一种基于WIA-PA工业无线网络的本质安全型无线水表适配器

1 背景技术

在工业生产过程中，水是常用的能源物料。从环保角度及经济效益角度考虑，如何合理使用水资源，成了工业生产环节的重中之重。目前在生产过程中，对用水流量的计量仪表多为传统的机械式旋翼水表，没有电气通信接口，无法加入到DCS远程监控系统中，需要定期人工抄表，费时费力。

2 功能介绍

本文提出了一种基于WIA-PA工业无线网络的本质安全型无线适配器，可以安装在现有机械式旋翼水表上，通过传感器采集水流量信息，转换成电脉冲信号，通过采集的脉冲计数值及初始值，计算出累加流量值，并将累加流量值通过无线信号发送至WIA-PA无线网关，再通过无线网关的以太网接口接入到DCS系统中，实现了机械式旋翼水表的远程计量。

本产品以WIA-PA无线模块为核心，应用超低功耗设计技术，本质安全设计技术，并采用大容量安全型电池组供电，具有低压保护，过流保护功能，既保证了电池的使用寿命又提高了防爆安全性。

3 原理组成

本产品包括传感器、磁性指针、电池组、无线水表适配器板、小型鞭装天线，铝合金壳体。

传感器及磁性指针安装在机械式旋翼水表上，通过磁性指针的转动产生变化的磁场，传感器将磁信号转换成脉冲电信号。传感器选择接触阻抗低、无待机功耗、可靠性好的小型干簧管作为检测元件。在磁性指针进入干簧管吸合临界区的时候，干簧管会产生多次吸合，导致重复计量。为了提高计量的准确性和抗干扰性，在传感器中采用双干簧管设计。无论单个哪个吸合多少次都按照吸合一次计算，只有两个各吸合一次才算是一次有效计量。而当两个干簧管同时吸合时，认为是外界强磁干扰，也不列入有效的计量。

传感器输出线连接至无线水表适配器板的脉冲采集电路，脉冲采集电路连接WIA-PA无线模块，脉冲信号通过光电耦合器隔离，转化合适电平的隔离脉冲信号，送至WIA-PA无线模块通信脉冲采集端。

无线水表适配器板及电池组采用本安设计技术，可通过本安防爆认证。

无线水表适配器板包括供电电路、WIA-PA无线模块、电量采集电路、脉冲采集电路。

WIA-PA无线模块由无线射频芯片及射频放大电路组成，主要完成数字信号的调制解调及射频放大接收功能，将数字信号转换成2.4GHz～2.4835GHz的射频信号通过天线辐射到空间，同时接收空间微弱的射频信号，解调成数字信号。

电量采集电路可采集电池电压，由开关芯片、采样电阻、跟随器、滤波器组成。

附图说明及具体实施方式：

图1 WIA-PA无线水表适配器原理框图

图1为WIA-PA无线水表适配器原理框图。

WIA-PA无线水表适配器硬件部分由电池模块，水表适配器板及天线组成。

其中电池模块由电池和电池保护板组成。具有大容量、过流、欠压保护等特点。

无线适配器板以WIA-PA无线模块为核心，辅助供电电路、电量采集电路、脉冲采集电路、接口电路。

WIA-PA无线模块，主要实现射频信号的收发，功率放大，滤波调制解调等功能。

供电电路采用可升压DC/DC转换芯片。当电池电量低导致电压下降时，后级输出电压依然保持稳定。供电电路本设计采用并联2个稳压二极管组成的安全栅，降低故障时该回路电压，并较少输入输出端电容容量。

电量采集电路对电池电量进行监测，当电量过低时发出告警，提醒操作人员更换电池。根据电池的放电特性，电压越低时电量越低，故可监控电池电压。

该电路由负载开关、采样电阻、跟随器、滤波器组成。采用了低功耗设计理念，跟随器使用无线模块I/0供电，可控制供电。电量采集输入端串联负载开关，可控制输入信号关断。当采集电量时，为该部分电路供电；平时则为关断状态，漏电流uA级。

采样电阻，跟随器，滤波器组成的采样电路保证了电池电压的采样精度，实测误差为±0.1V以内，满足应用需求。

脉冲采集电路由保护电路、采样电路、光电耦合器等组成。采集传感器输出的脉冲信号，通过光电耦合器隔离，输出至WIA-PA无线模块。

4 低功耗设计

作为电池供电的产品，电池使用寿命一直是该类产品的重中之重，一般来说需要到达3～5年的电池寿命。低功耗设计及合理的应用，可以延长电池的使用寿命。无线模块作为核心部件，其功耗直接影响了整个产品的功耗。无线模块的功耗根据无线通信状态分为三种工作状态，即发射状态、接收状态、休眠状态。其中发射状态和接收状态电流分别为100mA，30mA，而接收状态电流为uA级。因此，对无线模块的功耗管理非常重要。采取以下措施可以减少无线模块的能量损耗。

4.1 减少不必要的通信数据

用户必要的数据为水流量的累加值，通过合理设置数据的发送周期，减少数据发送次数，从而降低能量的损耗。而电池电量告警这类维护信息，可以在产生异常时上传。数据格式协议中加入校验和纠错机制，可以更有效地提升发送成功率，避免数据多次重发带来的能量损耗。

4.2 延长休眠时间

WIA-PA采用了全网同步的时间机制，所有无线设备通过无线网关统一授时管理，可以使无线模块做到精准休眠，到达预定时间后唤醒工作，减少了不必要的唤醒监听时间，从而降低了产品的能耗。

4.3 减少发射功率

无线通信消耗能量E与通信距离d的关系为E=kdn，其中，参数n满足关系2＜n＜4。n的取值与很多因素有关，例如：障碍物干扰源多，n的取值就越大；无线信道质量对信号发射质量的影响也很大。考虑诸多因素，通常n取为3，即通信能耗与距离的3次方成正比。随着通信距离的增加，能耗将急剧增加。因此，在满足通信速率的前提下，应该尽量减少单跳通信距离。WIA-PA网络可通过多跳通信的方式，减少单跳的通信距离，并通过合理的网络规划，设置适合的发射功率。

5 结束语

通过本产品的现场应用，可实现用水流量的远程监测计量，数据上传至服务器后，可通过上位机软件实现实时计量、历史趋势曲线、电池电量告警、异常流量告警等功能，达到了减员增效的目的，实现了工厂智能化管理。