無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)在自來(lái)水行業(yè) 的應(yīng)用設(shè)計(jì)

0 引言
    在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的傳輸是實(shí)現(xiàn)自控的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)傳輸可以簡(jiǎn)單地分為有線(包括架設(shè)光纜或租用電話專線)和無(wú)線(分為建立專用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)或借用CDPD，GSM，CDMA等公用網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái))兩種方式。一般的自來(lái)水行業(yè)的取水泵站與凈水廠都有一定的距離(一般為幾公里到幾十公里)，而中控室一般設(shè)在凈水廠，因而要求取水泵站遠(yuǎn)程子站能夠?qū)⒉杉湫盘?hào)并及時(shí)傳回中控室，同時(shí)將中控室的指令快速傳給遠(yuǎn)程子站以實(shí)現(xiàn)取水泵站的自動(dòng)控制。這就要求無(wú)線通信系統(tǒng)具有傳輸速率高、輪詢時(shí)問(wèn)短、響應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)。所以，實(shí)現(xiàn)取水泵站的自動(dòng)控制必須建立可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

1 專用無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)
    圖1所示是一個(gè)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)圖?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)大部分的遙控遙測(cè)電臺(tái)都是用模擬調(diào)頻對(duì)講發(fā)信機(jī)(即車載電臺(tái))加MODEM芯片改制而成的。它不是專業(yè)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸設(shè)備，而是工作于230 MHz／800 MHz數(shù)傳業(yè)務(wù)頻段和350 MHz／800 MHz集群業(yè)務(wù)頻段的對(duì)講機(jī)。這種方式在國(guó)外早已淘汰。用這種電臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)存在著可靠性差、性能指標(biāo)低、誤碼率高、靈敏度低、無(wú)網(wǎng)管等缺點(diǎn)。如果數(shù)據(jù)傳不回來(lái)或控制不能下達(dá)，它將無(wú)法判斷是停電、電源壞、信號(hào)差、天線饋線不匹配、溫度高還是PLC／／RTU無(wú)數(shù)據(jù)。因此，在要求高速度、遠(yuǎn)距離、高可靠性的傳輸中，則應(yīng)當(dāng)采用本文給出的基于DSP (Digital SignalProcess-ing)等技術(shù)的數(shù)傳電臺(tái)。而美國(guó)MDS公司以及DATAIANC等廠家的設(shè)備，也具備這些功能。

2 無(wú)線數(shù)傳工作原理
    無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)中上位機(jī)與模塊間的通信是通過(guò)異步串口來(lái)完成的。在通信前，串口的數(shù)據(jù)幀格式(8個(gè)數(shù)據(jù)位或9個(gè)數(shù)據(jù)位)與速率應(yīng)與模塊一致。上位機(jī)與模塊間的通信內(nèi)容有兩類，一類是數(shù)據(jù)，一類是命令。數(shù)據(jù)或命令可用DTR或DSR信號(hào)來(lái)區(qū)分。無(wú)論是上位機(jī)傳給模塊還是模塊傳給上位機(jī)的數(shù)據(jù)都采用無(wú)格式傳送(透明傳送)。在使用中，一般用戶不會(huì)涉及到模塊間的數(shù)據(jù)傳輸控制及格式。但作為對(duì)模塊的基本工作原理的了解，以及在時(shí)序要求較嚴(yán)的應(yīng)用中，對(duì)模塊間的傳輸格式以及傳輸中每一部分所占用的時(shí)間，都應(yīng)有一定的了解。
2．1 模塊發(fā)送過(guò)程
    當(dāng)模塊收到上位機(jī)的數(shù)據(jù)后，模塊先通過(guò)DTR線判斷收到的數(shù)據(jù)是命令還是數(shù)據(jù)，若是命令則執(zhí)行相應(yīng)的命令；若是發(fā)送數(shù)據(jù)，則先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送到發(fā)送緩沖區(qū)，并同時(shí)將模塊的狀態(tài)由接收狀態(tài)轉(zhuǎn)換成發(fā)射狀態(tài)，這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程需要100 ms，狀態(tài)轉(zhuǎn)換完成后，再啟動(dòng)發(fā)送打包程序。發(fā)送打包程序的功能是將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)打包成適合無(wú)線發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并將一些控制信令動(dòng)態(tài)地插入到數(shù)據(jù)包中，然后將這個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)送到模塊中的數(shù)據(jù)調(diào)制口，并按V23協(xié)議以FSK的調(diào)制方式發(fā)射出去。在這個(gè)過(guò)程中，所有的進(jìn)程均是并行完成的。
2．2 模塊接收過(guò)程
    在接收狀態(tài)下，接收機(jī)總是接收碼流中的同步信息，一旦收到同步信息，將立刻進(jìn)行位同步，獲得位同步后，再進(jìn)行碼同步，碼同步完成后，即可接收數(shù)據(jù)及控制信息。收到數(shù)據(jù)后，再按規(guī)定的串口幀格式傳送給上位機(jī)。
2．3 基本數(shù)傳功能
    常見的數(shù)傳模塊的功能一般分為基本數(shù)傳功能、擴(kuò)展功能、高級(jí)擴(kuò)展功能等三種。這里主要介紹實(shí)現(xiàn)基本數(shù)傳功能的硬件連接方式。如果用TX表示設(shè)備端口上的數(shù)據(jù)發(fā)送(數(shù)據(jù)離開功能塊)端子，用RX表示設(shè)備端口上的數(shù)據(jù)接收(數(shù)據(jù)進(jìn)入功能塊)端子，那么，設(shè)備A與設(shè)備B之間的串口連接方式如圖2所示。

    如果將串口連線也看成一個(gè)兩端口的設(shè)備，并對(duì)這兩個(gè)端口的端子做標(biāo)注，則兩設(shè)備進(jìn)行串口通訊的連接電路如圖3所示，其中圖3中間框內(nèi)的串口連線可以看成一個(gè)兩端口的設(shè)備。如果用無(wú)線數(shù)傳模塊替代串口連接線，則設(shè)備A與設(shè)備B之間的通信連接電路如圖4所示。
    對(duì)比圖3與圖4可以看出，如果將兩個(gè)無(wú)線模塊組成的無(wú)線信道也看成是一個(gè)兩端口的設(shè)備，則對(duì)設(shè)備A與設(shè)備B而言，串口通訊時(shí)有線連接與無(wú)線連接的端子的對(duì)應(yīng)關(guān)系是一樣的。

3 組網(wǎng)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
3．1 理論計(jì)算
    無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的通信距離、聯(lián)通后的誤碼率大小和系統(tǒng)抗干擾及穩(wěn)定性等指標(biāo)，在理論上取決于傳輸視距和接收物強(qiáng)度等兩個(gè)因素。
    對(duì)于視距傳輸而言，電波信號(hào)的傳輸根據(jù)工作波長(zhǎng)(頻段)的長(zhǎng)短不同，具有地面波傳輸(長(zhǎng)波)、電離層反射傳輸(短波)和空中傳輸(超短波、微波1三種方式。我國(guó)無(wú)線電管理部門將專用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)主要分配到200～240 MHz頻段(另外還有800 MHz等頻段)，這個(gè)頻段的電波傳播是通過(guò)空中進(jìn)行的。由于地球曲率的影響、兩個(gè)點(diǎn)(主站天線高度為H，遠(yuǎn)程站天線高度為h)之間最大可視距離D為：
   
    假設(shè)主站天線架設(shè)在辦公樓頂(高約為100m)，遠(yuǎn)程站天線架設(shè)在平房頂上(高約4 m)，則：
   
    考慮到230 MHz電波具有一定的繞射能力。并假設(shè)天線理論最遠(yuǎn)可以通過(guò)50 km左右。因此，天線架設(shè)的相對(duì)高度是決定通信距離的第一因素。
    當(dāng)接收?qǐng)鰪?qiáng)電波從電臺(tái)發(fā)出后，再經(jīng)過(guò)饋線和天線，它將通過(guò)空中向遠(yuǎn)方傳播。而當(dāng)信號(hào)受到衰減并到達(dá)遠(yuǎn)端接收機(jī)時(shí)，其場(chǎng)強(qiáng)電平為：
    Pr=P1+G1+Gr-Lt-Lr-Lo
    式中，Pr為正常接收電平(dBm)，只為發(fā)信功率(dBm)，Gt、Gr為收發(fā)天線增益(dBm)，Lt、Lr為收發(fā)饋線損耗(dBm)，Lo為自由空間損耗(dBm)。其中自由空間損耗為L(zhǎng)o=32．45+201gf(MHz)+201gD(km)。其中f的單位為MHz，D的單位為km。
    電波信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的場(chǎng)強(qiáng)不同，解調(diào)輸出信號(hào)的信噪比亦會(huì)不同，從而會(huì)影響系統(tǒng)的判斷而造成誤碼。如果場(chǎng)強(qiáng)太小，即使距離再近，接收機(jī)也接收不到。所以接收?qǐng)鰪?qiáng)是決定通訊距離的第二因素。
    接收?qǐng)鰪?qiáng)Pr與接收機(jī)的門限電平(即在BER小于10-6時(shí)接收機(jī)要求的場(chǎng)強(qiáng)電平值。不同的電臺(tái)，該指標(biāo)不同，一般為-11O dBm)的差距即為衰落儲(chǔ)備。Pr與接收門限電平的差距越大，衰落儲(chǔ)備應(yīng)當(dāng)越多，抗干擾能力越強(qiáng)，誤碼越少，一般要求衰落儲(chǔ)備在20 dBm以上。
3．2 實(shí)際側(cè)試
    由于自來(lái)水系統(tǒng)的要求，一般取水泵站與凈水廠都有一定的距離和高差，以便充分利用勢(shì)能來(lái)輸送水。因此，遠(yuǎn)程分站與主站的實(shí)際環(huán)境往往有山丘、建筑物、樹木等。這種情況會(huì)以不同程度和方式影響信號(hào)的傳輸。故在工程設(shè)計(jì)前，必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸和接收?qǐng)鰪?qiáng)的測(cè)試(應(yīng)準(zhǔn)確到dBm)，以便根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和工作要求，確定主站和各遠(yuǎn)程子站電臺(tái)的功能、天線類型、架設(shè)高度等參數(shù)，只有使上下信號(hào)具有足夠的抗干擾能力，才能實(shí)現(xiàn)有效可靠的數(shù)據(jù)采集和控制。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文提供了實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)高效可靠傳輸?shù)囊环N新途徑。事實(shí)上，只要選用技術(shù)指標(biāo)高、質(zhì)量穩(wěn)定可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)確定天線類型、架設(shè)高度和電臺(tái)的功率，那么，用無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)就一定能夠?qū)崿F(xiàn)高速率、高穩(wěn)定、高可靠性的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。