时间：2022-03-30 13:11:58
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇无线传输技术论文，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词：单片机，温度传感器，远程监控与测量
1.研究的目的与意义
本研究以温度采集及转换，单片机处理和监控，无线传输为核心，可用于航空航天系统中，仓储温度监测及环境监测，矿井里的温度采集等。免费论文。快速方便并且可以实现远程采集，具有较高精确度，另外加有存储单元，可以对温度数据进行存储对比，以备不时之需。在该系统中还添加报警系统，自动提醒不正常温度，以免发生不必要的危险。由于采用ZigBee无线传输装置，可以远距离测温，因此可用于危险区域，例如：高压区，工厂，大型机器内部温测等，还可采集低温。另外还适用于家庭防火灾，火灾内部温度探测和温度监控，有助于灭火的开展和抢救人员和财产以及预测火势的发展等。
在现代社会中温度在航空航天，工业自动化、家用电器、环境保护和安全生产等方面都是最基本的监测参数之一，但是在某些环境下温度检测比较危险。因而需要一个智能检测和监测系统来代替危险的工作，本系统就可以很好的解决此问题，不仅可以实时的对温度进行远程检测监控，还可以在十分恶劣的环境下工作，测量结果精度高，并且对所测数据可以直接通过USB接口传给电脑存储或者直接存入外设存储单元，同时加报警装置，在温度不正常给予提醒，从而将损失减少到最低。为满足对温度记录的要求（高精度、自动控制、经济实用），系统实现了对现场环境温度的不间断测量与监控，让您通过监控中心可以直观看到温度实时变化，做到足不出户即可了解各被测点的温度。在那些需要对温度监控和测量的地方放置无线温度采集器，然后由监控中心通过软件对无线采集器进行控制，代替过去由人工来完成的温度数据采集任务；同时监控中心对无线温度采集器传输来的温度数据进行存储和查询统计。本系统使用方便，操作简捷，已经在许多领域中得到广泛的使用
2.国内外本项目的研究状况
温度在工业自动化、家用电器、环境保护和安全生产等方面都是最基本的监测参数之一，因此其检测装置也得到的长足的进步和发展。免费论文。例如美日生产的管缆热电阻温度传感器可测温度高达1000℃，精度0.5级，清华大学的“光纤黑体腔温度传感器”可在400～1300℃间灵敏度可达0.1℃。随着科技的进步和新材料的发现，新一代的温度传感器也在不断出现和完善，如利用核磁共振的温度检测器，可测量出千分之一开尔文，而且输出信号适于数字运算处理，在常温下可作为理想的标准温度。此外还有热噪声温度传感器、激光温度传感器等诸多发展。智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)，它在硬件的基础上通过软件来实现测试功能。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。如由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125°C,测温精度为±0.2°C。此外新型智能温度传感器的功能也在不断增强。例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟(RTC),使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。免费论文。另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。
无线传输技术ZigBee是在工业自动化、家庭智能化和遥控监测领域对无线通讯和数据传输的需求日益增长的情况下应运而生的，它采用IEEE802.15.4协议，具有功耗低，成本低等特点，还可以方便的实现自动移动的AdHoc网络。目前市场上的RF芯片供应商主要还是TI、EMBER、FREESCAIE及JENNIC，国产厂商在这个方面仍然是空白。鉴于ZigBee技术在功耗、组网技术等方面的出色能力，受到各国政府、军方、科研机构和跨国公司的广泛关注和高度重视，随着其技术的发展，无线传感器网络将会逐渐的深入生活的每个方面。
3.无线网络温度采集可以实现如下功能
（一）数字信号通过单片机分析处理，通过ZigBee无线传输模块，可实现无线传输功能。（二）接收模块得到的数字信号通过单片机处理，可在LCD FC12864上可进行当前温度显示，可实现数字显示功能。（三）外部存储单元可对过去温度进行存储，以便随时调用，可实现存储功能。（四）由于有无线传输，可以实现远程对温度进行监控和测量 存储，安全可靠，而且速度快精度高。（五）系统实现了对现场环境的不间断温度测量与监控，让您通过监控中心可以直观看到温度实时变化，做到足不出户即可了解各被测点的温度。在那些需要对温度监控和测量的地方放置无线温度采集器，然后由监代替过去由人工来完成的温度数据采集任务；同时监控中心对无线温度采集器传输来的温度数据进行存储和查询统计。（六）该系统可换部分装置，然后实现其它功能，例如：将温度传感器换成湿度传感器进行湿度采集等，具有很强的移植性。
4.结语
在当代社会科学技术的迅猛发展以及人类对自然的不断深入探索下，一些人类无法立足的恶劣环境以及相关工业、煤矿业、石油业、存储业等相关环境中的重要温度数据的采集和控制成为科学研究的重要课题。本研究项目以适应相关条件下的温度传感器为依托，以单片机为整个系统的处理和监控为核心，当需要采集人类无法立足的恶劣环境中的重要温度数据时，本系统可以通过媒介放置一体积小、精度高的温度传感器去采集；在生产和存储环境中可以通过本系统来监测温度，当超过合适的环境温度时，发出警报，通知工作人员及时处理控制温度以减少损失。本研究项目可以更好的服务于科研，提高生产效率，降低危险事故发生的几率，具有很强的现实意义
参考文献：
1.闫德立、刘展威.ZigBee技术优势及其在现代企业生产中的应用[J].河北企业，2009.08.
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4. 张培仁，张志坚，高修峰. 十六位单片微处理器原理及应用（第一版）[M].北京：清华大学出版社，2005.5，P18-P52，P60-P63，P130-P163，P226-P260，P280-P286.
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8.宋育才. MCS-51系列单片微型计算机及其应用[M]. 南京：东南大学出版社 ，1997.3.
9.智能温度传感器的趋势[DB/ol].
10..LCD12864中文资料手册.
【关键词】 谐振耦合 无线充电 RFID 智能家居
一、引言
所谓无线充电技术通常指的是电能的无线传输技术，通俗的说，就是不借助实物连线实现电能的无线传达。这样做的好处是方便、快捷，减少在苛刻条件下使用电缆带来的危险性等。关于无线充电技术的研究开始较早，早在1900年，尼古拉・特拉斯就开始无线电能传输的实验，经过一百多年的发展，关于无线传电的方法多种多样，但是基本原理大概可以分为以下三种：电磁感应式、无线电波式、谐振耦合式，通过非辐射磁场内两线圈的共振效应实现中距离的无线供电。
从表1对比可知， 谐振耦合式无线充电技术的非辐射性、高效率等优点是其它无线充电技术无法相比的。所谓谐振耦合式就是利用接收线圈的电感和并联的电容形成共振回路，在接收端也组成同样共振频率的接收回路，利用谐振形成的强磁耦合来实现高效率的无线电能传输。该技术的出现引起了国内外学术界与工业界的巨大兴趣，被公认为目前最具发展前景的一种无线能量传输技术方案。
但是目前基于谐振耦合式的无线充电技术的研究偏向理论化，缺乏对实际应用有定量指导意义的研究成果，同时此技术传输功率较小远远不能完成大功率能量传输，也存在着能量损失较高等缺陷。但毋庸置疑，谐振耦合式无线充电技术对充电设备位置的灵活性以及充电设备的高效匹配性具有重要的实用价值。
二、国内外研究现状
无线能量传输的构想最早可以追溯到19世纪80年代，由著名电气工程师（物理学家）尼古拉・特斯拉（Nikola Tesla）提出。为证实这一构想，特斯拉建造了巨大的线圈用于实验使用。由于实验耗资巨大，最终因财力不足没有得到实现，随后也一直被技术发展水平所限制。
国外对无线充电技术的研究开展的比较早。1968 年，美国著名电气工程师P. E. Glaser在W. C. Brown提出的微波无线能量传输（WPT）概念的基础上提出了卫星太阳能电站（SSPS）的概念。随后美国，日本和欧洲等国都试图把这项技术作为获取新能源的手段，但由于该方案在技术上要求很高，故在实际使用上存在一定的局限性。随后，一家名为 Powercast 的公司推出了一款利用无线电波充电的充电装置，实现了距离为1米左右的低功率无线充电。
另一方面，在20世纪70年代，美国出现了电磁感应能量传输原理的无线电动牙刷。这项应用的传输功率和传输距离都不是很理想，但其无线的特征却恰好满足了其特殊条件下的应用要求。近年来，美国、日本、新西兰、德国等国家相继在这项技术上继续深入研究，目前已经研发了很多实用的产品：美国通用汽车公司研制出的 EV1 型电车；日本大阪幅库公司研制出的单轨型车和无电瓶自动货车；2013年10月，瑞典汽车制造商沃尔沃声称成功地研制出电磁感应式无线充电汽车。
国内对无线充电技术的研究相对较晚。目前在无线电波和电磁感应无线能量传输方面取得的主要成果有：2005年8月，香港城市大学电子工程学系教授许树源教授宣布成功研制出“无线电池充电平台”；中科院严陆光院士带领的研究小组从高速轨道交通的角度对运动型应用进行了性能分析；2007年2月，重庆大学自动化学院非接触电能传输技术研发课题组突破技术难点，设计的无线电能传输装置实现了600至1000W的电能输出，传输效率达到 70%。
谐振耦合式方案是2006年由美国麻省理工学院物理系助理教授 Marin Soljacic 所带领的研究团队提出来的。并于 2007 年 7 月 6 日在科学杂志《Science》上发表成果文献。团队利用该方案，成功的点亮了距离为2米外的一个60 瓦的灯泡，传输效率为40%左右。此项称为“Witricity”技术，该技术树立了无线充电技术发展史的里程碑。一年后，Marin Soljacic团队声称已将传输效率提高至90%。
由于该技术极具前景和市场，世界各国的相关机构和公司也不约而同的进行深入研究。2010 年 1 月，海尔在美国拉斯维加斯举行的国际消费电子展（CES）上展出了最新概念产品无尾电视。一方面，产品运用无线通信技术传输视频信号；另一方面，又使用谐振耦合式充电技术供电，真正实现了无线化。
三、发展疑难点及解决方案
3.1 如何克服干扰源的影响
无线能量传输系统工作在包含各种用电设备的电磁环境中，易受到外界电磁源的干扰。一方面，磁耦合谐振无线能量传输系统以磁场为能量传输介质，任何能感应到磁场的元件都可能成为负载，这种情况为无源干扰源，称为负载类干扰，干扰源称为负载类干扰体；另一方面，外磁场也会影响能量传输系统的磁场，这种情况为有源干扰，其干扰源为干扰场源。这些干扰都会降低系统的传输效率。根据无线输电原理，本文提出以下两个解决方案：（1）选择隔磁的充电空间。为了避免干扰源对能量传输系统的影响，可以把能力传输系统与干扰源隔离，故可以利用电磁屏蔽技术，使系统不受外界干扰源影响。电磁屏蔽的工作原理是利用反射和衰减来隔离电磁场的耦合，所以可以制作屏蔽体，来保护系统免受外界电磁波干扰。如屏蔽导电漆就是能用于喷涂的一种油漆，干燥形成漆膜后能起到导电的作用，从而屏蔽电磁波干扰。（2）控制能量传输系统的谐振频率。由磁耦合谐振式无线能量传输机理的研究知，能量传输系统对干扰源的频率十分敏感。在实际应用中，0.5～25MHz 尚属于空白应用频率段，因此可以在设计能量传输系统的时候，使系统的谐振频率满足电磁耦合的同时尽量处于0.5～25MHz之间，这样有可能降低实际应用中的电子设备对无线能量传输系统的影响。
3.2 如何提高传输距离
美国麻省理工学院物理系助理教授 Marin Soljacic 所带领的研究团队成功地点亮了距离为 2 米外的一个 60 瓦的灯泡。但目前这种技术的最远充电距离只能达到2.7m，传输距离较近严重限制了它的应用。由于传输距离的远近与能量传输系统的电路结构密切相关，现提出如下解决思路：改变电路参数角度来提高传输距离。研究表明，传输距离受到频率、线圈参数等的影响。线圈的谐振频率越高，传输的距离越远；线圈的线径越大，传输的距离越远；线圈的直径越大，传输的距离越远；线圈的匝数越多，近距离传输效果强于远距离传输效果。因而可以综合频率、线圈参数等因素，选定合适的电路器件，使系统传输距离较远。
3.3 是否存在有害电磁辐射
磁耦合谐振式无线充电技术的原理告诉我们，由于电感线圈的存在，必然会产生磁力线辐射，那么这样的磁场会不会造成电磁辐射危害人们的身心健康呢？在电流的辐射方面，目前无线充电器基本上将交流电整流后转换为直流电，且功率极小，业内人士也一直在强调理论上对人的健康不构成威胁。但是辐射的问题，现在也只是停留在理论分析上，到底会不会，依旧是需要更进一步的理论分析和实验研究，只能让时间来证明。
四、发展前景及创新
4.1 RFID与无线充电技术的融合
射频识别技术是利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）传播来实现无接触式信息传递并通过所传递信息达到自动识别自标的一种技术，将RFID技术与无线充电技术相结合，对每个无线充电设备嵌入RFID电子标签，读写器通过射频信号同电子标签进行通信，保证被充电设备与充电系统的完全分离，实现能量的高效率无线传输。
4.2 智能家居与无线充电技术融合
智能家居是物联化的一个体现，最终发展方向之一是终端无线化。应用无线充电技术，可以使各家电系统自动获取电能，进一步实现智能家居的自动控制化。但在无线输电过程中产生的磁场是否会影响到各级系统装置的正常工作有待进一步考证。如果相互影响问题得到有效的解决，无线充电设备与常规家电设备能有效共存，则是智能家居与无线充电两大领域的完美结合，势必进一步改变人类生活。
4.3 电动汽车与无线充电技术融合
无线充电技术对手机等小型电子产品而言，是个锦上添花的新功能，对电动车产业而言，则可能是启动整个市场的关键。对电动汽车进行无线充电，没有外露的连接器，可以彻底避免漏电、跑电等安全隐患。同时采用电磁共振式无线充电技术，可以将电源和变压器等设备隐蔽在地下，让汽车在停车处或街边特殊的充电点充电。若能将无线充电技术应用于电动车产业，将是电动车行业的一大改革。
五、结束语
谐振耦合式无线充电技术是目前最被看好的无线充电技术之一，从长远来看具有广泛发展空间及应用前景。但是每一种无线输电方式都有一系列的关键问题需要解决，如何实现电磁共振式无线充电技术应用的大型化、高效化与距离化，是各国科学家探索研究的重点。随着技术水平的提升，无线充电技术发展迅速，应用逐渐成熟，技术普及逐步实现，在未来的各种场合，无线充电技术无疑将扮演重要角色，服务全人类。
参 考 文 献
[1] 曲立楠，磁耦合谐振式无线能量传输机理的研究，哈尔滨工业大学硕士论文，2010
[2] 范明，谐振耦合式电能无线传输系统研究，太原理工大学硕士论文，2012
关键词 无线电能 传输 形式 当前面临问题
中图分类号：TM724 文献标识码：A
1无线电能传输的定义
无线电能传输又称无接触电能传输是一种传输电能的新技术，它将电能通过电磁耦合、射频微波、激光等载体进行传输。这种技术解决了电力自身的两大缺点：不易储存和不易传输，同时也解除了对于导线的依赖，从而得到更加方便和广阔的应用。
2无线电能传输发展历史
19世纪末被誉为“迎来电力时代的天才”的特斯拉在电气与无线电技术方面做出了突出贡献。1881年发现了旋转磁场原理，并用于制造感应电动机，次年进行试制且运转成功。1888年发明多相交流传输及配电系统；1889-1990年制成赫兹振荡器。1891年发明高频变压器（特斯拉线圈），现仍广泛用于无线电、电视机及其他电子设备，他曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性，并在1899年演示了不用导线采用高频电流的电动机，但由于效率低和对安全方面的担忧，无线电力传输的技术无突破性进展。
2001年5月，国际无线电力传输技术会议在法属留尼汪岛召开期间，法国国家科学研究中心的皮格努莱特，利用微波无线传输电能点亮40m外一个200W的灯泡。其后，2003年在岛上建造的10kW试验型微波输电装置，已开始以2.45GHz频率向接近1km的格朗巴桑村进行点对点无线供电。
2007年6月麻省理工学院的研究人员已经实现了在短距离内的无线电力传输，他们通过电磁感应利用磁耦合共振原理成功地点亮了离电源2m多远处的一个60w灯泡。
2008年9月，北美电力研讨会最新的论文显示，他们已经在美国内华达州的雷电实验室成功的将800W电力用无线的方式传输到5m远的距离。
3无线电能传输方式
3.1电磁感应式
电磁感应式又称为非接触感应式，电能传输电路的基本特征就是原副边电路分离。原边电路与副边电路之间有一段空隙，通过磁场耦合感应相联系。根据无接触变压器初、次级之间所处的相对运动状态，新型无接触电能传输系统可分为：分离式、移动式和旋转式，分别给相对于初级绕组保持静止、移动和旋转的电气设备供电。
电磁感应式的特点是：（1）较大气隙存在，使得原副边无电接触，弥补了传统接触式电能的固有缺陷；（2）较大气隙的存在使得系统构成的耦合关系属于松耦合，使得漏磁与激磁想当，甚至比激磁高；（3）传输距离较短，实际上多在毫米级。
3.2电磁共振式
电磁共振式又称WiTricityj技术是由麻省理工学院物理系、电子工程、计算机科学系，以及军事奈米技术研究所的研究人员提出的。系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，能量在两物体间交互，利用线圈及放置两端的平板电容器，共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。
电磁共振式的特点：（1）利用磁场通过近场传输，辐射小，具有方向性。（2）中等距离传输，传输效率较高。（3）能量传输不受空间障碍物（非磁性）影响。（4）传输效果与频率计天线尺寸关系密切。
3.3微波式
先通过磁控管将电能转变为微波能形式，再由发射天线将微波束送出，接收天线接收后由整流设备将微波能量抓换为电能。
微波式特点：（1）传输距离远，频率越高，传播的能量越大。在大气中能量传递损耗很小，能量传输不受地球引力差的影响；（2）微波式波长介于无线电波和红外线辐射的电磁波，容易对通信造成干扰；（3）能量束难以集中，能量散射损耗大，定向性差，传输率低。
4无线电能传输需要解决的问题
4.1电磁辐射安全问题
对人身安全和周围环境的影响需要解决。由于无线能量的传输既不像传统的供电方式那样可以在传输路径上得到很好的控制也不像无线通讯那样传送微小的功率。高能量的能量密度势必会对人身安全及健康带来影响。对激光则在功率密度小于2.5mW/cm2才能保证对人体无伤害。所以采用无线输电时要考虑避免对人身的伤害。
4.2电磁兼容性
无线能量传输系统在工作时周围空间会存在高频电磁场，这就要求系统本身具有较高的电磁兼容指标。系统要发生电磁兼容性问题，必须存在三个因素，即电磁骚扰源、耦合途径、敏感设备。所以，在遇到电磁兼容问题时，要从这三个因素入手，对症下药，消除其中某一个因素，就能解决电磁兼容问题。因此采取有效的抗干扰措施、屏蔽技术、合理使用电磁波不同的频段、避免交叉，重叠等造成不必要的电磁干扰。
4.3系统整体性能有待提高
目前无线能量传输技术整体上传输的效率不高，主要原因是能量的控制比较困难，无法真正实现能量点对点的传送在传输的过程中会散射等损耗一部分能量，能量转换器的效率不高也是影响整个系统效率的关键因素。当然随着电子技术的不断进步，传输的效率也会逐渐提高。
4.4传输距离、效率、功率、装置体积之间的关系
对于无线能量传输技术中几个关键性的指标：传输距离、传输效率、传输功率、装置体积等。一般情况下，传输距离越近、装置体积越大、传输效率就越高、传输功率就越大。如何尽可能地减小装置体积、提高传输距离、效率和功率是无线输电技术重点研究的方向之一，也是小功率设备实现无线输电的前提。
参考文献
关键词： 无线电力传输技术 电磁感应 射频 原理与应用前景
1.引言
自17世纪人类发现如何发电后就用金属电线来四处传输电力。时至今日，供电网、高压线已遍布全球的角角落落。在工作和生活中，越来越多的电器给我们带来极大便捷的同时，不知不觉各种“理不清”的电源线、数据线带来的困扰也与日俱增。不过，这些年的科技发展表明，在无线数据传输技术日益普及之时，科学家对无线电力传输（Wireless Power Transmission，WPT）的研究也有了很大突破，从某种意义上来讲，无线电力传输也不再是幻想――在未来的生活中摆脱那些纷乱的电源线已成为可能。
2.无线电力传输的发展历史
19世纪末被誉为“迎来电力时代的天才”的名尼古拉・特斯拉（Nikola Tesla，1856―1943）在电气与无线电技术方面作出了突出贡献。他1881年发现了旋转磁场原理，并用于制造感应电动机；1888年发明多相交流传输及配电系统；1889―1890年制成赫兹振荡器；1891年发明高频变压器（特斯拉线圈），现仍广泛用于无线电、电视机及其他电子设备。他曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性，并在1899年演示了不用导线采用高频电流的电动机，但由于效率低和对安全方面的担忧，无线电力传输的技术无突破性进展［1］。1901―1905年在纽约附近的长岛建造Wardenclyffe塔，是一座复杂的电磁振荡器，设想它将能够把电力输送到世界上任何一个角落，特斯拉利用此塔实现地球与电离层共振。
2001年5月，法国国家科学研究中心的皮格努莱特，利用微波无线传输电能点亮40m外一个200W的灯泡。其后，2003年在岛上建造的10kW试验型微波输电装置，已开始以2.45GHz频率向接近1km的格朗巴桑村进行点对点无线供电。
2005年，香港城市大学电子工程学系教授许树源成功研制出“无线电池充电平台”，但其使用时仍然要将产品与充电器接触。
2006年10月，日本展出了无线电力传输系统。此系统输出端电力为7V、400mA，收发线圈间距为4mm时，输电效率最大为50%，用于手机快速充电。
2007年6月，美国麻省理工学院的物理学助理教授马林・索尔贾希克研究团队实现了在短距离内的无线电力传输。他们给一个直径60厘米的线圈通电，6英尺（约1.83米）之外连接在另一个线圈上的60瓦的灯泡被点亮了。这种马林称之为“WiTricity”技术的原理是“磁耦合共振”。
2008年9月，北美电力研讨会的论文显示，他们已经在美国内华达州的雷电实验室成功地将800W电力用无线的方式传输到5m远的距离。
2009年10月，日本奈良市针对充电式混合动力巴士进行了无线充电实验。供电线圈埋入充电台的混凝土中，汽车驶上充电台，将车载线圈对准供电线圈就能开始充电。
3.无线电力传输的基本原理
3.1电磁感应――短程传输
电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系与转化。电磁感应是电磁学中的基本原理，变压器就是利用电磁感应的基本原理进行工作的。利用电磁感应进行短程电力传输的基本原理如图1所示，发射线圈L1和接收线圈L2之间利用磁耦合来传递能量。若线圈L1中通已交变电流，该电流将在周围介质中形成一个交变磁场，线圈L2中产生的感应电势可供电给移动设备或者给电池充电。
3.2电磁耦合共振――中程传输
中程无线电力传输方式是以电磁波“射频”或者非辐射性谐振“磁耦合”等形式将电能进行传输。它基于电磁共振耦合原理，利用非辐射磁场实现电力高效传输。在电子学的理论中，当交变电流通过导体，导体的周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波的频率低于100khz时，电磁波就会被地表吸收，不能形成有效的传输，当电磁波频率高于100khz时，电磁波便可以在空气中传播，并且经大气层外缘的电离层反射，形成较远距离传输能力，人们把具有较远距离传输能力的高频电磁波称为射频（即：RF）。将电信息源（模拟或者数字）用高频电流进行调制（调幅或者调频），形成射频信号后，经过天线发射到空中；较远的距离将射频信号接收后需要进行反调制，再还原成电信息源，这一过程称为无线传输。中程传输是利用电磁波损失小的天线技术，并借助二极管、非接触IC卡、无线电子标签，等等，实现效率较高的无线电力传输。
具体来说，整个装置包含两个线圈，每一个线圈都是一个自振系统。其中一个是发射装置，与能量相连，它并不向外发射电磁波，而是利用振荡器产生高频振荡电流，通过发射线圈向外发射电磁波，在周围形成一个非辐射磁场，即将电能转化为磁场。当接收装置的固有频率与收到的电磁波频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，完成磁场到电能的转换，从而实现电能的高效传输。图2是一个典型的利用电磁共振来实现无线电力传输的系统方案。电磁波的频率越高其向空间辐射的能量就越大，传输效率就越高。
3.3微波/激光――远程传输
理论上讲，无线电波的波长越短，其定向性越好，弥散就越小。所以，可以利用微波或激光形式来实现电能的远程传输，这对于新能源的开发利用、解决未来能源短缺问题也有着重要意义。1968年，美国工程师彼得格拉提出了空间太阳能发电（Space Solar Power，SSP）的概念。其构想是在地球外层空间建立太能能发电基地，通过微波将电能送回地球。
4.无线电力技术的应用前景
无线电力传输作为一种先进的技术一般应用于特殊的场合，具有广泛的应用前景。
4.1给一些难以架设线路或危险的地区供应电能
高山、森林、沙漠、海岛等地的台站经常遇到架设电力线路困难的问题，而工作在这些地方的边防哨所、无线电导航台、卫星监控站、天文观测点等需要生活和工作用电，无线输电可补充电力不足。此外，无线输电技术还可以给游牧等分散区村落无变压器供电和给用于开采放射性矿物、伐木的机器人供电。
4.2解决地面太阳能电站、水电站、风力电站、原子能电站的电能输送问题
我国的新疆、、青海等地降雨量少、日照充足且存在大片荒芜土地，南方部分地区水力、风力资源丰富，这些地区有利于建造地面太阳能发电站或水电站、风力电站。可是，这些地区人烟稀少、地形复杂，在崇山峻岭之中难以架设线路，这时无线输电技术就有了用武之地。采用无线输电技术，还可以把核电站建在沙漠、荒岛等地。这样一方面便于埋葬核废料，另一方面当电站运行发生故障时也可以避免对周围动植物的大量伤害和耕地的污染。
4.3传送卫星太阳能电站的电能
所谓卫星太阳能电站，就是用运载火箭或航天飞机将太阳能电池板或太阳能聚光镜等材料发送到赤道上空35800km的地球静止同步轨道上。在太空的太阳光线没有地球大气层的影响，辐射能量十分稳定，是“取之不尽”的洁净能源。并且一年中有99%的时间是白天，其利用效率比地面上要高出6―15倍［3］。在那里利用太阳能电池板把阳光直接转变为电能，或者用太阳能聚光镜把阳光汇聚起来作为热源，像地面热电厂一样发电。这样产生的电能供给微波源或激光器，然后采用无线输电技术将大功率电磁射束发送至地面，接收到的微波能量经整流器后变成直流电，由变、配电设施供给用户。
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4.4无接点充电插座
随着无线电力技术的发展，一些小型用电设备已经实现了无线供电。如：电动牙刷、“免电池”无线鼠标、无线供电“膜片”/“垫”等。无线供电“膜片”/“垫”是一种家用电器无线供电方式，用一片图书大小的柔软塑料膜片就可对家电进行无线供电，可为圣诞树上的LED、装饰灯、鱼缸水中的灯泡、小型电机、手机、MP3、随身听、温度传感器、助听器、汽车零部件、甚至是植入式医疗器件等供电。
4.5给以微波发动机推进的交通运输工具供电
现在大部分交通运输工具燃烧石油产品，其发动机叫做柴油发动机、汽油发动机等。与此类比，以微波作为能源推进的发动机叫做微波发动机。微波是工作频率在0.3―300GHz的电磁波，不能直接用它来驱动电动机，因为要设计出在如此高的频率下工作的发动机非常困难。如果思路加以改变，把微波能量转变为直流电流的整流器，那么微波就可以直接作为交通工具的能源了。煤、石油、天然气的存储量有限，而日消耗量巨大，总有耗尽之日，到那时卫星太阳能电站可望成为能源供给的主干，通过无线输电技术就可以直接把微波能量输给交通运输工具。
4.6在月球和地球之间架起能量之桥
世界人口的不断增长和地球资源的日益耗尽，太阳系中其他星球的开发利用是人类一直以来的夙愿。月球是地球的天然卫星，其上资源丰富，地域辽阔，是首先要开发的星体。未来人类对月球的利用主要是移民和资源获取。月球的土壤里富含SiO2，是制造太阳能电池的原料。如果先在月球上建立起工厂，然后把太阳能电站直接建在月球上，比起建在地球静止同步轨道上要容易些，借助于微波束或激光束把电能发送到地球。
5.结语
随着无线电力传输技术的不断发展与成熟，不但使人们未来的生活有望摆脱手机、相机、笔记本电脑等移动设备电源线的束缚，享受在机场、车站、酒店多种场所提供的无线电力，而且可用于一些特殊场合，如人体植入仪器如心脏起搏器等的输电问题、新能源（电动）汽车、低轨道军用卫星、太阳能卫星发电站等。在世界经济迅速发展的今天，节能和新的、可再生能源的开发是摆在能源工作者面前的首要问题。太阳能是取之不尽、用之不竭的干净能源。除核能、地热能和潮汐能之外，地球上的所有能源都来自太阳，建造卫星太阳能电站是解决人类能源危机的重要途径。要将相对地球静止的同步轨道上的电能输送的地面，无线输电技术将发挥至关重要的作用。从长远来看，该技术具有潜在的广泛应用前景。但是，每一种无线传输方式，都有一系列问题需要解决，如电能传输效率问题，电力公司如何收费和计费，能量传输所产生的电磁波是否对人体健康带来危害，等等。不管怎样，一旦这项技术能够普及，就会给人们的生活带来巨大的便利。
参考文献:
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论文摘要:感知无线电技术是在软件无线电技术基础上发展起来的一种新的智能无线通信技术，是软件无线电技术的扩展，它使软件无线电从预先定义协议的盲目执行者转变成为无线电领域的智能。感知无线电虽具有独特的优点，但技术并不成熟，本文对感知无线电的无线传输场景分析、信道状态估计及其容量预测、功率控制和频谱管理，无线电知识描述语言等关键问题进行了探讨，希望能够对相关工作的开展提供一些参考。
一、感知无线电的概念
感知无线电技术用以实现动态频谱共享。通过检测空中信号占用频谱，通过探知无线环境中空闲频谱资源，选择可被自己利用频率进行通信。租借系统通过采用感知无线电技术，实时跟踪授权系统占用频率状况，随时使用、释放频段，在保障授权系统通信前提下，与授权系统动态共享频谱。采用频谱检测方式获取频谱信息可使感知无线电技术能适应无线环境频谱使用状况短期变化，高效利用频谱，并且感知无线电技术不要求改造现有系统，对无线信道环境和用户需求都将具有较好适应性。
感知无线电技术动态频谱共享是自适应传输技术思想在频谱分配领域的运用。自适应传输使无线通信系统数据传输适应信道传输能力的变化，通过提高数据传输速率来改善频谱利用率。而感知无线电使无线通信系统占用的频谱适应无线环境频谱使用状况的变化，通过增加共享同一频段的系统数、用户数来提高频谱利用率。不管是自适应传输技术还是感知无线电技术，其思想的核心都是无线通信系统能自动地适应外界环境和自身需求的变化。
感知无线电思想可以推广到移动通信其它层面。从低层到高层，要求未来移动通信系统能检测系统各层参数与状态，如链路质量、网络拓扑、业务负载、甚至用户需求，并能适应这些变化。从通信端到端，在存在重叠覆盖多种无线电通信环境下，要求移动设备能够在异构网络间切换，实现包括终端、网络和业务在内的端到端重配置。这也就是所谓的认知网络(CognitiveNetwork)。
二、感知无线电关键技术分析
作为一种新的智能无线通信技术，感知无线电可以感知到周围的环境特征，采用构建方法进行学习，通过相关描述语言(RadioKnowledgeRepresentationLanguage，RKRL)与通信网络智能交流，实时调整传输参数，使系统的无线规则与输入的无线电激励的变化相适应，以达到随时随地通信系统的高可靠性和频谱利用的高效性。无线规则指一系列适合无线频谱合理使用的射频带宽、空中接口、相关协议和空间时间模式的设置。感知无线电系统的重构能力很重要，该功能就是以软件无线电作为平台来实现的。重构功能是由软件无线电实现，而感知无线电的其他任务是通过信号处理和机器学习的过程实现，其感知过程开始于无线电激励的被动感应，以做出反应行为而终止，一个基本的感知周期要大致分为3个基本过程，分别是无线传输场景分析、信道状态估计及其容量预测、功率控制和频谱管理，它们的顺序执行使感知无线电系统的感知功能得以实现。
2.1感知无线电技术与动态频谱分配
未来移动通信系统满足用户需求的关键点是提高频谱利用率。移动通信的发展使带来了越来越严重的频率短缺问题。解决频率短缺大致有两类方法，一是扩大可利用的频率范围，二是提高频谱利用率。为增加可用频率，移动通信系统的频率已扩展至300GHZ。无线信道的路径损耗是随频率升高而迅速增加的，所以频率过高并不利于移动通信。因而，更加有效的方法是提高频谱利用率。
提高频谱利用率有三类途径，改进通信设备的传输技术，优化网络、提高组网能力。目前广泛采用这两种途径，但是这两种方法能够获得的频潜利用率增益将越来越少。第三种提高频谱利用率的途径是改进频谱分配方式。
目前国际上主要采用固定频谱分配方式，一个频段只分配给一个无线接入系统，不管分配的频段是否被频率牌照的所有者实际使用，其它无线接入系统不能占用该频段。为提高频谱利用率，可以将一些频段分配给了多个系统，允许它们同时占有同一个频段，甚至一些频段可以开放为不需牌照的频段，允许任意系统占用。尽管固定频谱分配方式能够改善系统干扰问题，但由于频谱的授权系统并不是在任何地区的任何时刻都使用频率，其频谱利用率很低。而简单地允许多个系统共享一个频段，虽然优于独占性的固定频谱分配方式，但由于它对频谱共享没有加以必要的控制，一个系统占用频率前并不知道该频率是否正在被其它系统使用，从而导致了两方面的问题。可见，如果仅仅是简单地允许多个系统共享频谱，而不避免系统间干扰，会制约频谱利用率的提高，并且不能保证通信质量。为解决频谱短缺与频谱利用率低下的矛盾，可以考虑采用动态频谱分配方式。允许多个系统共享同一频段，各系统只在需要通信时才能占有频段，通信结束就释放频段，而且必须控制系统间干扰，后接入的系统不能影响其它已有系统的通信。为与现有通信系统兼容，分配频段上授权系统有使用频谱的最高优先级，只要不影响授权系统通信，租借系统与授权系统动态共享频谱。这种动态的频谱共享包含时间与空间两方面。在时间上，当授权系统不使用所分配的频率时，租借系统可以占用频率，但当授权系统重新占用频率时，租借系统必须及时地归还频率。
2.2信道状态估计及其容量预测
信道估计的结果可用来计算信道容量，用于控制发送端的信号能量，可使用香农法则计算信道容量C，但在感知无线电系统中并不直接在发送端传输C的信息，而是量化C，一定的量化率用于反馈发送端，量化比率是预先确定的，所以接收机接收的信息量要小于信道容量C。一般来说，无线系统的传输率是波动的，当其超出一定界限时，就会引起系统的不正常工作，这个界限决定了最大的传输比特率。
2.3功率控制和频谱管理
2.3.1功率控制
在感知无线电通信系统中功率控制的实现以分布方式进行，以扩大系统工作范围，提高接收机性能。控制发送端功率是感知无线电系统的关键技术之一。在多址接入的感知无线电信道环境中，主要采用协作机制方法，包括规则及协议和协作的Adhoc网络两方面内容。多用户的感知无线电系统彼此协作工作，基于先进的频谱管理功能，可以提高系统工作性能，支持更多用户接入。
2.3.2动态频谱管理
动态频谱管理也称为动态频谱分配，具有实现系统频谱高效利用的功能。在感知无线电系统中，频谱管理的算法可这样描述:基于频谱空穴和功率控制器的输出，选择一种调制方式以适应时变的无线传输环境，使系统工作在可靠传输的状态下。系统工作的可靠性可由信噪比差额(SNRgap)的大小确定。
2.4无线电知识描述语言
传统的软件无线电不能与网络进行智能交流，因为没有基于模式推理计划能力和没有相关描述语言。在以软件无线电为发展平台的感知无线电研究中，研究表示无线系统知识、计划和所需语言是关键技术，无线电知识描述语言(RKRL)应运而生，它表示了无线规则、系统配置、软件模块、网络传送、用户需求、应用环境等知识。
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关键词：ZigBee 家居智能 温度传感器
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（a）-0038-02
1 引言
1.1 智能家居简介
人们的生活水平和质量随着科技的进步和经济发展，而得到了大幅度的提高。因此人们对家庭居住环境提出了更高的要求，希望家居生活更加智能化、人性化。智能家居应运而生。智能家居是一项综合性的技术，综合了计算机网络、数字化以及传感器等多门学科，同时又融入了人文科学等。通过各项技术的综合管理，使得人们的生活更加舒适化、高效节能。家居智能系统的核心技术是：对于内部家庭的网络构建以及智能控制。内部的家庭网具有两种方式进行组网，即无线网络或者有线网络。传统的智能家居系统采用的都是有线网络的方式，采用综合布线实现智能家居。但是这种布线使得成本急剧上升，安装十分复杂。因此人们逐渐转向无线传感方面[1]。
家居智能大体上分为两种类型：家庭的控制网络以及家庭的数据网络。家庭的控制网络能够使得不同的网络之间进行数据的传输，同时也能够相互之间进行通信以及网络等功能。当然这些控制都是低速的，可控制照明灯光、家庭的安防以及应急等实用功能。家居智能中的控制需要连接很多设备节点，这些节点又都需要电池供电。因此，需要家居智能中的传感器具有低速、低功耗、寿命长等特点。
1.2 智能家居发展历程
传统的智能家居都是通过有线的布线方式进行组建的，这样做固然能够使得数据传输稳定，但是却带来了许多问题。人们逐渐采用无线传感器进行数据传输，包括：蓝牙、WiFi、红外以及ZigBee等。这些网络无线技术的逐渐完善，使得家居智能取得了质的飞跃。
20世纪80年代在美国建成了第一栋智能建筑，智能建筑逐渐有了新的概念。此后世界各国都提出了很多基于家居的智能方案。这些智能家居方案在欧美等发达地区以及日本等的应用十分广泛[2]。
20世纪90年代末期，新加坡举办了活动“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”。在这次展览大会上，新加坡提出了基于本国的家居智能系统。这个家居智能系统主要是包括了很多实用功能：智能的家庭控制面板、智能的接入宽带功能、控制家电功能、接入有线电视功能、安防应用以及抄送三表等功能。虽然这些功能在当时只是一个概念，并没有完全融入人们的日常生活中。但是人们相信随着科技的发展，家居智能必将服务现代人们，使得人们能够具有高质量的生活。
2 无线通信技术简介
2.1 蓝牙技术
蓝牙是一种短距离的无线通信技术。通过蓝牙技术，我们能够通过无线的方式，使笔记本电脑、移动电话和无线耳机等各种设备间进行信息交换。我们能够通过蓝牙实现数据的传输，但是蓝牙的连接时间很长，大概需要3～10 s的时间。蓝牙技术的数据传输速率是1Mbps，主要采用了时分双工传输方案实现了全双工传输。蓝牙支持点对多点和点对点的通信，采用了快跳频以及短包技术和分散式的网络结构，工作在医学、工业、科学的2.4 GHz ISM频段，这个频段是全球免费通用的[3]。
2.2 WiFi技术
WiFi无线传输技术具有快速安全和可靠等优点，能够使得计算机能够通过该网络进行互联网的连接。WiFi具有很宽广的覆盖面积，能够达到大约100 m。其缺点是电波容易受到干扰，用户在使用WiFi过程中传输的数据容易被窃听和窃取，用户的信息安全得不到保证。现在WiFi协议不断发展，具有各种各样的安全协议，使得安全性能得到很大提高[4]。
2.3 ZigBee技术
作为一种全新的无线传输技术，ZigBee具有功耗低、传输速率低等特点。其也是工作在2.4 GHz的频段范围内，传输的距离可以达到10～75 m，其协议内容同蓝牙很相似。但是ZigBee通常都是使用在不需要对数据进行连续传输的场合，这是因为ZigBee经常是工作在睡眠模式下。现在世界上有70多个国家加入了ZigBee联盟。在不同的国家和地区，采用了不同的物理层的频段：在欧洲地区是868 MHz、在北美是915 MHz和2.4G。ZigBee更加适合应用在低频率和低传输速率的仪器上，这是因为其采用的是星型网络，主从配合。
2.4 红外技术
在20世纪90年代初期，世界上20多个厂商联合建立红外数据协会。他们将红外通信的标准进行了统一，这就是红外技术。红外技术的初始数据传输是4兆波特率，随着技术的不断发展，现在的传输速率提高了3倍。红外技术更加适用于点对点的短距离无线传输上，这是因为红外技术采用的近红外线的波长很短，因此并不能够穿透物体，或者说在穿透物体时数据会发生偏差。当前红外技术的应用十分广泛，技术已经十分成熟[5]。
2.5 射频设别技术
射频识别技术，也叫做无线射频识别技术。该技术是在1990年流行的一种自动识别技术，这种自动识别技术并不需要直接接触，而是通过射频的方式进行互相通信。射频识别的数据传输精度很高，同时具有很强的抗干扰能力。正是因为射频识别技术不需要进行直接接触，因此在应用的过程中并没有摩擦，同时也不需要可见光源，因此使用寿命很长，耐久性很好。
3 ZigBee技术
3.1 ZigBee协议
ZigBee协议是定义在IEEE802.15.4协议的基础上，IEEE802.15.4是一个新兴的无线通讯协议，是一种低速的标准。该标准对两个层次进行了定义：MAC层以及PHY层。MAC层是介质访问层，其对多个无线的传输信号采用何种方式实现频段共享进行了定义和说明。PHY层是物理层，其对数据的传输速率以及网络的无线频段进行了定义。然而，只对这两个层的定义和规范不能解决数据传输等所有问题。这是由于即使是在这样的规范下，世界各生产厂商所生产出来的设备同样具有兼容性问题[8]。这就需要厂商联合起来，对使用标准进行定义和规范。因此ZigBee联盟成立起来，其规定了不同的设备生产厂商进行设备兼容性的问题[7]。
3.2 ZigBee技术的特点
数据传输速率低：ZigBee技术的数据传输在20～200K波特率之间，可以分成几个频段。依据不同的频段，能够具有与不同的数据传输能力。但是该速度能够满足其一般数据传输的要求[6]。
功耗很低：ZigBee的功耗很低，两节5号电池能够供其在待机时能够工作半年到2年。
成本低：ZigBee技术的数据传输速度比较低，因此具有很简单的协议，成本也就相应减少了。同时该技术协议是开发的，用户在使用的过程中并不需要向相关部门提交专利费。
具有较快的响应速度：将其唤醒到工作状态，所需时间只要15 ms；接入网络时间也仅需30 ms，节约能量。蓝牙接入网络的时间很长，大概需要3～10 s；WiFi接入网络也需要3 s的时间。
3.3 ZigBee协议架构
ZigBee的协议相比较上节所提到的无线标准，具有简单有效的特点。ZigBee的协议在恶劣的环境下也能够很好地工作，只需要很低的硬件配置就能够正常工作[9]。ZigBee具有几个层次的标准，这些标准如图1所示。
4 硬件系统设计
基于ZigBee技术的家居智能系统设计，传感器系统有很多，温度传感器、火焰传感器、烟雾传感器等等，如图2ZigBee技术在家居智能中的应用。本文简要介绍其中的一款温度传感器的设计与应用。
4.1 硬件系统简介
图3为ZigBee家居智能节点硬件示意图，它由射频数据模块、微控制器和设备组成，其设备包括传感器、执行器、LCD等。
4.2 无线收发器
MC13192是飞思卡尔公司的一款无线收发器。该收发器具有很低的功率消耗，同时工作在2.4 GHz频段下。MC13192在mesh以及star网络上应用良好。如果对MC13192加上相应的MCU控制器后，就能够提供一种合适性价比的数据传输方案。
4.3 主控芯片
本文设计的ZigBee智能家居使用的主控芯片是AT89S52单片机。MSC-51单片机是八位的非常实用的单片机。本文所使用的AT89S52单片机就是基于这款单片机的。MSC-51单片机的基本架构被ATMEL公司购买，继而在其基本内核的基础上加入了许多新的功能，同时扩展了芯片的容量以及加入flash闪存等等。51内核的单片机具有很多优点，因此无论是在工业上还是在一些电子产品上应用都很多。全球也有许多大公司对其进行扩展，加入新的功能。即使是在今天，51单片机仍然在控制系统中占据很大市场。这款单片机具有最大能够支持的64 K外部存储扩展，同时还具有8K字节的Flash空间。该单片机具有4组I/O口，分别是从P0到P3，同时每组端口具有8个引脚。
4.4 液晶模块
液晶模块的功能主要是显示系统的工作状态。例如，进行信道的能量检测时，等检测完毕之后，就可以在液晶上显示检测到的当前信道的能量级别；MCU请求发送数据时，数据是否发送成功，若发送成功就可以在液晶上显示成功，如果发送不成功，则可以根据返回的状态在液晶上显示发送不成功的原因。
4.5 温度传感器
温度检测的方法有很多，比如采用热电偶等。本文采用的是DS18B20温度传感器。该温度传感器采用的是one-Wire总线，即只采用一根信号线与单片机进行连接。该测温传感器能够测量-55～125 ℃的温度范围，同时分辨率能够达到0.5 ℃。工作电压范围很宽，一般为3.0～5.5 V。
5 软件系统设计
5.1 总体设计
整个系统的软件主要可以分成三个层：应用层、协议层以及系统平台层。系统平台层提供服务给协议层，这些工作都是同过调用API程序来实现的；协议层是对物理层和ZigBee网络协议的实现；应用层主要完成传输数据等功能。
5.2 温度测量程序
该论文采用的温度传感器是one-wire总线的器件，与主控芯片进行一根数据线连接，就能够同时实现数据和时钟信号的双向传输。但是这样就要求主控芯片的时序必须具有严格的要求。在出厂之前，每个器件的ROM上都光刻上64位的编码，这个编码地址序列是唯一的，我们可以通过这个编码地址序列来进行多点的组网。本文所设计的温度采集系统，在每一个结点只是用一个温度传感器，因此在程序中并不需要读取其ROM编码。
6 结语
目前在智能家居设备控制已经应用方面各个商家和设备厂商缤纷复杂、百花齐放，对技术的采用和各个系统的融合还存在很大的讨论空间。所以本论文在结合ZigBee技术的优点的基础上讨论了其在温度传感中的典型应用，以希望此论文能够抛砖引玉，为我国现代化技术在智能家居智能领域的发展贡献一点力量。
参考文献
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Wireless Communication Systems
From RF Subsystems to 4G
Enabling Technologies
2010，1024pp
Hardback
ISBN9780521114035
杜克林等著
无线通信系统(Wireless Communication System)也称为无线电通信系统，是由发送设备、接收设备、无线信道三大部分组成的，利用无线电磁波，以实现信息和数据传输的系统。4G移动通信系统即下一代移动通讯，是移动通信系统演进过程中的一个阶段和目标，它不仅采用新的无线传输技术提高通信系统的性能，而且与现有的各种有线与无线网络相融合；它不仅包含现有的移动蜂窝网络结构，而且在某些环境下也可以采用Ad hoc方式进行组网，或者采用两种结构的组合形式，形成蜂窝网络下的两跳或多跳网络结构方式。
本书涵盖了目前以及下一代移动通讯与无线网络系统的所有关键技术，涉及CDMA技术、OFDM技术、超宽带、turbo和LDPC编码、智能天线、无线Ad Hoc和传感器网络、MIMO和认知无线电，为读者提供了掌握无线系统设计所需要的一切知识。本书共22章，1.无线网络发展史、无线系统各部分基础知识，以及本书结构等内容；2.各种无线通讯发展概况；3.无线通讯系统中影响频道和传播的各种因素；4.蜂窝和多用户系统的概念与相关技术；5.无线通讯系统分集技术；6.信道估计、信道均衡、脉冲整形等内容；7.各种调制与解调技术；8.扩频通讯原理及具体应用；9.正交频分复用的相关知识，以及正交频分复用的具体应用；10.天线设计原理及基础；11.射频与微波子系统的各部分原理分析与电路等内容；12.A/D和D/A转换相关知识；13.信号处理的相关技术；14.无线通讯系统信息理论相关基础；15.信道编码的基本技术；16－17.信源编码中的语音和音频编码、图像和视频编码；18－19.两种多天线系统：智能天线系统和MIMO系统；20.超宽带通信的相关知识；21.认知无线电相关知识；22.无线自组织传感器网络相关知识。
本书详细介绍了射频子系统及天线的性能、设计和选择方法，使读者对于无线系统有一个清晰概览，也是第一次完整的介绍无线系统中语音编码器和视频编码器的教科书。本书有400副插图，侧重于实际和艺术的系统设计技术，而不是系统设计的数学基础，适合于无线通信领域的研究生和研究人员，以及无线和电信工程师。
杜克林，IEEE高级会员，1998年在华中科技大学获得博士学位，1998－1999年在中国华为公司从事软件开发；1999－2000年在中国电信技术研究院TDD研发部移动通讯中心从事射频系统设计。2000到2001年在香港中文大学微波与通讯实验室从事项目管理；2001年加盟加拿大Concordia大学信号处理与通讯中心，并于2008访问了香港科技大学。他的主要研究领域包括信号处理、无线通信、射频系统、神经网络。
M. N. S. Swamy是IEEE会员、英国工程技术学会和加拿大工程信息中心会员，并获得许多IEEECAS奖励，包括在1986年GuilleminCauer奖、2000年教育奖和50年金质奖章。是加拿大Concordia大学电气与计算机工程学院信号处理与通讯中心主任；他还是Concordia大学1977到1993年期间工程与计算机科学学院院长。他发表了大量关于电路、系统和信号处理的论文，合作四本书。
杜利东，助理研究员
（中国科学院电子学研究所）
摘 要：随着LED照明技术的迅速发展，对LED自适应调光技术的需求越来越强烈。该文以AVR单片机中Atmega16作为
>> 空间高等植物培养箱控制系统的设计与实现 基于GSM的生物培养箱智能监测系统 基于LED光源的番茄生长动态补光控制系统设计 基于SOPC的LED点阵控制系统设计 基于ZigBee的智能LED路灯控制系统设计 基于DSP的光伏LED照明驱动控制系统 NICU培养箱温度无线监测系统的研究与设计 食品行业培养箱的设计研究 基于ZigBee技术的LED路灯节能控制系统的设计 基于单片机的LED电子显示屏控制系统的设计 基于WSCN的LED显示屏远程控制系统的设计 基于IOT的LED智能照明控制系统的设计 基于单片机的LED路灯模拟控制系统的设计与实现 基于无线传输的LED灯远程控制系统设计 基于太阳能LED照明控制系统的处理器设计 基于LED冷光源的智能路灯控制系统设计 基于LED的校园照明节能控制系统 LED点阵显示控制系统的设计与研究 太阳能LED路灯控制系统的设计 LED教室走廊智能灯的控制系统设计 常见问题解答 当前所在位置：l.
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功率效率；载波干涉正交频分复用；添零；频率分集增益
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
正交频分复用(ofdm)是由多载波调制(mcm)技术发展而来，基本思想是采用频谱重叠但相互不影响的多个子频带来实现频分复用的数据传输。ofdm技术可以有效对抗符号间干扰(isi)，具有频率利用率高以及适合于高速数据传输等优点，因此越来越受到人们的关注[1]。
20世纪80年代，ofdm技术在通信领域开始商用，并于20世纪90年代首先在广播式的音频和视频领域得到广泛应用，包括在不对称数字用户线(adsl)、甚高数据率数字用户线(vhdsl)、音频广播(dab)、数字视频广播(dvb)等[2]。1999年，ieee通过了5 ghz的无线局域网标准——ieee 802.11a[3]，其物理层传输基于ofdm技术。随后，宽带无线接入系统ieee 802.16[4]将ofdm技术作为物理层的基础技术。在3g的后续演进技术中，lte的前向链路采用正交频分多址(ofdma)技术，反向链路采用单载波-频分多址(sc-fdma)技术[5]。短距离通信ieee 802.15.3a超宽带(uwb)技术[6]也将ofdm作为备选方案之一。可见，ofdm已经成为宽带无线通信的主流传输技术。然而，ofdm也存在自身的技术缺陷：
(1)与单载波系统相比，ofdm系统的输出是多个独立子载波信号的叠加，合成信号会产生很高的峰值平均功率比(papr)。高的峰值平均功率比对发射机射频功放的线性度提出了很高的要求，同时也导致了发射机的功率效率降低。
(2)ofdm系统将频率选择性衰落信道转化为并行的平坦衰落子信道，因而能够在有效对抗符号间干扰(isi)的同时，降低接收端均衡处理的复杂度。然而，ofdm也因此丧失了频率多径分集增益。因此，当子载波处于深衰落时，相应的子载波承载的数据符号的检测就变得异常困难，从而限制了ofdm系统的误码率(ber)性能，降低了ofdm系统的功率效率。
针对传统的ofdm的功率效率问题，wiegandt等将载波干涉(ci)码用于ofdm系统中，提出了称为ci/ofdm的改进的ofdm传输技术[7-8]。在ci/ofdm系统中，每个低速并行数据不再像ofdm那样仅通过各自的子载波传送，而是由正交的ci码扩展到所有子载波上同时传输。因此，ci/ofdm不降低系统的传输速率，也不需要额外带宽即可产生频率分集增益，提高系统的ber性能。另外，从时域角度看，ci码使每个数据调制的时域波形峰值均匀错开，不再像ofdm那样由许多随机正弦信号相加，从而完全消除了papr问题。
传统的ofdm系统在添加保护间隔时采用循环前缀(cp)方式来消除符号间干扰。最近的研究表明，采用添零(zp)方式来代替cp所形成的zp-ofdm系统可以在信道深衰落的情况下保证传输符号的恢复，从而较传统基于cp的ofdm系统而言具有更好的误码率(ber)性能[9]。
1 系统模型
zp-ci/ofdm的系统模型如图1所示。在发射端，zp-ci/ofdm系统利用傅里叶反变换(idft)来实现ci码扩展[10]，再利用n点idft将数据调制到各个子载波上，并在数据符号后添加ng个零作为保护间隔以实现基于zp-ofdm的发送。在接收端，zp-ci/ofdm可以从频域或者时域的角度进行信号检测，以充分利用频率分集增益，提高系统的功率效率。
2 系统的接收机技术
在zp-ci/ofdm系统的中，为提高系统的功率效率，接收端的信号检测技术十分重要。基于zp-ci/ofdm的3种接收信号模型，这里介绍频域最小均方误差(mmse)检测、时域mmse检测和非线性检测3种关键技术。
2.1 频域mmse检测
zp-ci/ofdm系统的频域mmse检测是针对频域接收信号模型并采用mmse算法来进行检测。其基本实现步骤是：首先，接收机通过n+n傅里叶变换(dft)将所接收到的时域符号转换成频域符号。再通过频域信道估计，估计出(n+ng)×(n+ng)阶频域信道矩阵h。此时的信道矩阵h为对角型矩阵，即，h=diag(h0,h1,…,hn+ng-1)。这里，h0,h1,…,hn+ng-1=fn+ng (h0,…,hl,0,…,0)(n+ng)×1。其中，fn+ng表示(n+ng)阶dft矩阵，(h0,…,hl)是衰落信道的信道冲击响应(cir)向量。于是，可以利用频域信道矩阵h对频域接收信号进行mmse检测。最后，利用dft实现ci码解扩，恢复出原始发送信号。频域mmse检测技术的实现框图如图2所示。
2.2 时域mmse检测
基于频域的zp-ci/ofdm系统检测算法并不能充分利用系统的频率分集增益，为此，可以采用基于时域的mmse检测。频域的zp-ci/ofdm系统检测算法是针对时域接收信号模型并采用mmse算法来进行检测。基本实现步骤是：首先，通过时域信道估计，估计出(n+ng)×n阶时域信道矩阵h。h为截断的长方形toepitz型矩阵；再利用时域信道矩阵h对时域接收信号进行mmse检测，然后过dft将信号从时域变换到频域；最后利用dft进行ci码解扩恢复出原始发送信号。时域mmse检测技术的实现框图如图3所示。
2.3 非线性检测
为了进一步提高分级增益，获得更好的功率效率，zp-ci/ofdm系统可以采用复杂度更高的非线性检测。zp-ci/ofdm系统非线性检测的基本原理是基于该系统的接收信号模型可等效成n×(n+ng)阶mimo系统，从而可以采用一些非线性mimo检测算法来进行检测，从而提高系统性能。
非线性检测算法的基本实现步骤是：首先，通过时域信道估计，估计出(n+ng)×n阶时域信道矩阵h。然后通过对接收信号的分析，生成从数字调制后数据符号到接收信号间的(n+ng)×n阶等效多输入多输出(mimo)系统矩阵ω，即ω=hfn-1fn-1，其中fn-1为n阶idft矩阵。最后利用一些已有的非线性检测算法，如排序顺序干扰抵消(osic)算法[11]或球形译码(sd)算法[12]，对接收信号进行非线性检测，恢复出原始发送信号。非线性检测技术的实现框图如图4所示。
3 应用示例
为验证zp-ci/ofdm系统的高功率效率特性，我们对zp-ci/ofdm的ber和papr性能进行了仿真，并将其与传统的ci/ofdm系统和ofdm系统进行比较。
3.1 误码率性能仿真
在仿真过程中，信道模型采用的是cost207tux6[13]信道模型，调制方式采用的是16相正交幅度调制(16-qam)。系统仿真参数是：带宽为2.5 mhz，子载波个数为128，保护间隔长度为16，最大多普勒频移可达到40 hz。
ber性能仿真结果如图5所示。在图5中，fdmmse、tdmmse和osmmse分别代表了zp-ci/ofdm系统中的频域mmse检测、时域mmse检测和基于采用mmse准则的osic非线性检测。
由图可见，无论采用哪种检测技术的zp-ci/ofdm系统的ber性能都优于传统的ci/ofdm系统和ofdm系统，并且在高信噪比(snr)下，ber增益更加明显。
由于可以更好地利用频率分集增益，zp-ci/ofdm系统相对于传统的ofdm和ci/ofdm系统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，我们引入互补累积分布函数(ccdf)来描述信号的papr。图6所示为在16-qam调制下的zp-ci/ofdm、ci/ofdm和ofdm这3种信号的papr性能仿真结果。由图6的仿真结果可以看出，ci-ofdm系统由于ci码的引入从而具有很低的papr，zp-ci/ofdm系统由于以添零的方式作为保护间隔使得papr略有提高，但也明显低于传统的ofdm系统。因此，zp-ci/ofdm系统以较小的papr提高为代价，换取了更大的ber增益。
4 结束语
本文分析了ofdm技术作为宽带无线通信的主流传输技术所存在优缺点。由于ofdm技术存在功率效率问题，从而制约了以ofdm为核心的无线传输技术的发展。针对这一问题，本文给出了一种新的zp-ci/ofdm无线传输技术。zp-ci/ofdm技术通过载波干涉码将发射符号扩展到所有ofdm子载波上，在有效消除传统ofdm的papr的同时，充分利用多载波的频率分集增益；同时，通过在发射端添零，利用先进的接收机技术进一步利用频率分集增益，提高系统的功率效率。
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收稿日期：2010-09-06
高培，电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室在读硕士研究生；主要研究领域为无线通信中的信号处理技术；已参与3项基金项目，发表ei检索论文2篇，申请发明专利1项。
【关键字】CBTC 隧道 信道建模 几何光学模型 波导模型
一、绪论
随着世界经济的迅速发展，各国的交通运输建设也得到了极大发展。为了实现铁路运输的高效和安全，基于通信的列车运行控制（Communication-based Train Control，CBTC）技术成为了未来城市轨道交通发展的方向之一。CBTC中车地间的数据通信系统（Data Communication System，DCS）是地面和车载设备之间通信的桥梁，通过它可建立列车车辆与地面设备之间连续、双向、高速的数据通信。
目前，CBTC系统主要采用无线移动信道来传输车一地双向数字信息，CBTC的运营环境主要有：开阔空间、高架桥和隧道；为了适应不同的运营环境会有不同的传输媒介，CBTC的传输媒介主要有：自由波（天线）、漏泄电缆和漏泄波导三种。由此可见，CBTC无线传播环境非常复杂，无线信道的特性也会受到运营环境和传输媒介的影响。因此，需要分析不同运营环境及不同传输媒介下的传输性能。
而分析不同条件下传输性能的前提，即是对信道进行建模。本文主要针对隧道这种运营环境，从其理论出发，提出一种建立隧道模型的方法。
二、隧道环境简介
为了适应铁路在大城市通过的需要而在城市底下穿越的隧道称为城市隧道。由于隧道对无线电波的屏蔽、吸收和散射作用，使得电波无法沿隧道纵向远传，这就造成了隧道无线电波通信困难。若隧道太长，会由于电波纵向传播衰减严重，而使无线通信问题很难处理，而且此时实际投入使用的隧道通信方案成本也会很高，因此研究隧道内的无线电波传播特性就显得非常必要。在隧道内，空间波的传播方式指的是自然的传播方式（即自由波），也就是通过天线来辐射出无线电波，使其在隧道内的介质（即为空气）中进行传播。目前对隧道进行建模的方法主要有三种：几何光学模型（Geometrical Optical model，GO model）、波导模型和全波模型。
而在隧道无线传输的研究中，等效为波导的方法是基本方法，即将不含纵向导体的隧道看作空心介质波导，此时只有工作频率高于隧道截止频率的电磁波才能够传播（CBTC的工作频率为2.4GHz），这也是隧道的固有传播，其余电磁波会因为迅速衰减掉而无法传播。
本文中仅考虑矩形的隧道横截面这一种情况。矩形隧道可看作修正后的矩形波导，若矩形隧道的横截面宽为a，高为b，其截止频率为：
（式1）中，c是光速，m，n=0，1，2，3，…，且m、n不可同时为0，两者均为波模的阶次。隧道中无线电波的传播是由截止频率小于工作频率的基模和有限次高次模完成的。
三、隧道模型建立
本文采用了一种结合了GO模型和波导模型，并采用泊松求和公式的混合模型，对隧道近区和远区的传播情况进行了分析。主要有以下三步：
（1）将隧道看做多模式工作的波导模型，只有从波导模型中得到的几种模式的电磁波可在隧道中传播。
（2）每种模式的强度是由激励源决定的，因此需引入GO模型来分析激励源平面上的电磁波分布，即发射天线所在隧道横截面平面上的电磁波分布，这个场的分布可看做所有模式的电场的加权和。
（3）模式强度可由模式匹配方法得到，一旦激励源平面上的模式强度确定，则隧道中的模式传播就可确定了。隧道中其他位置的电磁波场强也可由每个模式场强的总和来预测。
本文将隧道横截面看做宽为a，高为b的矩形。将矩形隧道的中心设为原点来建立笛卡尔坐标系，如图1所示。
四、总结及进一步计划
本文从理论出发，分析了CBTC中隧道这种运营环境的传播特性，建立了隧道的信道模型。本文提出的模型为CBTC无线设备规划提供了指导。
基于本文的隧道模型，论文还可对以下几点进一步研究和优化：
关键词：矿井，通信技术，通信系统
1 引言
目前，随着煤矿机械化、自动化程度的不断提高，通信技术在煤矿生产中的地位显得越来越重要，已成为煤矿实现科学管理、提高劳动生产率、防止事故灾害、降低百万吨死亡率的必要手段。煤矿通信系统可分为地面通信和井下通信两大部分。论文参考。近几年来地面通信得到迅猛发展，设备、容量、技术不断更新，逐步实现了数字化、程控化,通信的可靠性和稳定性也逐渐提高，地面通信正在向集语音、图像和数据传输“三合一”的综合信息网方向发展。但是，煤矿井下通信由于受通信设备技术、特殊环境条件等问题的制约,还存在许多问题。因此,建立一个畅通、灵活、可靠的井下通信系统是现代化煤矿建设的首要任务之一。
2 煤矿井下通信的特点
在煤矿通信的现代化进程中，井下通信作为重要的生产要素之一早已渗透在安全生产的每一个环节当中，特别是在生产指挥调度和安全的信息交流方面，都起着举足轻重的作用。煤矿井下通信系统由于其环境的特殊性,具有较强的煤矿专业特征。
2.1 通信设备设计及制造方面的特点：
(1)井下通信设备必须具备本质安全性或防爆性，以适合在含爆炸性气体的场合使用。所谓本质安全性是指正常工作或故障状态下装置产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物。这就要求在电路设计时，对功率分配、元器件选择，包括制作工艺保护措施都要做出特殊的考虑，不能直接照搬电信系统的设备或标准。
(2)设备必须体积小巧，质量轻，外壳必须具备防潮、防尘、防机械冲击的能力。这是因为井下工作人员劳动强度大，井下巷道特别是工作面空间窄小，负重行动不太方便，而且生产岗位经常变动，流动性较大，因此要求设备必须便于携带和使用。
2.2 通信设备功能上的特点：
(1)通信系统对生产调度人员必须提供较高的优先权，可实现选呼、群呼、强插、强拆、录音、扩音等功能，以便使指挥人员能畅通、无阻塞地呼叫任何终端。
(2)在重要通信点上应具备紧急呼叫和双向报警功能，以提高对事故灾害的应变能力。
(3)随着煤矿井下安全生产及井下人员定位系统发展的需要，井下设备应当具有较强的移动通信功能，而矿井巷道为非自由空间，无线电波在井下巷道的传输受到根本性制约。所以应当研制功能更强的设备应用于煤矿井下的移动通信。
2.3 通信设备性能上的特点：
(1)井下通信设备是在信道条件较差的情况下工作，与地面通信有着较大的区别，地面通信设备的设计制造是以比较确切的信道参数为依据的。而由于井下环境较差，潮湿、粉尘严重，且在狭小的巷道空间内布有铁道、管道、支架、电缆等金属构件，所以，无论是专用信道还是借用信道,其特性都会受到较大的影响，使信道特性变坏或不稳定。
(2)井下用电设备配置量大，启动频繁，对信道形成的电气干扰的噪声频谱宽、电平高。这些都对井下通信设备的运行构成较大的影响。这就要求运行于井下的通信设备在性能上必须能适应较差的信道条件和较强的干扰。
3 煤矿井下通信技术
建立功能完善的井下通信系统对于提高自动化程度、劳动生产率、加强安全防护等方面都有着非常重要的意义。井下通信作为现代煤矿通信技术的重要组成部分,现在亟待开发、研究、完善和提高。目前,井下通信技术主要有以下几种。
3.1 载波通信技术：
载波通信是煤矿应用较早的一种通信方式，在语音、控制及信号监测方面都有应用。架线机车动力载波通信系统是煤矿早期实现电机车移动调度通信的主要手段，目前仍有一部分矿井在继续使用。由于矿井载波通信的借用信道多数是动力电缆或机车的架线等，这些信道分支多，线路上设备起动频繁，造成信道参数随时间和地点的变化很大，因而通信质量不理想。目前载波通信系统在传输距离、通话清晰度、抗干扰性能等方面和感应通信及漏泄通信技术相比有较大差距，将逐步被替代。但在一些特定的工作环境，比如采煤机的动力载波监测等应用场合，采用动力线作为监控装置的载波信道仍有其实用价值。论文参考。
3.2 漏泄通信技术：
是利用表面开孔的同轴电缆(漏泄电缆)在巷道中起到长天线的作用，实现移动电台之间或与基站之间的可逆耦合，已获得较好的通信质量。采用漏泄电缆实现井下巷道内无线电波的传输是一种比较理想的方法。漏泄通信技术不仅应用在矿井中，而且应用于公路、铁路隧道、地铁及地下停车场等场合，在国内外受到普遍的重视。其缺点是系统造价昂贵，又需敷设专用传输线，且信号接收局限在离导线30m以内，传输线架设和维护需花一定代价。
3.3 感应通信技术：
就是利用普通的金属导体，如电线、电缆、钢轨等，与移动电台之间的电磁感应，静电耦合的一种通信方式。它似乎像有线电，又有点像无线电，美其名曰“感应无线电”。通信与普通电台的通信过程十分相似。感应通信系统具有系统组成简单、价格较低、感应线敷设简便(甚至可以用金属管道作为感应线)、无需中继器等优点,是煤矿井下比较受欢迎的一种移动通信方式。它能以较小的发射功率实现较长距离的通信，能同时实现几个方向通信。感应通信系统为减小传输衰减,选择的传输频率较低(一般在2MHz以下)。而煤矿井下在低频段的电磁噪声较大,所以感应电话通话质量在有些矿井不理想，噪声较大。另外，感应线离巷道壁太近时，形成电磁场空间分布的不均匀，引起较大的损耗，影响传输距离。
3.4 井下光纤通信技术：
国际上实用的光纤通信系统是1970年以后才发展起来的。由于光纤通信容量大、中继距离远、防爆性能好、抗干扰能力强，使光纤通信技术及其应用发展很快。1991年我国第一套井下光缆通信系统KT1系统研制成功，成功地解决了井下光缆的接续技术和井下光通信的若干技术难题，填补了井下光通信产品的空白。目前煤矿井下的光纤通信技术已经在许多领域发挥作用。除传统的语音通信外，光纤是监测监控系统中理想的高速信道。光纤通信的低损耗无中继传输优点使光纤工业电视系统成为井下工业电视系统的主导产品。光纤通信技术是一门新兴的正在不断发展的技术。就目前的井下光纤通信系统而言,光通信的许多优越性还有待进一步发挥。光纤通信在煤矿井下通信系统中的地位将会有更大的提高。
3.5 井下PHS通信技术：
PHS是日本开发的网络系统，日本人称之为“个人手持电话系统”（英文缩写PHS，就是我们常说到的个人无绳市话系统），于1995年7月开通运营。PHS井下通信技术与目前应用于井下的其他无线通信系统（包括井下泄漏通信）有完全不同的设计理念。其技术来源于成熟的公众移动通信技术，即PHS系统。经过一定的技术改造后把它移植于煤矿井下，是对传统井下无线通信的突破，有传统井下无线通信不可比拟的技术优势。该系统在现代公众无线通信的高技术平台上开发，系统中各种设备与传统煤田井下通信设备相比有较高的可靠性和性价比，并能够得到生产厂商的长久支持。PHS通信系统作为一个无线传输平台，具有较强的扩展性，平台上可实现高速数据业务、人员定位信息的传送等，为系统的应用提供更大的空间。可同时为煤矿井上、井下提供无线通信服务，在煤矿形成一整套覆盖井上、井下立体的无线移动通讯及生产调度系统。
3.6 蓝牙通信技术：
是一种短距离的无线数据与语音通信的开放性全球技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。使用国际上无需授权的2.4GHz的 ISM 频段，采用了跳频方式来扩展频谱分成79个无线信道。从目前的应用来看，由于蓝牙芯片体积小、功率低、接口标准、成本低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的井下移动设备和便携设备。论文参考。在井下通信时具有很好的抗干扰能力。
除了以上的井下通信技术以外，在实际应用中根据情况还可以采用扩频技术、复用多址技术等技术来提高井下通信的可靠性及安全性。
4 结语
煤矿通信技术正在进入一个新的飞速发展时期，计算机技术、微电子技术的不断突破给这一领域注入了新的活力。地面通信正在向数字化、综合化方向发展，实现语音、数据、图像的综合传输,并且和计算机技术、网络技术、光纤通信技术相结合,构成新型的地面综合调度通信系统。井下通信将进一步应用先进的通信技术，最终构成有线和无线相结合、电缆与光缆相结合、固定和移动相结合、灵活方便、大容量、多信道、多功能的全矿井移动通信网络。展望未来几年,煤矿通信系统将伴随着现代科学技术的飞速发展在许多重要方面有所突破,从而给煤矿通信的面貌带来更大的改变。
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关键字：路灯；智能控制系统；ZigBee；GPRS
一、引言
路灯照明作为城市生活必需品之一，其重要性毋庸置疑。然而随着我国城镇化进程的不断发展，城市路灯照明系统也随着变得越来越庞大，传统的人工控制模式已经难以良好地支撑起城市路灯照明系统的有序运行，在对路灯照明系统的控制上显得捉襟见肘的同时，又耗费了不必要的人力财力等资源，因而，既能有序地控制城市路灯照明系统运行又能节省人力财力等资源的智能控制系统应运而生。本文把ZigBee技术和GPRS技术两者相结合，分析了两种技术相结合的方式以及两种技术在控制路灯照明系统上所发挥的作用和其基本运行原理，两种技术在构建路灯照明智能控制系统方面各司其职，又相互配合，从而组成了一个可以维持整个城市路灯照明系统正常高效运转的智能系统。
二、路灯智能控制系统
城市路灯控制管理技术有定时控制、感光模块控制和智能控制三种形式。其中，定时控制需根据季节的更替而调整，工作量大；感光模块控制的光控元件易受环境影响而导致失灵等现象。同时，这两种城市路灯控制管理技术无法对路灯设施的运行状况进行实时监控，经常需要人工巡检，不仅维护成本较高，而且很难保证路灯维护的及时性。相比较而言，智能控制管理技术则根据城市路灯照明的实际情况，采取了更好的控制方法，实现了对城市路灯运行状况的实时监控以及对路灯照明的动态智能化管理。
三、基于ZigBee和GPRS技术相结合的城市路灯智能控制系统
1、ZigBee技术
ZigBee技术是一种短距离且功耗、速率、复杂度和成本均较低的双向无线通讯技术。ZigBee的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）采用了IEEE802.15.4标准，在此基础之上，ZigBee联盟制定了传输层（TL）、网络层（NWK）和应用层（APL），从而构成了ZigBee协议标准。
1.1、采用ZigBee技术的路灯控制系统设计原则
对于采用ZigBee技术的路灯控制系统，设计时应当遵循以下原则：
（1）路灯的控制节点应当便于安装且节点的硬件应具有扩展性，以便于日后的维护及升级；
（2）路灯的控制节点应当具有稳定可靠的性能，能在恶劣的条件下正常工作运行；
1.2、采用ZigBee和GPRS技术的路灯智能控制方案
信息采集子系统主要负责对路灯进行控制，并采集和处理路灯的光强信息等，它采用了ZigBee无线传感网络；信息传输子系统主要是通过GRRS来传输路灯控制中心的控制指令以及路灯的实时状况信息。总的来说，就是通过ZigBee技术实现无线组网和智能科学的照明，通过GPRS来实现照明系统运行过程中的实时监控。
在整个路灯智能控制系统中，通过在每盏路灯上安装集成的传感器模块（节点），配合以照度传感器，从而构成了一个囊括所有受控路灯的无线传感网络，整个无线传感网络的通信和组建由ZigBee协议进行支持。而通过这些传感器节点所收集到的各种信息，则通过GPRS传输到控制中心的计算机上，控制中心通过对收集到的信息进行分析处理，选择最优的照明方案，再通过GPRS传输到相应的传感器节点上，从而实现整个路灯照明系统的智能化控制。
其具体的智能照明方式是通过照度级别和传感器的触发与否来控制路灯的开关。当天色变暗时，主开关电路控制开启路灯，传感器节点将所收集到的照度信息通过GPRS传输到控制中心，控制中心根据收集到的信息调用相应的场景模块照明方案，即对路灯的亮度进行调节；而当天色逐渐变亮时，则逐渐降低路灯亮度直至关闭路灯。
而其具体的智能监控则体现在以下几个方面：（1）通过实时监测每盏路灯的工作电流参数、城市道路状况以及每盏路灯的开关状态来实现路灯照明实时数据的采集；（2）通过分析判断工作中的路灯电流等的大小是否在正常范围内来定位出现故障的路灯，从而便于维护人员对故障路灯进行快速修复；（3）通过控制中心的计算机可以查看路灯的实时照明数据，并能够实现路灯灯光的调节。
2、ZigBee无线传感器网络节点硬件设计
ZigBee无线传感器网络节点由带有GPRS通信模块的协调器节点和ZigBee路由器节点组成。ZigBee路由器节点可以实现检测照度、开关路灯、调节路灯亮度以及处理并传递网络节点之间的信息到协调器节点，协调器节点则通过GPRS将这些信息上传到控制中心，而要完成上述信息的采集及传送，则需要必要的硬件支撑，图2.2.1是无线传感器网络节点的硬件模块示意图。
图2.2.1 无线传感器网络节点硬件模块示意图
ZigBee路由器节点
协调器节点
如图所示，ZigBee路由器节点包括了传感器模块、路灯控制模块和电源模块，传感器模块可以检测照度，路灯控制模块可以开关路灯和调节路灯亮度，电源模块则是其他模块正常运作所必须的能源模块，通过这些模块可以实现路灯的控制与实时信息的收集；协调器节点的作用在于与控制中心进行通信，因此其包括了可以通信的GPRS模块以及保证GPRS正常工作的电源模块。
3、ZigBee无线传感器网络节点软件设计
要实现基于ZigBee技术的智能路灯照明控制系统，不仅仅需要一定的硬件电路，还需要相应的软件来配合硬件的运行。
为配合带有GPRS模块的协调器节点的有效运行，需要相应的软件具有建立网络、允许路由节点的加入和离开、接收各个路由节点上传的信息、将信息通过GPRS上传到控制中心、接收控制中心的控制指令在传输到路由节点等功能。该软件的程序模块需包括系统的初始化、协调器的注册、接收路由节点的信息并处理、上传路由节点的信息及接收控制指令等。
与路由节点相对应的软件应具有自身节点状态信息上传、传感器采集状态信息和执行相关控制指令等。它的程序模块需包括系统的初始化、路由节点注册、接收各个节点的信息并处理、上传节点信息到协调器节点、接收并执行协调器节点的指令等。
对于ZigBee无线传感器网络节点，其操作和信号的传输需在IEEE802.15.4标准下进行，ZigBee无线传感器网络中的通信一般使用原语来进行，而要想真正实现原语的交互，完成收集到的信息数据通信，则需要依靠软件编译来完成，即通过软件算法，将数据信息、控制算法与原语相匹配，从而建立完成通信规则。
四、结语
随着无线传输通信技术的不断发展，无线传输的通信效率和通信质量都有了很大的进步，本文分析研究了在路灯控制系统中采用ZigBee和GPRS无线传输技术相结合的方案，通过对ZigBee无线传感器网络节点的软件和硬件进行初步设计，阐述了ZigBee和GPRS技术在路灯智能控制系统中的运用方式和工作原理。
参考文献
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邮寄地址：山东省菏泽市牡丹区大学路大学嘉园14号楼1单元101室
收件人：仝爱霞（转 杨卓凡 收）
