數(shù)字電臺在自來水管網(wǎng)監(jiān)測調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用

發(fā)布于：06-10

本文介紹了數(shù)字電臺在自來水管網(wǎng)監(jiān)測調(diào)度系統(tǒng)中的設(shè)計、安裝和使用。摘要：本文介紹了數(shù)字電臺在自來水管網(wǎng)監(jiān)測調(diào)度系統(tǒng)中的設(shè)計、安裝和使用。數(shù)字電臺利用數(shù)字信號處理、糾錯編碼和數(shù)字調(diào)制解調(diào)等技術(shù)，克服了模擬電臺在使用中出現(xiàn)的丟失數(shù)據(jù)包頭、誤碼率高以及通信經(jīng)常中斷等缺點。實際應(yīng)用表明用數(shù)字電臺代替模擬電臺的方案可大大提高系統(tǒng)的通信的穩(wěn)定性和可靠性，為管網(wǎng)壓力監(jiān)測系統(tǒng)提供了一種較好的選擇方案。 關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集;數(shù)字電臺;數(shù)字信號處理;數(shù)據(jù)通信;管網(wǎng)監(jiān)測調(diào)度系統(tǒng) Application?of?Digital?Radio?in?Tap?Water?pipe-network?Detection?Dispatcher?System WU?Jie1,?FENG?Dongqing2 （1Hefei?water?supply?company,?Hefei,?China,?230011;?2College?of?Electrical?Engineering,?Zhengzhou?University,?Zhengzhou,?China?,450002） 【Abstract】In?this?paper,?the?design?,?installment?and?application?of?digital?broadcasting?station?in?tap?water?pipe?network?detection?dispatcher?system?are?narrated.?The?shortcomings?of?analog?broadcasting?station?such?as?losing?heads?of?data?frames,?high?error?rate?,?frequent?communication?interrupt?and?so?on?are?overcome?by?digital?broadcasting?stations?which?make?use?of?the?technology?of?digital?signal?processing,?error?correction?code?and?digital?modulation?or?demodulation.?Practical?application?indicates?the?design?which?replaces?analog?broadcasting?stations?with?digital?one?has?enhanced?the?stability?and?reliablity?of?the?correspondence?of?the?system?greatly?and?offered?a?better?choice?for?pipe-network?pressure?monitoring?system. 【Keywords】data?sampling;?digital?broadcasting?station;?digital?signal?processing;?data?communication;?pipe?network?detection?dispatcher?system 1?緒論 數(shù)傳電臺是無線數(shù)據(jù)傳輸電臺的簡稱[1]。用無線數(shù)傳電臺方式實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視與控制，相對于架設(shè)專用電纜（或光纜）、租用電信專線等，具有造價低廉、施工快捷、運行可靠、維護簡單、適應(yīng)性強、擴展方便等優(yōu)點。數(shù)傳電臺分為模擬數(shù)傳電臺和數(shù)字?jǐn)?shù)傳電臺。現(xiàn)在國內(nèi)大部分自來水公司的遙控遙測電臺使用的是模擬數(shù)傳電臺。模擬數(shù)傳電臺價格便宜，應(yīng)用較廣。但是在實際應(yīng)用中，它的通信很不穩(wěn)定，經(jīng)常丟失數(shù)據(jù)包頭，誤碼率高，有時甚至造成通訊中斷。分析其原因，模擬數(shù)傳電臺是用調(diào)頻模擬車載電臺加MODEM芯片改制的，不是專業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品，而是工作于230MHz數(shù)傳頻段的對講機。用這種電臺傳輸數(shù)據(jù)確實不可靠，原因是有二個根本性的問題不能解決：PTT控制發(fā)射時延（100ms以上）帶來前導(dǎo)數(shù)據(jù)字符丟失和調(diào)頻靜尾噪聲帶來的多余字符干擾，特別是在高速數(shù)據(jù)傳輸或收發(fā)轉(zhuǎn)換快的應(yīng)用中，如接PLC等，經(jīng)常發(fā)生故障。針對上述問題，本文研究利用數(shù)字電臺代替模擬電臺進行遠(yuǎn)程傳輸，為解決上述問題提供了一個較好的選擇方案。數(shù)字電臺是數(shù)字式無線數(shù)據(jù)傳輸電臺的簡稱。即采用數(shù)字信號處理、數(shù)字調(diào)制解調(diào)，具有前向糾錯、均衡軟判決等功能的無線數(shù)據(jù)傳輸電臺。數(shù)字電臺選用的是深圳華夏盛WDS系列產(chǎn)品，該系統(tǒng)已經(jīng)在合肥供水集團應(yīng)用，效果很好。經(jīng)過一年多運行，沒有發(fā)現(xiàn)任何故障。 2?無線數(shù)傳系統(tǒng)的設(shè)計要求 自來水調(diào)度部門對無線數(shù)傳系統(tǒng)提出了下列四項要求:：（1）自動巡檢多子站的水壓數(shù)據(jù)。（2）向水司調(diào)度中心實時傳送管網(wǎng)水壓運行參數(shù)。（3）對采集的數(shù)據(jù)進行加工，并送入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫進行保存。（4）對過去的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，并以報表、曲線等方式進行顯示和分析。 3?數(shù)字電臺的特點及主要技術(shù)指標(biāo) 3.1?數(shù)字電臺的特點 （1）?采用了DSP技術(shù)，自適應(yīng)均衡，前向糾錯技術(shù)，速率達到19200bps。電臺在工作穩(wěn)定性、傳輸可靠性、抗干擾性、傳輸速率和傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過模擬數(shù)傳電臺。 （2）?無線系統(tǒng)的安裝實施快,投資見效快。電臺無需特別編程設(shè)置,任何常見異步通信協(xié)議都可以使用。 （3）?適宜在惡劣的環(huán)境條件下使用。電臺要求溫度、電源工作范圍寬，尤其是在干擾嚴(yán)重,傳輸路徑阻擋的環(huán)境下表現(xiàn)優(yōu)異。 （4）?具備網(wǎng)管功能:實現(xiàn)空中遠(yuǎn)程設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)其它電臺參數(shù)如串口格式、發(fā)射功率、工作頻率等，也可以實現(xiàn)空中遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)其它電臺狀態(tài)如工作電壓、工作溫度、接收信號強度、信噪比、誤碼率、狀態(tài)告警等。 3.2?數(shù)字電臺技術(shù)指標(biāo) 1、工作頻段[2]：130～174MHz（1710型）/220～240MHz（2710型）/330～512MHz（4710型）/800～960MHz（9710型）/2.4～2.4835GHz（24810?型）。頻段選擇原則是：低頻段繞射能力強，通訊距離遠(yuǎn)，如果頻率允許的話，盡量選擇低頻段產(chǎn)品；高頻段抗干擾能力強，繞射能力弱，適宜電磁干擾復(fù)雜而較平坦的地區(qū)。當(dāng)?shù)皖l段較擁擠時，選擇高頻段。 2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：支持點對點或點對多點傳輸，一級或多級中繼組網(wǎng)。 3、工作方式：支持單工,半雙工,全雙工等方式,話音和數(shù)據(jù)兼容,提供對講通話。 4、傳輸距離：50公里以上（開闊無阻擋）。? 5、傳輸速率：19200bps。 6、物理接口：標(biāo)準(zhǔn)EIA-232，通信速率可從300到38400bps可調(diào)，完全透明傳輸，無需RTS、CTS等流控信號，無需專用的通信軟件。? 7、調(diào)制方式：CPFSK。? 8、信道間隔：12.5KHz/25KHz。? 9、發(fā)射功率：100mW～5W連續(xù)可調(diào)/25W選配。 10、誤碼靈敏度：-111dBm以上（誤碼率BER≤10E-6）。 11、收發(fā)轉(zhuǎn)換時間：3ms。? 12、休眠電流：小于18mA。 13、頻率穩(wěn)定度：±1.5ppm。? 14、狀態(tài)和錯誤指示：LED狀態(tài)指示，包括電源，載波，發(fā)射數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)和各種故障報警。? 15、短路保護：有。 16、工作溫度：-30℃～+60℃，工作時：-40℃～+70℃。 17、相對濕度：95%，40℃，無冷凝。 18、供電方式：電臺工作時電壓為10.5～16VDC,發(fā)射電流為1.5A,接收電流為125mA。 19、尺寸:5.08＊14.29＊18.4CM。? 20、重量:約1公斤。 21、提供電臺參數(shù)設(shè)置軟件和網(wǎng)管軟件。 4?無線數(shù)傳系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)由遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集終端（RTU）、無線通訊電臺和監(jiān)測調(diào)度中心三個部分組成。其組成框圖如圖1所示。圖中TXD表示數(shù)據(jù)發(fā)送（數(shù)據(jù)離開功能塊）的端子，RXD表示數(shù)據(jù)接收（數(shù)據(jù)進入功能塊）的端子，GND表示地。 數(shù)字電臺為無線數(shù)據(jù)傳輸提供雙向透明通道,電臺一般為標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，支持300～38400bps速率，可以設(shè)置各種校驗方式和數(shù)據(jù)長度的異步格式。對于新使用的電臺,一般只需設(shè)置收發(fā)頻率、發(fā)射功率及串口速率。? 5?無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕M網(wǎng)方式 本系統(tǒng)的通訊原則是主站通信覆蓋范圍以內(nèi)的采用主站直接與從站通信，即點對點通信方式，這是最基本的通訊方式，如圖1所示，相當(dāng)于將一條上位機與終端之間的連接線用兩臺無線電臺替代。實際應(yīng)用中最常用的組網(wǎng)方式是點對多點組網(wǎng)方式，如圖2所示，主站以輪詢（Polling）方式依次向RTU1,RTU2,……發(fā)命令。RTU接收到命令后開始采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，立即把數(shù)據(jù)發(fā)向主站。主站以輪詢方式接收來自RTU的數(shù)據(jù)。當(dāng)時間超過某設(shè)定時間后，RTU仍未收到主站命令，RTU自動將采集到的數(shù)據(jù)存放于自身的存儲器中，以便以后補采。由于存儲器容量不大，所以數(shù)據(jù)存放時間有限，一般不超過七天。 需要說明的是，主站使用輪循方式時，輪循周期T（秒）或系統(tǒng)容量N（個）取決于單點的數(shù)據(jù)量D（bit）、電臺傳輸速率S（b/s）和電臺收發(fā)轉(zhuǎn)換時間t（秒），它們之間有如下關(guān)系： T≈N＊（D/S+t）? 在本系統(tǒng)的設(shè)計過程中，還采用了一種組網(wǎng)方式即中轉(zhuǎn)（一級或多級）。這是因為無線電波的傳播基本為直線傳播，低頻段有一定繞射能力。電波在傳播過程中會引起損耗，在無阻擋情況下，主要是自由空間的傳播損耗，但通信路徑上有障礙物時，還會引起阻擋損耗，嚴(yán)重阻擋時（如遇山脈或天線附近有高大建筑物），接收端將無法正常接收，所以應(yīng)盡量避免在山丘和高大建筑物背后設(shè)站；如遇該情況，可采用中轉(zhuǎn)方法解決，如圖3所示。在這種通訊方式中，中轉(zhuǎn)站起到橋梁溝通的作用，主站命令通過中轉(zhuǎn)站傳達到分站，分站采集的數(shù)據(jù)通過中轉(zhuǎn)站回饋給主站。 6?天線 對于數(shù)傳電臺通信來說，天線的選擇和安裝顯得尤為重要[3]。主站為全向天線，以覆蓋各方向分布的子站。子站為定向天線，對準(zhǔn)主站天線。通過計算確定中心站和各遠(yuǎn)方站天線高度。確定適當(dāng)?shù)奶炀€高度就是要保證中心站對各遠(yuǎn)方站有良好的通信效果。最理想的情況是，收發(fā)之間直視傳輸，但站距較長或有障礙物的站段，勢必存在困難，那就要通過測試和計算來確定最佳天線高度。做到既節(jié)省建設(shè)投資，又滿足傳輸要求。一般情況下，應(yīng)力求不在負(fù)余隙情況下傳輸，但特殊站段，傳輸受障礙物輕度阻擋也可允許，原則是保證足夠的收信電平。 7?中心調(diào)度室設(shè)備配置及功能 中心調(diào)度室是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，它包括一臺主計算機和兩臺服務(wù)器。主計算機自動巡回監(jiān)測各測壓點的水壓[4]。對采集到的各子站數(shù)據(jù)進行整理、加工，并送到相應(yīng)主數(shù)據(jù)庫進行保存，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，并以報表、曲線、文字等方式進行顯示打印。主機管理兩臺服務(wù)器，其中一臺顯示各個點被測參數(shù)，比如管網(wǎng)壓力等。另一臺以地圖方式顯示各個測壓點的地理位置及工作狀態(tài)。 8?電臺軟件和附件 為安裝調(diào)試方便，深圳華夏盛公司除提供手持終端外，還可提供RTU模擬器，話音模塊和話音手機，這對測試無線設(shè)備的運行是非常有用的。此外還可提供接口變換器組件以及診斷軟件配合PC機完成設(shè)備遠(yuǎn)程診斷功能。 華夏盛手持終端與電臺的診斷口連接,可對電臺的基本參數(shù)進行設(shè)置,如頻率、功率、數(shù)據(jù)格式等。?也可現(xiàn)場測試電臺的接收信號強度、信納比等參數(shù)。裝有深圳華夏盛電臺設(shè)置軟件的PC機也可以對電臺進行設(shè)置。華夏盛?InSite?6?網(wǎng)管軟件可遠(yuǎn)程對電臺的基本參數(shù)進行設(shè)置，頻率除外。 RTU模擬器安置在電臺內(nèi)部,可用華夏盛電臺設(shè)置軟件把它打開、關(guān)閉并編號。用華夏盛的通信測試軟件可與RTU?模擬器通信。華夏盛?InSite?6網(wǎng)管軟件可以遠(yuǎn)程將RTU模擬器打開，關(guān)閉并編號。 華夏盛外接話音模塊和手機可提供遠(yuǎn)程站與主站之間的話音通信。 深圳華夏盛電臺設(shè)置軟件，華夏盛通信測試軟件，華夏盛?InSite?6?網(wǎng)管軟件為通信系統(tǒng)的安裝測試提供了極大的方便。 9?應(yīng)用 該系統(tǒng)在合肥供水集團安裝使用，至今已經(jīng)運行有一年多時間，電臺工作穩(wěn)定，傳輸可靠，沒有出現(xiàn)過故障。 10?結(jié)論? 用數(shù)字電臺代替模擬電臺組建自來水遙控遙測無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，減少了維修人員的勞動量，降低了生產(chǎn)成本，值得推廣使用。 參考文獻 1?郭梯云、劉增基等.?數(shù)據(jù)傳輸.?人民郵電出版社,?1998年10月 2?信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局.?中華人民共和國無線電頻劃分規(guī)定.?人民郵電出版社 3?國家技術(shù)監(jiān)督局.?數(shù)傳電臺通用規(guī)范.?中國人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T16611-1996 4?王洪臣.城市污水處理廠運行控制與維護管理.?北京科學(xué)出版社,?1999:473-539 基金項目：河南省自然科學(xué)基金資助項目（0511010800） 作者簡介:?吳?杰?（1970－）?男,合肥供水集團技術(shù)處，?碩士，工程師，研究方向：計算機智能系統(tǒng)。 馮冬青?（1958－）?男，鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，教授，研究方向：計算機智能控制系統(tǒng)。 （1合肥供水集團，合肥，230011;?2鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州，450002）