無(wú)線數(shù)傳技術(shù)在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用

蘭奇發(fā)，馬小照，麻榮武

（國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)深圳天然氣有限公司，廣東 深圳518120）

1 立項(xiàng)背景

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)深圳LNG接收站位于深圳東部迭福片區(qū)，占地面積約27公頃。該項(xiàng)目是深圳市“十二五”能源基礎(chǔ)設(shè)施重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，其建成和投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)對(duì)保障深圳市長(zhǎng)期穩(wěn)定安全的天然氣供應(yīng)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和布局、推進(jìn)節(jié)能減排、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

深圳LNG接收站中壓氣態(tài)外輸管道通過深圳燃?xì)獾ｉT站連通至下游城市燃?xì)庥脩艉拖掠喂I(yè)用戶，從接收站計(jì)量區(qū)至迭福門站計(jì)量區(qū)界墻管線直線距離不遠(yuǎn)，沿天然氣管線采用直埋方式布設(shè)專用通信光纖，兩站控制室間的控制系統(tǒng)通過光纖傳輸共享數(shù)據(jù)。2018年5月30日，為貫徹全國(guó)天然氣“一張網(wǎng)”的結(jié)構(gòu)布局及冬季保供期國(guó)家“南氣北送”國(guó)家保供應(yīng)急重點(diǎn)工程，新建深圳LNG至大鵬LNG聯(lián)通線工程啟動(dòng)。工程項(xiàng)目起點(diǎn)為深圳燃?xì)獾ｉT站，終點(diǎn)為大鵬LNG福華德支線，由于工程項(xiàng)目迭福門站外管線走向重疊，施工作業(yè)面狹窄，又恰逢施工期間惡劣天氣引發(fā)滑坡等，導(dǎo)致原接收站至迭福門站所用的數(shù)據(jù)通信光纜遭到破壞，被損壞的光纜短期無(wú)法修復(fù)，急需考慮其他方式維持兩個(gè)站點(diǎn)間控制室的通信數(shù)據(jù)傳輸，特別是接收站和下游管線不斷變化的用氣調(diào)度下，保障接收站BOG外輸和迭福門站氣源調(diào)配的正常生產(chǎn)尤其重要。

2 主要目標(biāo)

鑒于天然氣外輸上下游站點(diǎn)直線距離較短，控制室之間處于空曠環(huán)境中，經(jīng)調(diào)研采用當(dāng)前低成本、易于實(shí)現(xiàn)、成熟可靠無(wú)線傳輸方案，不需要增加管線開挖施工工作量，解決接收站工藝儀表間和深燃迭福門站控制系統(tǒng)通信問題，采用成本低廉的無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)方式傳輸成為首要選擇。在正常通信設(shè)計(jì)中，將現(xiàn)有通信架構(gòu)通過485串口通信接入接收站控制系統(tǒng)串口服務(wù)器，迭福門站的隔離RTU控制器單元作為MODBUS串口通信從站設(shè)備，接收站控制系統(tǒng)為主設(shè)備，采用沿管線鋪設(shè)的單模光纖作為傳輸媒介，光端兩側(cè)配置485通信光電轉(zhuǎn)換器。

接收站工藝儀表間和迭福門站控制室機(jī)房直線距離約為500m，接收站內(nèi)工藝儀表間建筑物為兩層樓高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，機(jī)房處于二樓；深圳燃?xì)獾ｉT站機(jī)房為三層樓建筑結(jié)構(gòu)，機(jī)房位于一樓位置，兩個(gè)控制室直線距離無(wú)遮擋。接收站還有周界實(shí)體圍墻和迭福門站周界實(shí)體圍墻高度均不大于3m，中間被市政S30省道公路和排水溝阻斷，在兩邊機(jī)房無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)除受墻體遮擋外沒有其他障礙物。鑒于通過修復(fù)有效有線數(shù)據(jù)通信線纜鋪設(shè)工期較久，而且該區(qū)域?yàn)樾陆üこ毯鸵淹队霉芫€的復(fù)雜施工交叉作業(yè)面，并且處于南方區(qū)域雨季，易發(fā)泥石流地質(zhì)災(zāi)害，修復(fù)管線及光纖作業(yè)難度非常大，因此為及時(shí)解決光纖信號(hào)衰減和遠(yuǎn)距離傳輸穩(wěn)定性問題，采用無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的傳輸方式為最佳方案。

3 主要研究?jī)?nèi)容

3.1 無(wú)線傳輸技術(shù)現(xiàn)狀

近年來，無(wú)線傳輸技術(shù)隨著社會(huì)的日益發(fā)展不斷進(jìn)步，無(wú)線傳輸技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。短距離無(wú)線傳輸技術(shù)包括WIFI、藍(lán)牙、UWB、MTC、ZigBee、NFC、GPRS、NB-IoT、Lora，信號(hào)覆蓋范圍則一般在幾十厘米到幾百米之間。近距離無(wú)線傳輸技術(shù)主要應(yīng)用在局域網(wǎng)，比如家庭網(wǎng)絡(luò)、工廠車間聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)辦公聯(lián)網(wǎng)。

在解決用戶無(wú)法通過有線傳輸?shù)募夹g(shù)難題上，無(wú)線通信技術(shù)在工業(yè)控制行業(yè)逐漸被推廣應(yīng)用，現(xiàn)有的無(wú)線傳輸方案特點(diǎn)如下：

第一，高功耗、高速率的廣域網(wǎng)傳輸技術(shù)，如2G、3G、4G蜂窩通信技術(shù)，這類傳輸技術(shù)適合于GPS導(dǎo)航與定位、視頻監(jiān)控等實(shí)時(shí)性要求較高的大流量傳輸應(yīng)用。

第二，低功耗、低速率的廣域網(wǎng)傳輸技術(shù)，如Lora、Sigfox、NB-IoT等，這類傳輸技術(shù)適合于遠(yuǎn)程設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸、工業(yè)智能設(shè)備及終端的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

第三，高功耗、高速率的近距離傳輸技術(shù)，如WIFI、藍(lán)牙，這類傳輸技術(shù)適合于智能家居、可穿戴設(shè)備以及M2M之間的連接及數(shù)據(jù)傳輸。

第四，低功耗、低速率的近距離傳輸技術(shù)，如Zig－Bee，這類傳輸技術(shù)適合局域網(wǎng)設(shè)備的靈活組網(wǎng)應(yīng)用，如熱點(diǎn)共享等。

綜合以上特點(diǎn)，當(dāng)前無(wú)線傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是以低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)為主，采用低速率的廣域網(wǎng)技術(shù)將是解決接收站工藝儀表間和迭福門站機(jī)房間的首選應(yīng)用，綜合當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸類型和數(shù)據(jù)量，Lora技術(shù)可以作為重點(diǎn)研究應(yīng)用方向。

Lora是LPWAN（Low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng)）通信技術(shù)中的一種，是美國(guó)Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案。這一方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡(jiǎn)單的、能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、長(zhǎng)電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。目前，Lora主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括433/868/915MHz等。

3.2 無(wú)線傳輸頻段簡(jiǎn)介

在無(wú)線通信領(lǐng)域中，電磁波的頻率范圍的單位為Hz，按照頻率的大小，全球通信頻率應(yīng)用可以分為如下頻率：

3.2.1 2.4G/5.8G家用路由器頻段

2.4G，全球免費(fèi)通用頻段，家用路由器，無(wú)線模塊，數(shù)傳電臺(tái)，實(shí)時(shí)遙控；

915M，北美免費(fèi)通用頻段；

868M，歐盟免費(fèi)通用頻段；

780M，中國(guó)新開物聯(lián)網(wǎng)頻段；

470M，中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)計(jì)量頻段，無(wú)線抄表；

433M，中國(guó)免費(fèi)通用頻段；

315M，遙控器使用頻段；

230M，中國(guó)電力系統(tǒng)專用頻段；

169M，歐盟無(wú)線抄表頻段。

3.2.2 4G、3G與2G/GSM/GPRS頻段

（1）4G頻段：1800～2700MHz（1.8～2.7GHz）。中國(guó)移 動(dòng) ：1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz；中國(guó)聯(lián)通：2300-2320MHz、2555-2575MHz；中國(guó)電信：2370-2390MHz、2635-2655MHz。

（2）3G頻段：1800～2200MHz（1.8～2.2GHz）。中國(guó)移動(dòng)：1880-1900MHz；中國(guó)聯(lián)通：1940-1955MHz(上行)、2130-2145MHz(下行)；中國(guó)電信：1920-1935MHz(上行)、2110-2125MHz(下行)。

（3）2G/GSM/GPRS頻段：800～1900MHz。

3.2.3 中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商頻段

中國(guó)移動(dòng)：890-909MHz（上行）、935-954MHz（下行）、1710-1725MHz（上行）、1805-1820MHz（下行）。

中國(guó)聯(lián)通：909-915MHz（上行）、954-960MHz（下行）、1745-1755MHz（上行）、1840-1850MHz（下行）。

中國(guó)電信：825-840MHz（上行）、870-885MHz（下行）。

根據(jù)以上不同頻率功能劃分，無(wú)線傳輸技術(shù)應(yīng)用頻率為170MHz、230MHz、433MHz、780MHz、915MHz、2.4GHz等免費(fèi)頻段，不同頻段適用不同場(chǎng)景對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，比如?shù)據(jù)量大小、功耗要求、傳輸距離及安全性要求等。低功耗遠(yuǎn)距離通信技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、低功耗、低成本、覆蓋容量大等優(yōu)點(diǎn)。遠(yuǎn)距離和覆蓋容量大意味著可以覆蓋的面積更大，服務(wù)更多的用戶；低功耗可以延長(zhǎng)電池壽命及保證更小的維護(hù)成本，而低成本收發(fā)器芯片可以有效減少部署成本，基于特定應(yīng)用特性。低功耗遠(yuǎn)距離無(wú)線通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)適合于物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，包括常見的長(zhǎng)距離收發(fā)數(shù)據(jù)量少的軍事應(yīng)用場(chǎng)景。Lora是發(fā)展較快、相對(duì)較成熟的技術(shù)，目前成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)技術(shù)。

3.3 遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸頻率需求

根據(jù)現(xiàn)有接收站和門站機(jī)房之間空間距離現(xiàn)狀，采用無(wú)線通信技術(shù)。通信存在相應(yīng)技術(shù)問題，如電磁波容易出現(xiàn)衰減、抗干擾性差等。針對(duì)衰減問題，由于電磁波具有波粒二象性，而且使用的頻率范圍從幾百兆到幾千兆，所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍也很廣，所以電磁波在自然和人文環(huán)境中傳播時(shí)，遭遇的場(chǎng)景有繞射、反射、折射和衍射等，因此電磁波特性決定了所應(yīng)用場(chǎng)景局限性。

當(dāng)電磁波遇到尖角或薄邊的阻擋物會(huì)發(fā)生繞射。也就是說當(dāng)電磁波躲不過這個(gè)障礙物但是不至于被反彈回來的時(shí)候，就從這個(gè)阻擋物旁邊繞過去。這種行為稱之為電磁波的繞射。

當(dāng)無(wú)線電磁波遇到遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的障礙物表面的時(shí)候會(huì)發(fā)生反射，這種反射的現(xiàn)象跟我們拿著鏡子把光線反射回去的原理是一樣的，這種反射一般都是建筑物間的反射。

當(dāng)電磁波從一種介質(zhì)斜射入另一種密度不同的介質(zhì)時(shí)，它不會(huì)完全反射，而是傳播方向發(fā)生變化，這時(shí)候就會(huì)發(fā)生電磁波的折射。在無(wú)線通信里，這種現(xiàn)象一般出現(xiàn)在電磁波的大氣折射中，因?yàn)閺牡孛娴教炜丈系目諝馐窃絹碓较”〉?，空氣密度也?huì)呈現(xiàn)一定的梯度變化，所以電磁波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有大氣折射現(xiàn)象的產(chǎn)生。

當(dāng)電磁波波長(zhǎng)大于或等于障礙物尺寸時(shí)會(huì)發(fā)生電磁波衍射現(xiàn)象，波長(zhǎng)越大則衍射現(xiàn)象就越顯著。如果用于短距離傳輸，電磁波頻率選擇低頻為主，波長(zhǎng)較長(zhǎng)可以避免較多障礙物情況下的衍射，而且繞射效果較好，可以達(dá)到較穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)電磁波的傳輸效果。當(dāng)相比之下較低頻率電磁受干擾較多，應(yīng)用于抗干擾要求不高的場(chǎng)合。

當(dāng)前無(wú)線通信技術(shù)主要有兩類：一類是Zigbee、WIFI、藍(lán)牙、Z-wave等短距離通信技術(shù)；另一類是LPWAN，即廣域網(wǎng)通信技術(shù)，包括LPWAN通信中授權(quán)頻譜（2、3、4G蜂窩通信技術(shù)）和未授權(quán)頻譜（Lora、Sigfox通信技術(shù)）等。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，接收站工藝儀表間和迭福門站機(jī)房距離約500m左右，以接收站工藝儀表間為起源中間障礙物結(jié)構(gòu)依次為：儀表間機(jī)房墻體、接收站圍墻、門站圍墻、門站機(jī)房墻體，除機(jī)房墻體距離機(jī)柜較近外，各建筑物圍墻相隔較遠(yuǎn)，影響電磁波因素較小。

因此，接收站和迭福門站的控制室機(jī)房的無(wú)線傳輸通信技術(shù)應(yīng)用，根據(jù)數(shù)據(jù)通信頻率優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，以及應(yīng)用可靠性和安全性，可采用低頻433MHz頻段，可在此頻段選擇最佳最優(yōu)應(yīng)用無(wú)線技術(shù)產(chǎn)品。

3.4 無(wú)線傳輸應(yīng)用方案

現(xiàn)有接收站和迭福門站上下游數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)中，雙方控制系統(tǒng)均為獨(dú)立不同的控制系統(tǒng)，并且屬于不同企業(yè)主體，網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全尤其重要，因此無(wú)法進(jìn)行直連傳輸。經(jīng)雙方討論優(yōu)化技術(shù)方案，采用增加中間數(shù)據(jù)隔離單元，防止直接訪問對(duì)方系統(tǒng)，因此增加支持多協(xié)議接口RTU控制器單元作為隔離單元，兼顧實(shí)現(xiàn)雙方系統(tǒng)現(xiàn)有接口，確定采用RS485串口通信為最合適協(xié)議方式，基本滿足傳輸兩百多個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量的應(yīng)用需求，RS485通信為所需按RTU控制器和雙方控制系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)硬件兼容性最好的應(yīng)用協(xié)議，因此在原來有線連接采用的485串口通信協(xié)議，如采用無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)也將繼續(xù)采用支持RS485協(xié)議的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊。經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研應(yīng)用，評(píng)估現(xiàn)有應(yīng)用場(chǎng)景，選用成都億佰特電子科技有限公司的E90-DTU（433C37）型工業(yè)級(jí)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)，其符合雙方應(yīng)用需要，該產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 E90-DTU無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)應(yīng)用場(chǎng)景

該產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)如下：

支持高速連續(xù)不間斷傳輸、數(shù)據(jù)不分報(bào)，適配Modbus協(xié)議；

發(fā)射功率最大達(dá)5W，所有技術(shù)指標(biāo)達(dá)到歐洲工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；

采用溫度補(bǔ)償電路，頻率穩(wěn)定度優(yōu)于±1.5ppm；

工作溫度范圍:-40℃～+70℃，適應(yīng)各種嚴(yán)酷的工作環(huán)境，是真正的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品；

全鋁合金外殼，體積緊湊，安裝方便，散熱性好；完美地屏蔽設(shè)計(jì)，電磁兼容性好，抗干擾能力強(qiáng)；

電源逆接保護(hù)、過接保護(hù)、天線浪涌保護(hù)等多重保護(hù)功能，大大增加了電臺(tái)可靠性；

強(qiáng)大的軟件功能，所有參數(shù)可通過編程設(shè)置:如功率、頻率、空中速率、地址ID等；

超低功耗，守候電流僅為50mA（節(jié)電模式及睡眠模式功耗更低），發(fā)射電流≤1.2A（5W時(shí)）。

內(nèi)置看門狗，并進(jìn)行精確時(shí)間布局，一旦發(fā)生異常，模塊將自動(dòng)重啟。

在無(wú)線數(shù)傳方案應(yīng)用中，該產(chǎn)品也體現(xiàn)出較好功能配置應(yīng)用，E90-DTU無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)產(chǎn)品配置如圖2。

圖2 E90-DTU數(shù)傳電臺(tái)連接編程示意圖

4 研究成果介紹

4.1 操作維護(hù)成本低

基于接收站和迭福門站采用無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)應(yīng)用方案，現(xiàn)有設(shè)備無(wú)線傳輸通信運(yùn)行穩(wěn)定，操作維護(hù)成本非常低，數(shù)據(jù)傳輸通信質(zhì)量較好。

由于當(dāng)前Lora技術(shù)采用簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，兩個(gè)站點(diǎn)間一個(gè)發(fā)起另外一個(gè)接收，數(shù)據(jù)傳輸模式單一，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)勢(shì)成本較低，網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性較高，在現(xiàn)有通信設(shè)置模式不變的情況下，在兩地控制室機(jī)房將RS485光電轉(zhuǎn)換器更換為E90-DTU模塊后，將模塊通電而實(shí)現(xiàn)經(jīng)專用配置軟件設(shè)置通信完成后即可正常工作，外置增益天線可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠傳輸，操作應(yīng)用簡(jiǎn)單可靠。

4.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠安全

在使用無(wú)線模塊時(shí)，考慮到無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)強(qiáng)度的要求，E90的理想傳輸距離為20km，發(fā)射功率為5W；為保障更好的效果，結(jié)合現(xiàn)有控制室機(jī)房距離等實(shí)際應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)，采用天線增益的方式，將天線引出至控制室房頂，保持和迭福門站機(jī)房處的接收天線具有直線無(wú)遮擋效果，傳輸信號(hào)非常強(qiáng)。并經(jīng)過信號(hào)測(cè)試，附近沒有存在相應(yīng)頻段信號(hào)，提高了網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量和安全。

5 經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益

5.1 物聯(lián)網(wǎng)推廣

本項(xiàng)目選用適合接收站和迭福門站的特定應(yīng)用環(huán)境需求的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)，解決了連接出站管線光纖網(wǎng)絡(luò)中斷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題。改用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方案的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本低廉，且完美實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)共享數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。

Lora技術(shù)因?yàn)榈凸?、深度覆蓋、容易部署等優(yōu)勢(shì)，使得其非常適用于功耗低、距離遠(yuǎn)、大量連接及定位跟蹤等的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。結(jié)合改善城市管理有效性，其給建設(shè)綜合物聯(lián)網(wǎng)帶來了可能性，并在智慧城市建設(shè)中起到越來越重要的作用。

5.2 創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用

現(xiàn)有接收站內(nèi)的控制系統(tǒng)和可編程控制器（PLC）單元等第三方設(shè)備采用有線485串口通信協(xié)議。對(duì)于改擴(kuò)建新增設(shè)備通信方式，除了采用有線數(shù)據(jù)傳輸選項(xiàng)外，也可采用無(wú)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本文探索了新的創(chuàng)新應(yīng)用，為后期控制系統(tǒng)設(shè)備功能擴(kuò)展、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)接入及功能改造提供一種全新應(yīng)用解決方案，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸融入工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用中，從而提供了良好的實(shí)踐和新嘗試。