無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用研究

董雪

摘 要：由于某石油化工廠需求大量的工業(yè)用水，針對該廠的供水問題，文章提出了采用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在遠(yuǎn)用的流量變送器上安裝無線網(wǎng)關(guān)，通過設(shè)備的RS485接口，采用MODBUS協(xié)議將流量計(jì)的累計(jì)流量數(shù)據(jù)接入無線電臺，從而獲取數(shù)據(jù)。最終達(dá)到提高供水效率，集中管理的目的。

關(guān)鍵詞：無線數(shù)傳；無線網(wǎng)關(guān)；天線；協(xié)議轉(zhuǎn)換

引言

某石油化工廠屬于大型工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，工業(yè)用水量非常大。企業(yè)所用工業(yè)水采集點(diǎn)遠(yuǎn)在數(shù)公里之外，通過輸水線路傳輸至廠區(qū)、生活區(qū)等30個(gè)用水點(diǎn)處，各用水點(diǎn)分布在東西約長10公里，南北約5公里范圍內(nèi)?，F(xiàn)在各用水點(diǎn)采用電磁流量計(jì)計(jì)量用水量，建設(shè)初期考慮到電纜敷設(shè)路徑較遠(yuǎn)， 信號衰減大，而且電纜在野外也容易遭到破壞， 所以未敷設(shè)信號電纜，沒有實(shí)現(xiàn)集中管理，由工人定時(shí)到各計(jì)量站人工抄表，極大的增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也非常不利于時(shí)監(jiān)控用水量的變化，不利于廠區(qū)自動(dòng)化管理?，F(xiàn)今，無線技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)中，為了減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無線傳輸，隨時(shí)掌握用水動(dòng)態(tài)，達(dá)到提高供水效率，集中管理的目的。

1 總體設(shè)計(jì)方案

流量信號無線數(shù)傳系統(tǒng)由前端設(shè)備和后臺接收設(shè)備組成。前端采用專為高效的無線波段而設(shè)計(jì)的EP105H-G無線網(wǎng)關(guān)（包括完整的收發(fā)射裝置）、通過天線將信號發(fā)射至后臺接收設(shè)備。后臺設(shè)備安裝在控制室內(nèi)，采用與之相匹配的EP105H-G中心調(diào)度機(jī)進(jìn)行接收、通過交換機(jī)將信號在操作站上進(jìn)行監(jiān)控.國家信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局專門給此類無線系統(tǒng)辟出了223～235 MHz的無線數(shù)據(jù)通信專用頻段。傳輸速率可在1200/2 400/4 800/9 600 b/s之間調(diào)整[2]，如圖1所示。

2 無線網(wǎng)關(guān)的工作原理

無線網(wǎng)關(guān)接收流量變送器輸出的流量信號，信號形式可為4～20mA模擬信號，也可為RS485信號?？紤]到模擬信號在傳輸中會產(chǎn)生偏差，我們采用RS485通訊方式，通訊協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議。再將信號完成調(diào)制，由無線發(fā)射端將信號發(fā)射出去。使用EP105H無線端口允許EP105H-G與其它EP105H-G和/或EP105H模塊進(jìn)行通訊。從EP105H 模塊中發(fā)出的信息被無線端口接收并刷新EP105H-G無線接口的輸入數(shù)據(jù)庫。無線端口同時(shí)也可以將主設(shè)備的控制信號通過無線方式輸出到遠(yuǎn)程的EP105H模塊。只要輸入信號發(fā)生改變就會立刻發(fā)送信號。也可組態(tài)按設(shè)定時(shí)間定時(shí)發(fā)送，每一個(gè)發(fā)送的信息都包括錯(cuò)誤檢測以確認(rèn)信息的準(zhǔn)確性。如未收到確認(rèn)信息則該信息將重發(fā)5 次[3]。

EP105H-G單元可以作為“數(shù)據(jù)中心”單元，此單元從EP105H 無線輸入/輸出（I/O）模塊的局域網(wǎng)收集輸入/輸出（I/O），并且把這些輸入/輸出（I/O）作為一組傳輸?shù)搅硪粋€(gè)EP105H-G如圖2所示。

此種類型的網(wǎng)絡(luò)可以避免無線通信信道的擁擠，適合有大量輸入/輸出（I/O）模塊的系統(tǒng)采用。這一系統(tǒng)被分成局部分支網(wǎng)絡(luò)，每一網(wǎng)絡(luò)都有一個(gè)EP105H-G單元。EP105H模塊傳輸輸入/輸出（I/O）值到這些EP105H-G。然后EP105H-G使用成組轉(zhuǎn)換器把這些值發(fā)送到“中心”EP105H-G。比起大多數(shù)單個(gè)的輸入/輸出（I/O）傳輸，成組轉(zhuǎn)換器效率更高。

EP105H-G 模塊可以可靠地完成遠(yuǎn)距離的通訊。不同的應(yīng)用，影響通訊距離的因素也會不同，主要由天線型號和安裝位置、無線干擾程度，以及路徑中的障礙物（如小山或樹林）等來決定。請咨詢當(dāng)?shù)亟?jīng)銷商了解符合當(dāng)?shù)責(zé)o線電規(guī)則的期望的距離。如果兩個(gè)EP105H-G模塊之間不能進(jìn)行可靠通訊，就需要使用第三個(gè)EP105H-G作為中繼先接收然后再轉(zhuǎn)發(fā)信號。此中繼器也有輸入/輸出（I/O）信號，是輸入/輸出（I/O）網(wǎng)絡(luò)的一部分[4]。

3 天線的設(shè)置

數(shù)據(jù)通過天線載體進(jìn)行無線發(fā)射，為了取得最大通訊距離，天線應(yīng)當(dāng)高于通訊路徑中的障礙物的高度，達(dá)到無線路徑真正的“可視”。由于地球表面本身的曲度，通訊距離要超過5千米（3英里）。天線至少要高于地面5米。對于短距離通訊，即使路徑中有障礙物，EP105H 模塊也能可靠通訊。當(dāng)然，靠近天線的障礙物對通訊的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通訊路徑中的障礙物。比方：天線附近的一排樹是很大的障礙物，天線必須要架設(shè)得比樹高。如果在100米外，那這排樹對通訊的影響就很小了[5]。

天線可以用50歐姆的同軸電纜連接到模塊的同軸電纜連接盒的公口上。天線安裝得越高，傳送距離越遠(yuǎn)，然而同軸電纜長度的增加同時(shí)也增加了電纜的損耗。天線應(yīng)該嚴(yán)格挑選，避免超過其允許的最大功率。一般情況下，天線/饋線系統(tǒng)的凈增益不應(yīng)超過2dB。

4 對原流量變送器的改造

原區(qū)域范圍內(nèi)的流量變送器已經(jīng)配有RS485接口，在安裝無線網(wǎng)關(guān)之前，我們對數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性測試。

室內(nèi)測試設(shè)備：105-G-MD1無線電臺一臺，IFC300流量計(jì)一臺。

調(diào)試的目的：通過兩臺設(shè)備的RS485接口，采用MODBUS 協(xié)議將流量計(jì)的累計(jì)流量數(shù)據(jù)接入無線電臺。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

截獲的串口碼為：主機(jī)發(fā)送代碼：（皆為十六進(jìn)制數(shù)）

0x04 Modbus 功能碼 04 代表讀寄存器數(shù)據(jù)0x08 代表字節(jié)數(shù)，此處為08，即后面有8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)0x40 B0 40 C3 CD 0E 2C A2代表數(shù)據(jù)區(qū)，即計(jì)數(shù)器1值

0x19 31代表循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（CRC）從截獲的串口數(shù)據(jù)來看，流量計(jì)的累計(jì)數(shù)據(jù)可以讀回，該設(shè)備遵循Modbus RTU slave 的協(xié)議工作模式。發(fā)現(xiàn)問題：流量計(jì)把流量的累計(jì)數(shù)據(jù)存放到了30020號的地址中，這個(gè)地址號偏大， 也就是說，雖然流量計(jì)與數(shù)傳電臺均使用的是Modbus RTU slave 的協(xié)議，但兩者之間寄存器地址并不相同， 從電臺配置的30021號地址讀到的流量計(jì)的中20號寄存器的數(shù)據(jù)，并不是我們期望的流量累計(jì)數(shù)據(jù)，兩臺設(shè)備之間主要存在寄存器地址不兼容的問題。

為了解決這個(gè)矛盾，我們在這兩臺設(shè)備間加裝了一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置（起到地址變換的功能），鑒于流量計(jì)產(chǎn)品的特殊性（寄存器號過大），市場不易買到現(xiàn)成的轉(zhuǎn)換產(chǎn)品，我們對這種協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行了特殊定制。最終試驗(yàn)： 將定制好的協(xié)議轉(zhuǎn)換器與數(shù)傳電臺重新進(jìn)行匹配，結(jié)果，讀數(shù)一致。將此問題圓滿解決。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)采用無線傳輸管理系統(tǒng)之后降低了綜合成本，即只需一次性投資，無須挖溝埋管，且維護(hù)費(fèi)用低。系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試運(yùn)行，保證了在廠區(qū)內(nèi)的水表數(shù)據(jù)的無線傳輸，且運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、誤碼率低，滿足全部生產(chǎn)要求。上位系統(tǒng)功能齊全，能夠保存歷史數(shù)據(jù)長達(dá)1a，為生產(chǎn)的成本分析提供了強(qiáng)大的保障，降低了清水用量和生產(chǎn)開支，同時(shí)降低了生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了管理水平。

參考文獻(xiàn)

[1]許輝，王永添，陳多芳.現(xiàn)代通信網(wǎng)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

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[3]曾鵬，徐皚冬.工業(yè)無線通訊技術(shù) 儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2007，（1）：21-23.

[4]劉元安，葉靚，邵謙明，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的融合[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，12（6）：8-10.