【应用】基于Wi-Fi技术的无线配置与控制管理的解决方案

随着智能数据采集器以及新型智能一体化传感器在水文自动测报领域的大量推广应用，设备仪器的现场管理与配置的重要性日益显现。目前数据采集器的现场管理与配置方式，一般通过USB转串口线与PC机连接，通过安装在PC机上的现场管理与配置软件对整套装置进行操作。

由于现场配置与管理软件采用串口通讯，客户和工程人员在进行现场安装调试、检修维护时，必须配备笔记本电脑，携带不便。同时，水文自动测报站由于地处偏远，测报系统工作环境恶劣。例如，水位监测仪器安装在法拉利桶内，流量流速监测装置安装在河道中，而水质检测装置安装在暗井或地下水通道内，距离地面有一定距离，工程实施时需攀爬杆塔或进入下水道，造成一定不便。

随着手持设备的发展，开发一种支持无线的Wi-Fi信号转换模块，通过手持设备内置浏览器进行现场管理与配置工作可有效解决传统监测中存在的问题，降低工程现场的实施难度。同时，这种Wi-Fi信号转换模块也是一个支持多平台（Android、iOS、Windows）的模块，只要手持设备具备浏览器就可以和设备进行通讯，可扩展现场配置与管理的途径，有利于水情、水利、环保气象、输电线路监测市场的开拓。

本文以Wi-Fi技术为基础，提出了一种无线配置与控制管理的解决方案，并详述了其中的低功耗无线交互的关键技术。

一、高速无线Wi-Fi技术

Wi-Fi是一种能够将个人电脑、手持设备等终端以无线方式互相连接的技术，实际上是Wi-Fi联盟的一个商标，目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网络产品之间的互通性。它能够与现有的有线网络无缝连接，不需要额外的介入设备，具有部署方便、构建快速和灵活的特点。Wi-Fi技术工作频段在ISM2.4G频带上，世界范围内所有符合ISM功率限制的都可以免费使用，从而奠定了Wi-Fi技术广泛应用的基础。Wi-Fi的主要特点就是传输速度较高，目前可以达到300Mbps，甚至更高，同时它的有效传输距离也很长，其通信距离在空旷室外能达到千米级，室内也能达到数百米，在监测区域能有效减少设备的使用，降低成本。

二、系统整体架构
低功耗无线配置与控制管理系统的实现方式如图１所示。无线配置与控制管理系统以低功耗Wi-Fi协议转换器作为核心，实现了智能数据采集器和新型智能一体化传感器配置与管理，是一个无线配置与控制管理的解决方案。系统的实现总体上包括三大部分，即智能数据采集器或者新型智能一体化传感器、低功耗Wi-Fi协议转换器和无线管理硬件平台。其中低功耗Wi-Fi协议转换器是由微控制器、无线433MHzRF和无线Wi-Fi模块组成，是整个设计的核心。

无线管理硬件平台即常规手持设备，如手机、平板电脑等。手持设备内置WEB浏览器，通过低功耗Wi-Fi协议转换器和智能数据采集器以及新型智能一体化传感器进行交互，负责对接收到的数据进行展示和管理，同时向智能数据采集器或者新型智能一体化传感器发送控制命令，实现无线配置与控制管理。

低功耗Wi-Fi协议转换器提供一个433MHz RF信号收发模块、一个串行通信收发模块，一个Wi-Fi信号收发模块，其中，433MHzRF接口用于支持和新型智能一体化传感器进行交互，串行通信接口用于支持和ACS系列智能数据采集器进行交互，Wi-Fi接口用于支持无线硬件管理平台通过浏览器进行交互。

图1：系统总体架构

三、Wi-Fi协议转换器硬件设计
低功耗Wi-Fi协议转换器结构如图2所示，它主要由微处理器模块、433M无线模块和电源模块组成。

图2：Wi-Fi协议转换器结构

 
高性能443MHz无线模块
本次开发选用芯科的Si4438射频收发器。Si4438 EZRadio PRO是高性能的低电流ISM频段收发器，覆盖425~525MHz的频段，适用于中国智能仪表市场。利用高效的片上功率放大器（PA），Si4438 IC通过提供+20dBm输出功率、-124dBm灵敏度、114dB链路预算和58dB邻近通道抑制等规格特性，可为智能电表延长传输距离并提供可靠的通信链路。同时，内置的分集式天线和跳频支持可进一步扩展传输距离、增强无线性能。由于分集式天线紧密集成到Si4438收发器中，因此可以提高系统链路预算8~10dB，即使在恶劣的环境条件下也可以有效延长传输距离。
 
另外，Si4438可实现极低的活动和待机电流消耗。75mA活动模式TX电流消耗和14mA的活动RX电流消耗（功率为+20dBm），加上极低的40nA待机电流和快速唤醒时间确保了在最严苛的应用中实现更长的电池寿命。高输出功率和灵敏度可实现出色的144dB链路预算，允许扩展范围和高度可靠的通信链路。

无线组网模式

Wi-Fi无线组网方式目前有Ad-hoc和AP两种模式，两种方式均提供点对点的访问和数据传输。其中，Ad-hoc模式就与以前的直连双绞线概念一样，是P2P的连接，所以也就无法与其它网络沟通了，传输距离通常为40m左右。有些手持设备（如采用Android系统的设备）并不支持连接到临时无线网。如果将无线网卡比作有线网络中的以太网卡，那么AP就是传统有线网络中的HUB，也是目前组建小型无线局域网时最常用的设备，覆盖范围一般是30~300m。它支持目前的所有类型的手持设备（包括Android系统的设备）。从Wi-Fi无线组网方式来看，考虑到手持设备的系统客观要求，AP无线模式适合作为低功耗Wi-Fi协议转换器的工作模式。

图3：Wi-Fi协议转换器操作命令流程

四、关键技术总结
1）原有基于CS架构的访问模式对系统平台过度依赖，无法提供跨平台操作，而开发多系统平台的软件难度大，维护工作量大，使用不方便。本文提供的无线ＢＳ模式的现场管理系统，支持Windows、iOS、Android和Windows Phone系统平台等多种操作系统的设备，是真正的跨平台操作。
 
2）目前市场上监测装置的数据采集器一般提供基于BS架构的现场管理与配置功能和基于以太网的参数配置功能，需现场操作终端具备RJ45通信端口，通过浏览器与设备通讯，完成现场管理与配置工作。这虽然解决了跨平台操作的问题，但这种方式限制了通讯端口和现场安装的方式。由本文提出的无线现场管理系统能有效解决上述弊端，实现远程无线管理。
 
3）为了实现低功耗，节约用电量，现有的无线管理系统一般采取电源开关的方式，在需要操作的时候开启电源，进行现场管理与控制。然而在工程现场如水位、闸位的监测等不易接触的场景下，这种方式就无法使用。

五、结语
本文设计的低功耗Wi-Fi协议转换器可实现智能数据采集器或新型智能一体化传感器的无线配置与控制管理，不但避免了工程现场复杂环境下布线难的问题，同时具有功耗低、安全性高、实时性高、灵活性强等优点。该无线Wi-Fi低功耗技术方案具有一定的通用性，可以在水情自动测报系统、输电线路状态监测系统中使用，具有较好的推广意义，相信随着无线通信技术的快速发展，低功耗无线监控的应用前景将非常广阔。