí)現(xiàn)ci碼擴(kuò)展[10]，再利用n點(diǎn)idft將數(shù)據(jù)調(diào)制到各個(gè)子載波上，并在數(shù)據(jù)符號(hào)后添加ng個(gè)零作為保護(hù)間隔以實(shí)現(xiàn)基于zp-ofdm的發(fā)送。在接收端，zp-ci/ofdm可以從頻域或者時(shí)域的角度進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，以充分利用頻率分集增益，提高系統(tǒng)的功率效率。
2 系統(tǒng)的接收機(jī)技術(shù)
在zp-ci/ofdm系統(tǒng)的中，為提高系統(tǒng)的功率效率，接收端的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)十分重要。基于zp-ci/ofdm的3種接收信號(hào)模型，這里介紹頻域最小均方誤差(mmse)檢測(cè)、時(shí)域mmse檢測(cè)和非線性檢測(cè)3種關(guān)鍵技術(shù)。
2.1 頻域mmse檢測(cè)
zp-ci/ofdm系統(tǒng)的頻域mmse檢測(cè)是針對(duì)頻域接收信號(hào)模型并采用mmse算法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。其基本實(shí)現(xiàn)步驟是：首先，接收機(jī)通過(guò)n+n傅里葉變換(dft)將所接收到的時(shí)域符號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域符號(hào)。再通過(guò)頻域信道估計(jì)，估計(jì)出(n+ng)×(n+ng)階頻域信道矩陣h。此時(shí)的信道矩陣h為對(duì)角型矩陣，即，h=diag(h0,h1,…,hn+ng-1)。這里，h0,h1,…,hn+ng-1=fn+ng (h0,…,hl,0,…,0)(n+ng)×1。其中，fn+ng表示(n+ng)階dft矩陣，(h0,…,hl)是衰落信道的信道沖擊響應(yīng)(cir)向量。于是，可以利用頻域信道矩陣h對(duì)頻域接收信號(hào)進(jìn)行mmse檢測(cè)。最后，利用dft實(shí)現(xiàn)ci碼解擴(kuò)，恢復(fù)出原始發(fā)送信號(hào)。頻域mmse檢測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。
2.2 時(shí)域mmse檢測(cè)
基于頻域的zp-ci/ofdm系統(tǒng)檢測(cè)算法并不能充分利用系統(tǒng)的頻率分集增益，為此，可以采用基于時(shí)域的mmse檢測(cè)。頻域的zp-ci/ofdm系統(tǒng)檢測(cè)算法是針對(duì)時(shí)域接收信號(hào)模型并采用mmse算法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。基本實(shí)現(xiàn)步驟是：首先，通過(guò)時(shí)域信道估計(jì)，估計(jì)出(n+ng)×n階時(shí)域信道矩陣h。h為截?cái)嗟拈L(zhǎng)方形toepitz型矩陣；再利用時(shí)域信道矩陣h對(duì)時(shí)域接收信號(hào)進(jìn)行mmse檢測(cè)，然后過(guò)dft將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域；最后利用dft進(jìn)行ci碼解擴(kuò)恢復(fù)出原始發(fā)送信號(hào)。時(shí)域mmse檢測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。
2.3 非線性檢測(cè)
為了進(jìn)一步提高分級(jí)增益，獲得更好的功率效率，zp-ci/ofdm系統(tǒng)可以采用復(fù)雜度更高的非線性檢測(cè)。zp-ci/ofdm系統(tǒng)非線性檢測(cè)的基本原理是基于該系統(tǒng)的接收信號(hào)模型可等效成n×(n+ng)階mimo系統(tǒng)，從而可以采用一些非線性mimo檢測(cè)算法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，從而提高系統(tǒng)性能。
非線性檢測(cè)算法的基本實(shí)現(xiàn)步驟是：首先，通過(guò)時(shí)域信道估計(jì)，估計(jì)出(n+ng)×n階時(shí)域信道矩陣h。然后通過(guò)對(duì)接收信號(hào)的分析，生成從數(shù)字調(diào)制后數(shù)據(jù)符號(hào)到接收信號(hào)間的(n+ng)×n階等效多輸入多輸出(mimo)系統(tǒng)矩陣ω，即ω=hfn-1fn-1，其中fn-1為n階idft矩陣。最后利用一些已有的非線性檢測(cè)算法，如排序順序干擾抵消(osic)算法[11]或球形譯碼(sd)算法[12]，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行非線性檢測(cè)，恢復(fù)出原始發(fā)送信號(hào)。非線性檢測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。
3 應(yīng)用示例
為驗(yàn)證zp-ci/ofdm系統(tǒng)的高功率效率特性，我們對(duì)zp-ci/ofdm的ber和papr性能進(jìn)行了仿真，并將其與傳統(tǒng)的ci/ofdm系統(tǒng)和ofdm系統(tǒng)進(jìn)行比較。
3.1 誤碼率性能仿真
在仿真過(guò)程中，信道模型采用的是cost207tux6[13]信道模型，調(diào)制方式采用的是16相正交幅度調(diào)制(16-qam)。系統(tǒng)仿真參數(shù)是：帶寬為2.5 mhz，子載波個(gè)數(shù)為128，保護(hù)間隔長(zhǎng)度為16，最大多普勒頻移可達(dá)到40 hz。
ber性能仿真結(jié)果如圖5所示。在圖5中，fdmmse、tdmmse和osmmse分別代表了zp-ci/ofdm系統(tǒng)中的頻域mmse檢測(cè)、時(shí)域mmse檢測(cè)和基于采用mmse準(zhǔn)則的osic非線性檢測(cè)。
由圖可見(jiàn)，無(wú)論采用哪種檢測(cè)技術(shù)的zp-ci/ofdm系統(tǒng)的ber性能都優(yōu)于傳統(tǒng)的ci/ofdm系統(tǒng)和ofdm系統(tǒng)，并且在高信噪比(snr)下，ber增益更加明顯。
由于可以更好地利用頻率分集增益，zp-ci/ofdm系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的ofdm和ci/ofdm系統(tǒng)具有更好的功效性能。
3.2 峰值平均功率比性能仿真
在papr的性能仿真中，我們引入互補(bǔ)累積分布函數(shù)(ccdf)來(lái)描述信號(hào)的papr。圖6所示為在16-qam調(diào)制下的zp-ci/ofdm、ci/ofdm和ofdm這3種信號(hào)的papr性能仿真結(jié)果。由圖6的仿真結(jié)果可以看出，ci-ofdm系統(tǒng)由于ci碼的引入從而具有很低的papr，zp-ci/ofdm系統(tǒng)由于以添零的方式作為保護(hù)間隔使得papr略有提高，但也明顯低于傳統(tǒng)的ofdm系統(tǒng)。因此，zp-ci/ofdm系統(tǒng)以較小的papr提高為代價(jià)，換取了更大的ber增益。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文分析了ofdm技術(shù)作為寬帶無(wú)線通信的主流傳輸技術(shù)所存在優(yōu)缺點(diǎn)。由于ofdm技術(shù)存在功率效率問(wèn)題，從而制約了以ofdm為核心的無(wú)線傳輸技術(shù)的發(fā)展。針對(duì)這一問(wèn)題，本文給出了一種新的zp-ci/ofdm無(wú)線傳輸技術(shù)。zp-ci/ofdm技術(shù)通過(guò)載波干涉碼將發(fā)射符號(hào)擴(kuò)展到所有ofdm子載波上，在有效消除傳統(tǒng)ofdm的papr的同時(shí)，充分利用多載波的頻率分集增益；同時(shí)，通過(guò)在發(fā)射端添零，利用先進(jìn)的接收機(jī)技術(shù)進(jìn)一步利用頻率分集增益，提高系統(tǒng)的功率效率。
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收稿日期：2010-09-06
高培，電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在讀碩士研究生；主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)線通信中的信號(hào)處理技術(shù)；已參與3項(xiàng)基金項(xiàng)目，發(fā)表ei檢索論文2篇，申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)。
【關(guān)鍵字】CBTC 隧道 信道建模 幾何光學(xué)模型 波導(dǎo)模型
一、緒論
隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各國(guó)的交通運(yùn)輸建設(shè)也得到了極大發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸?shù)母咝Ш桶踩谕ㄐ诺牧熊囘\(yùn)行控制（Communication-based Train Control，CBTC）技術(shù)成為了未來(lái)城市軌道交通發(fā)展的方向之一。CBTC中車地間的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（Data Communication System，DCS）是地面和車載設(shè)備之間通信的橋梁，通過(guò)它可建立列車車輛與地面設(shè)備之間連續(xù)、雙向、高速的數(shù)據(jù)通信。
目前，CBTC系統(tǒng)主要采用無(wú)線移動(dòng)信道來(lái)傳輸車一地雙向數(shù)字信息，CBTC的運(yùn)營(yíng)環(huán)境主要有：開(kāi)闊空間、高架橋和隧道；為了適應(yīng)不同的運(yùn)營(yíng)環(huán)境會(huì)有不同的傳輸媒介，CBTC的傳輸媒介主要有：自由波（天線）、漏泄電纜和漏泄波導(dǎo)三種。由此可見(jiàn)，CBTC無(wú)線傳播環(huán)境非常復(fù)雜，無(wú)線信道的特性也會(huì)受到運(yùn)營(yíng)環(huán)境和傳輸媒介的影響。因此，需要分析不同運(yùn)營(yíng)環(huán)境及不同傳輸媒介下的傳輸性能。
而分析不同條件下傳輸性能的前提，即是對(duì)信道進(jìn)行建模。本文主要針對(duì)隧道這種運(yùn)營(yíng)環(huán)境，從其理論出發(fā)，提出一種建立隧道模型的方法。
二、隧道環(huán)境簡(jiǎn)介
為了適應(yīng)鐵路在大城市通過(guò)的需要而在城市底下穿越的隧道稱為城市隧道。由于隧道對(duì)無(wú)線電波的屏蔽、吸收和散射作用，使得電波無(wú)法沿隧道縱向遠(yuǎn)傳，這就造成了隧道無(wú)線電波通信困難。若隧道太長(zhǎng)，會(huì)由于電波縱向傳播衰減嚴(yán)重，而使無(wú)線通信問(wèn)題很難處理，而且此時(shí)實(shí)際投入使用的隧道通信方案成本也會(huì)很高，因此研究隧道內(nèi)的無(wú)線電波傳播特性就顯得非常必要。在隧道內(nèi)，空間波的傳播方式指的是自然的傳播方式（即自由波），也就是通過(guò)天線來(lái)輻射出無(wú)線電波，使其在隧道內(nèi)的介質(zhì)（即為空氣）中進(jìn)行傳播。目前對(duì)隧道進(jìn)行建模的方法主要有三種：幾何光學(xué)模型（Geometrical Optical model，GO model）、波導(dǎo)模型和全波模型。
而在隧道無(wú)線傳輸?shù)难芯恐校刃椴▽?dǎo)的方法是基本方法，即將不含縱向?qū)w的隧道看作空心介質(zhì)波導(dǎo)，此時(shí)只有工作頻率高于隧道截止頻率的電磁波才能夠傳播（CBTC的工作頻率為2.4GHz），這也是隧道的固有傳播，其余電磁波會(huì)因?yàn)檠杆偎p掉而無(wú)法傳播。
本文中僅考慮矩形的隧道橫截面這一種情況。矩形隧道可看作修正后的矩形波導(dǎo)，若矩形隧道的橫截面寬為a，高為b，其截止頻率為：
（式1）中，c是光速，m，n=0，1，2，3，…，且m、n不可同時(shí)為0，兩者均為波模的階次。隧道中無(wú)線電波的傳播是由截止頻率小于工作頻率的基模和有限次高次模完成的。
三、隧道模型建立
本文采用了一種結(jié)合了GO模型和波導(dǎo)模型，并采用泊松求和公式的混合模型，對(duì)隧道近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的傳播情況進(jìn)行了分析。主要有以下三步：
（1）將隧道看做多模式工作的波導(dǎo)模型，只有從波導(dǎo)模型中得到的幾種模式的電磁波可在隧道中傳播。
（2）每種模式的強(qiáng)度是由激勵(lì)源決定的，因此需引入GO模型來(lái)分析激勵(lì)源平面上的電磁波分布，即發(fā)射天線所在隧道橫截面平面上的電磁波分布，這個(gè)場(chǎng)的分布可看做所有模式的電場(chǎng)的加權(quán)和。
（3）模式強(qiáng)度可由模式匹配方法得到，一旦激勵(lì)源平面上的模式強(qiáng)度確定，則隧道中的模式傳播就可確定了。隧道中其他位置的電磁波場(chǎng)強(qiáng)也可由每個(gè)模式場(chǎng)強(qiáng)的總和來(lái)預(yù)測(cè)。
本文將隧道橫截面看做寬為a，高為b的矩形。將矩形隧道的中心設(shè)為原點(diǎn)來(lái)建立笛卡爾坐標(biāo)系，如圖1所示。
四、總結(jié)及進(jìn)一步計(jì)劃
本文從理論出發(fā)，分析了CBTC中隧道這種運(yùn)營(yíng)環(huán)境的傳播特性，建立了隧道的信道模型。本文提出的模型為CBTC無(wú)線設(shè)備規(guī)劃提供了指導(dǎo)。
基于本文的隧道模型，論文還可對(duì)以下幾點(diǎn)進(jìn)一步研究和優(yōu)化：
關(guān)鍵詞：礦井，通信技術(shù)，通信系統(tǒng)
1 引言
目前，隨著煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化程度的不斷提高，通信技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的地位顯得越來(lái)越重要，已成為煤礦實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、防止事故災(zāi)害、降低百萬(wàn)噸死亡率的必要手段。煤礦通信系統(tǒng)可分為地面通信和井下通信兩大部分。論文參考。近幾年來(lái)地面通信得到迅猛發(fā)展，設(shè)備、容量、技術(shù)不斷更新，逐步實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、程控化,通信的可靠性和穩(wěn)定性也逐漸提高，地面通信正在向集語(yǔ)音、圖像和數(shù)據(jù)傳輸“三合一”的綜合信息網(wǎng)方向發(fā)展。但是，煤礦井下通信由于受通信設(shè)備技術(shù)、特殊環(huán)境條件等問(wèn)題的制約,還存在許多問(wèn)題。因此,建立一個(gè)暢通、靈活、可靠的井下通信系統(tǒng)是現(xiàn)代化煤礦建設(shè)的首要任務(wù)之一。
2 煤礦井下通信的特點(diǎn)
在煤礦通信的現(xiàn)代化進(jìn)程中，井下通信作為重要的生產(chǎn)要素之一早已滲透在安全生產(chǎn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中，特別是在生產(chǎn)指揮調(diào)度和安全的信息交流方面，都起著舉足輕重的作用。煤礦井下通信系統(tǒng)由于其環(huán)境的特殊性,具有較強(qiáng)的煤礦專業(yè)特征。
2.1 通信設(shè)備設(shè)計(jì)及制造方面的特點(diǎn)：
(1)井下通信設(shè)備必須具備本質(zhì)安全性或防爆性，以適合在含爆炸性氣體的場(chǎng)合使用。所謂本質(zhì)安全性是指正常工作或故障狀態(tài)下裝置產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性混合物。這就要求在電路設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)功率分配、元器件選擇，包括制作工藝保護(hù)措施都要做出特殊的考慮，不能直接照搬電信系統(tǒng)的設(shè)備或標(biāo)準(zhǔn)。
(2)設(shè)備必須體積小巧，質(zhì)量輕，外殼必須具備防潮、防塵、防機(jī)械沖擊的能力。這是因?yàn)榫鹿ぷ魅藛T勞動(dòng)強(qiáng)度大，井下巷道特別是工作面空間窄小，負(fù)重行動(dòng)不太方便，而且生產(chǎn)崗位經(jīng)常變動(dòng)，流動(dòng)性較大，因此要求設(shè)備必須便于攜帶和使用。
2.2 通信設(shè)備功能上的特點(diǎn)：
(1)通信系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)調(diào)度人員必須提供較高的優(yōu)先權(quán)，可實(shí)現(xiàn)選呼、群呼、強(qiáng)插、強(qiáng)拆、錄音、擴(kuò)音等功能，以便使指揮人員能暢通、無(wú)阻塞地呼叫任何終端。
(2)在重要通信點(diǎn)上應(yīng)具備緊急呼叫和雙向報(bào)警功能，以提高對(duì)事故災(zāi)害的應(yīng)變能力。
(3)隨著煤礦井下安全生產(chǎn)及井下人員定位系統(tǒng)發(fā)展的需要，井下設(shè)備應(yīng)當(dāng)具有較強(qiáng)的移動(dòng)通信功能，而礦井巷道為非自由空間，無(wú)線電波在井下巷道的傳輸受到根本性制約。所以應(yīng)當(dāng)研制功能更強(qiáng)的設(shè)備應(yīng)用于煤礦井下的移動(dòng)通信。
2.3 通信設(shè)備性能上的特點(diǎn)：
(1)井下通信設(shè)備是在信道條件較差的情況下工作，與地面通信有著較大的區(qū)別，地面通信設(shè)備的設(shè)計(jì)制造是以比較確切的信道參數(shù)為依據(jù)的。而由于井下環(huán)境較差，潮濕、粉塵嚴(yán)重，且在狹小的巷道空間內(nèi)布有鐵道、管道、支架、電纜等金屬構(gòu)件，所以，無(wú)論是專用信道還是借用信道,其特性都會(huì)受到較大的影響，使信道特性變壞或不穩(wěn)定。
(2)井下用電設(shè)備配置量大，啟動(dòng)頻繁，對(duì)信道形成的電氣干擾的噪聲頻譜寬、電平高。這些都對(duì)井下通信設(shè)備的運(yùn)行構(gòu)成較大的影響。這就要求運(yùn)行于井下的通信設(shè)備在性能上必須能適應(yīng)較差的信道條件和較強(qiáng)的干擾。
3 煤礦井下通信技術(shù)
建立功能完善的井下通信系統(tǒng)對(duì)于提高自動(dòng)化程度、勞動(dòng)生產(chǎn)率、加強(qiáng)安全防護(hù)等方面都有著非常重要的意義。井下通信作為現(xiàn)代煤礦通信技術(shù)的重要組成部分,現(xiàn)在亟待開(kāi)發(fā)、研究、完善和提高。目前,井下通信技術(shù)主要有以下幾種。
3.1 載波通信技術(shù)：
載波通信是煤礦應(yīng)用較早的一種通信方式，在語(yǔ)音、控制及信號(hào)監(jiān)測(cè)方面都有應(yīng)用。架線機(jī)車動(dòng)力載波通信系統(tǒng)是煤礦早期實(shí)現(xiàn)電機(jī)車移動(dòng)調(diào)度通信的主要手段，目前仍有一部分礦井在繼續(xù)使用。由于礦井載波通信的借用信道多數(shù)是動(dòng)力電纜或機(jī)車的架線等，這些信道分支多，線路上設(shè)備起動(dòng)頻繁，造成信道參數(shù)隨時(shí)間和地點(diǎn)的變化很大，因而通信質(zhì)量不理想。目前載波通信系統(tǒng)在傳輸距離、通話清晰度、抗干擾性能等方面和感應(yīng)通信及漏泄通信技術(shù)相比有較大差距，將逐步被替代。但在一些特定的工作環(huán)境，比如采煤機(jī)的動(dòng)力載波監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)合，采用動(dòng)力線作為監(jiān)控裝置的載波信道仍有其實(shí)用價(jià)值。論文參考。
3.2 漏泄通信技術(shù)：
是利用表面開(kāi)孔的同軸電纜(漏泄電纜)在巷道中起到長(zhǎng)天線的作用，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電臺(tái)之間或與基站之間的可逆耦合，已獲得較好的通信質(zhì)量。采用漏泄電纜實(shí)現(xiàn)井下巷道內(nèi)無(wú)線電波的傳輸是一種比較理想的方法。漏泄通信技術(shù)不僅應(yīng)用在礦井中，而且應(yīng)用于公路、鐵路隧道、地鐵及地下停車場(chǎng)等場(chǎng)合，在國(guó)內(nèi)外受到普遍的重視。其缺點(diǎn)是系統(tǒng)造價(jià)昂貴，又需敷設(shè)專用傳輸線，且信號(hào)接收局限在離導(dǎo)線30m以內(nèi)，傳輸線架設(shè)和維護(hù)需花一定代價(jià)。
3.3 感應(yīng)通信技術(shù)：
就是利用普通的金屬導(dǎo)體，如電線、電纜、鋼軌等，與移動(dòng)電臺(tái)之間的電磁感應(yīng)，靜電耦合的一種通信方式。它似乎像有線電，又有點(diǎn)像無(wú)線電，美其名曰“感應(yīng)無(wú)線電”。通信與普通電臺(tái)的通信過(guò)程十分相似。感應(yīng)通信系統(tǒng)具有系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、價(jià)格較低、感應(yīng)線敷設(shè)簡(jiǎn)便(甚至可以用金屬管道作為感應(yīng)線)、無(wú)需中繼器等優(yōu)點(diǎn),是煤礦井下比較受歡迎的一種移動(dòng)通信方式。它能以較小的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離的通信，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)幾個(gè)方向通信。感應(yīng)通信系統(tǒng)為減小傳輸衰減,選擇的傳輸頻率較低(一般在2MHz以下)。而煤礦井下在低頻段的電磁噪聲較大,所以感應(yīng)電話通話質(zhì)量在有些礦井不理想，噪聲較大。另外，感應(yīng)線離巷道壁太近時(shí)，形成電磁場(chǎng)空間分布的不均勻，引起較大的損耗，影響傳輸距離。
3.4 井下光纖通信技術(shù)：
國(guó)際上實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)是1970年以后才發(fā)展起來(lái)的。由于光纖通信容量大、中繼距離遠(yuǎn)、防爆性能好、抗干擾能力強(qiáng)，使光纖通信技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展很快。1991年我國(guó)第一套井下光纜通信系統(tǒng)KT1系統(tǒng)研制成功，成功地解決了井下光纜的接續(xù)技術(shù)和井下光通信的若干技術(shù)難題，填補(bǔ)了井下光通信產(chǎn)品的空白。目前煤礦井下的光纖通信技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域發(fā)揮作用。除傳統(tǒng)的語(yǔ)音通信外，光纖是監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中理想的高速信道。光纖通信的低損耗無(wú)中繼傳輸優(yōu)點(diǎn)使光纖工業(yè)電視系統(tǒng)成為井下工業(yè)電視系統(tǒng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。光纖通信技術(shù)是一門新興的正在不斷發(fā)展的技術(shù)。就目前的井下光纖通信系統(tǒng)而言,光通信的許多優(yōu)越性還有待進(jìn)一步發(fā)揮。光纖通信在煤礦井下通信系統(tǒng)中的地位將會(huì)有更大的提高。
3.5 井下PHS通信技術(shù)：
PHS是日本開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，日本人稱之為“個(gè)人手持電話系統(tǒng)”（英文縮寫PHS，就是我們常說(shuō)到的個(gè)人無(wú)繩市話系統(tǒng)），于1995年7月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。PHS井下通信技術(shù)與目前應(yīng)用于井下的其他無(wú)線通信系統(tǒng)（包括井下泄漏通信）有完全不同的設(shè)計(jì)理念。其技術(shù)來(lái)源于成熟的公眾移動(dòng)通信技術(shù)，即PHS系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)一定的技術(shù)改造后把它移植于煤礦井下，是對(duì)傳統(tǒng)井下無(wú)線通信的突破，有傳統(tǒng)井下無(wú)線通信不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)在現(xiàn)代公眾無(wú)線通信的高技術(shù)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)中各種設(shè)備與傳統(tǒng)煤田井下通信設(shè)備相比有較高的可靠性和性價(jià)比，并能夠得到生產(chǎn)廠商的長(zhǎng)久支持。PHS通信系統(tǒng)作為一個(gè)無(wú)線傳輸平臺(tái)，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，平臺(tái)上可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、人員定位信息的傳送等，為系統(tǒng)的應(yīng)用提供更大的空間。可同時(shí)為煤礦井上、井下提供無(wú)線通信服務(wù)，在煤礦形成一整套覆蓋井上、井下立體的無(wú)線移動(dòng)通訊及生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)。
3.6 藍(lán)牙通信技術(shù)：
是一種短距離的無(wú)線數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開(kāi)放性全球技術(shù)規(guī)范，它最初的目標(biāo)是取代現(xiàn)有的掌上電腦、移動(dòng)電話等各種數(shù)字設(shè)備上的有線電纜連接。使用國(guó)際上無(wú)需授權(quán)的2.4GHz的 ISM 頻段，采用了跳頻方式來(lái)擴(kuò)展頻譜分成79個(gè)無(wú)線信道。從目前的應(yīng)用來(lái)看，由于藍(lán)牙芯片體積小、功率低、接口標(biāo)準(zhǔn)、成本低，其應(yīng)用已不局限于計(jì)算機(jī)外設(shè)，幾乎可以被集成到任何數(shù)字設(shè)備之中，特別是那些對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的井下移動(dòng)設(shè)備和便攜設(shè)備。論文參考。在井下通信時(shí)具有很好的抗干擾能力。
除了以上的井下通信技術(shù)以外，在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)情況還可以采用擴(kuò)頻技術(shù)、復(fù)用多址技術(shù)等技術(shù)來(lái)提高井下通信的可靠性及安全性。
4 結(jié)語(yǔ)
煤礦通信技術(shù)正在進(jìn)入一個(gè)新的飛速發(fā)展時(shí)期，計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的不斷突破給這一領(lǐng)域注入了新的活力。地面通信正在向數(shù)字化、綜合化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像的綜合傳輸,并且和計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、光纖通信技術(shù)相結(jié)合,構(gòu)成新型的地面綜合調(diào)度通信系統(tǒng)。井下通信將進(jìn)一步應(yīng)用先進(jìn)的通信技術(shù)，最終構(gòu)成有線和無(wú)線相結(jié)合、電纜與光纜相結(jié)合、固定和移動(dòng)相結(jié)合、靈活方便、大容量、多信道、多功能的全礦井移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。展望未來(lái)幾年,煤礦通信系統(tǒng)將伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展在許多重要方面有所突破,從而給煤礦通信的面貌帶來(lái)更大的改變。
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關(guān)鍵字：路燈；智能控制系統(tǒng)；ZigBee；GPRS
一、引言
路燈照明作為城市生活必需品之一，其重要性毋庸置疑。然而隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，城市路燈照明系統(tǒng)也隨著變得越來(lái)越龐大，傳統(tǒng)的人工控制模式已經(jīng)難以良好地支撐起城市路燈照明系統(tǒng)的有序運(yùn)行，在對(duì)路燈照明系統(tǒng)的控制上顯得捉襟見(jiàn)肘的同時(shí)，又耗費(fèi)了不必要的人力財(cái)力等資源，因而，既能有序地控制城市路燈照明系統(tǒng)運(yùn)行又能節(jié)省人力財(cái)力等資源的智能控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。本文把ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)兩者相結(jié)合，分析了兩種技術(shù)相結(jié)合的方式以及兩種技術(shù)在控制路燈照明系統(tǒng)上所發(fā)揮的作用和其基本運(yùn)行原理，兩種技術(shù)在構(gòu)建路燈照明智能控制系統(tǒng)方面各司其職，又相互配合，從而組成了一個(gè)可以維持整個(gè)城市路燈照明系統(tǒng)正常高效運(yùn)轉(zhuǎn)的智能系統(tǒng)。
二、路燈智能控制系統(tǒng)
城市路燈控制管理技術(shù)有定時(shí)控制、感光模塊控制和智能控制三種形式。其中，定時(shí)控制需根據(jù)季節(jié)的更替而調(diào)整，工作量大；感光模塊控制的光控元件易受環(huán)境影響而導(dǎo)致失靈等現(xiàn)象。同時(shí)，這兩種城市路燈控制管理技術(shù)無(wú)法對(duì)路燈設(shè)施的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，經(jīng)常需要人工巡檢，不僅維護(hù)成本較高，而且很難保證路燈維護(hù)的及時(shí)性。相比較而言，智能控制管理技術(shù)則根據(jù)城市路燈照明的實(shí)際情況，采取了更好的控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市路燈運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及對(duì)路燈照明的動(dòng)態(tài)智能化管理。
三、基于ZigBee和GPRS技術(shù)相結(jié)合的城市路燈智能控制系統(tǒng)
1、ZigBee技術(shù)
ZigBee技術(shù)是一種短距離且功耗、速率、復(fù)雜度和成本均較低的雙向無(wú)線通訊技術(shù)。ZigBee的物理層（PHY）和媒體訪問(wèn)控制層（MAC）采用了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)之上，ZigBee聯(lián)盟制定了傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL），從而構(gòu)成了ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。
1.1、采用ZigBee技術(shù)的路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則
對(duì)于采用ZigBee技術(shù)的路燈控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循以下原則：
（1）路燈的控制節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)便于安裝且節(jié)點(diǎn)的硬件應(yīng)具有擴(kuò)展性，以便于日后的維護(hù)及升級(jí)；
（2）路燈的控制節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)具有穩(wěn)定可靠的性能，能在惡劣的條件下正常工作運(yùn)行；
1.2、采用ZigBee和GPRS技術(shù)的路燈智能控制方案
信息采集子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)路燈進(jìn)行控制，并采集和處理路燈的光強(qiáng)信息等，它采用了ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；信息傳輸子系統(tǒng)主要是通過(guò)GRRS來(lái)傳輸路燈控制中心的控制指令以及路燈的實(shí)時(shí)狀況信息。總的來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)和智能科學(xué)的照明，通過(guò)GPRS來(lái)實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
在整個(gè)路燈智能控制系統(tǒng)中，通過(guò)在每盞路燈上安裝集成的傳感器模塊（節(jié)點(diǎn)），配合以照度傳感器，從而構(gòu)成了一個(gè)囊括所有受控路燈的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信和組建由ZigBee協(xié)議進(jìn)行支持。而通過(guò)這些傳感器節(jié)點(diǎn)所收集到的各種信息，則通過(guò)GPRS傳輸?shù)娇刂浦行牡挠?jì)算機(jī)上，控制中心通過(guò)對(duì)收集到的信息進(jìn)行分析處理，選擇最優(yōu)的照明方案，再通過(guò)GPRS傳輸?shù)较鄳?yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)上，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)路燈照明系統(tǒng)的智能化控制。
其具體的智能照明方式是通過(guò)照度級(jí)別和傳感器的觸發(fā)與否來(lái)控制路燈的開(kāi)關(guān)。當(dāng)天色變暗時(shí)，主開(kāi)關(guān)電路控制開(kāi)啟路燈，傳感器節(jié)點(diǎn)將所收集到的照度信息通過(guò)GPRS傳輸?shù)娇刂浦行模刂浦行母鶕?jù)收集到的信息調(diào)用相應(yīng)的場(chǎng)景模塊照明方案，即對(duì)路燈的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)；而當(dāng)天色逐漸變亮?xí)r，則逐漸降低路燈亮度直至關(guān)閉路燈。
而其具體的智能監(jiān)控則體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每盞路燈的工作電流參數(shù)、城市道路狀況以及每盞路燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)路燈照明實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集；（2）通過(guò)分析判斷工作中的路燈電流等的大小是否在正常范圍內(nèi)來(lái)定位出現(xiàn)故障的路燈，從而便于維護(hù)人員對(duì)故障路燈進(jìn)行快速修復(fù)；（3）通過(guò)控制中心的計(jì)算機(jī)可以查看路燈的實(shí)時(shí)照明數(shù)據(jù)，并能夠?qū)崿F(xiàn)路燈燈光的調(diào)節(jié)。
2、ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由帶有GPRS通信模塊的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)組成。ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)照度、開(kāi)關(guān)路燈、調(diào)節(jié)路燈亮度以及處理并傳遞網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的信息到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)則通過(guò)GPRS將這些信息上傳到控制中心，而要完成上述信息的采集及傳送，則需要必要的硬件支撐，圖2.2.1是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件模塊示意圖。
圖2.2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件模塊示意圖
ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)
協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)
如圖所示，ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)包括了傳感器模塊、路燈控制模塊和電源模塊，傳感器模塊可以檢測(cè)照度，路燈控制模塊可以開(kāi)關(guān)路燈和調(diào)節(jié)路燈亮度，電源模塊則是其他模塊正常運(yùn)作所必須的能源模塊，通過(guò)這些模塊可以實(shí)現(xiàn)路燈的控制與實(shí)時(shí)信息的收集；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的作用在于與控制中心進(jìn)行通信，因此其包括了可以通信的GPRS模塊以及保證GPRS正常工作的電源模塊。
3、ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
要實(shí)現(xiàn)基于ZigBee技術(shù)的智能路燈照明控制系統(tǒng)，不僅僅需要一定的硬件電路，還需要相應(yīng)的軟件來(lái)配合硬件的運(yùn)行。
為配合帶有GPRS模塊的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的有效運(yùn)行，需要相應(yīng)的軟件具有建立網(wǎng)絡(luò)、允許路由節(jié)點(diǎn)的加入和離開(kāi)、接收各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)上傳的信息、將信息通過(guò)GPRS上傳到控制中心、接收控制中心的控制指令在傳輸?shù)铰酚晒?jié)點(diǎn)等功能。該軟件的程序模塊需包括系統(tǒng)的初始化、協(xié)調(diào)器的注冊(cè)、接收路由節(jié)點(diǎn)的信息并處理、上傳路由節(jié)點(diǎn)的信息及接收控制指令等。
與路由節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的軟件應(yīng)具有自身節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息上傳、傳感器采集狀態(tài)信息和執(zhí)行相關(guān)控制指令等。它的程序模塊需包括系統(tǒng)的初始化、路由節(jié)點(diǎn)注冊(cè)、接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息并處理、上傳節(jié)點(diǎn)信息到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、接收并執(zhí)行協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的指令等。
對(duì)于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其操作和信號(hào)的傳輸需在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行，ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信一般使用原語(yǔ)來(lái)進(jìn)行，而要想真正實(shí)現(xiàn)原語(yǔ)的交互，完成收集到的信息數(shù)據(jù)通信，則需要依靠軟件編譯來(lái)完成，即通過(guò)軟件算法，將數(shù)據(jù)信息、控制算法與原語(yǔ)相匹配，從而建立完成通信規(guī)則。
四、結(jié)語(yǔ)
隨著無(wú)線傳輸通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線傳輸?shù)耐ㄐ判屎屯ㄐ刨|(zhì)量都有了很大的進(jìn)步，本文分析研究了在路燈控制系統(tǒng)中采用ZigBee和GPRS無(wú)線傳輸技術(shù)相結(jié)合的方案，通過(guò)對(duì)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件和硬件進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，闡述了ZigBee和GPRS技術(shù)在路燈智能控制系統(tǒng)中的運(yùn)用方式和工作原理。
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術(shù).2012（12）
郵寄地址：山東省菏澤市牡丹區(qū)大學(xué)路大學(xué)嘉園14號(hào)樓1單元101室
收件人：仝愛(ài)霞（轉(zhuǎn) 楊卓凡 收）
