铁水运输动态监测系统无线通讯网设计

摘要：根据铁水运输系统的特点，设计了扩频通信无线数据通信网，其实时传送车辆位置数据的能力大大优于窄带电台组成无线网和利用GSM公用电话网传送位置数据的GPS车辆监控系统，所设计的无线通信网能管理较多车辆，并具有进一步扩容的能力。 关键词：铁水运输 扩频通信 CSMA DGPS 宝山钢铁集团公司是我国特大型钢铁企业，随着宝钢三期工程的建设实施，传统的铁水运输调度系统已不能适应生产规模扩大的需要。建立新的铁水运输动态监测系统，以提高生产调度的安全性、生产效率、自动化程度和经济效益具有十分重要的意义。 铁水运输动态监测系统采用了当今先进的DGPS定位技术、 组合定位技术、地图匹配技术、扩频通信技术、计算机及网络技术，以及地理信息系统技术、电子大屏技术等，解决了在钢铁厂内恶劣工业环境下，铁路线上铁水运输车辆的定位跟踪问题，使调度管理人员在中心站的电子大屏上能实时观测到铁水运输车辆动态位置和状态以及其他有关信息，便于及时、合理地进行生产运输调度。 作为铁水运输动态监测系统的重要组成部分——无线通信网，主要完成中心站与车辆之间的信息传输，其性能的好坏直接影响到整个系统的正常工作。本文介绍的无线通信网已在宝钢铁水运输动态监测系统中应用，通信系统工作正常，稳定可靠，效果良好。 1 无线通信网设计 1.1 系统要求 （1）在1.8km%26;#215;2.3km的区域内，保证厂房内外的车辆与中心站之间实时通信； （2）监测车辆85辆； （3）每个车辆信息更新率最高可达到每秒更新一次； （4）车辆设备采用蓄电池供电，为延长电池更换周期，需采用低功耗设备； （5）具有良好的电磁兼容性，不能对现在正在使用的其他通信设备产生干扰； （6）抗干扰能力强，能够保证在钢铁厂恶劣工业环境下的可靠通信，误码率小于10 -6。 （7）中心站与车辆之间为双向通信方式。 1.2 方案选择 在目前的GPS车辆定位跟踪系统中，无线数据的传输通常采用模拟电台加调制解调器自行组网或通过公用移动电话来完成数据交换。在模拟电台自行组网的数据传输系统中，由于模拟电台的收发切换时间长（约200ms）、数据传输率低（通常为1200bps）、单位时间内传输的车辆位置数据较少，因此，当车辆增多时，车辆位置更新的实时性将大大降低。采用GSM公共移动电话网传送数据，虽然系统容量可以扩大，数据传输率增快，但运行成本较高，而且受公共移动电话网工作状态影向较大，难以满足安全性、可靠性、连续性、经济性的要求。若采用GSM短消息的方式发送位置数据，其数据传送的实时性将无法保证。 根据现场实际情况和系统要求，扩频通信技术是一种理想的解决方案。扩频通信的主要特点有：（1）抗干扰性强，对单频及多频载波信号的干扰、其它伪随机调制信号的干扰及脉冲正弦信号的干扰等都有抑制作用，能提高输出信号的信噪比。（2）发射功率小，一般小于1W，设备功耗较低，因此不会对其他通信系统产生干扰。（3）可以实现码分多址，频带利用率很高。（4）抗多径干扰，可以克服钢铁厂环境下严重的多径干扰对无线数据通信可能造成的影响。（5）无线数据传输速率高，可高达19200bps以上，而误码率小于10 -6，具有信息传输快且可靠的优点。 1.3 无线通信网组成 铁水运输动态监测系统覆盖范围约1.8km%26;#215;2.3km，区域内分布有高大钢铁建筑物，难以保证视距通信。车辆工作区域有相当一部分在厂房内，受通信屏蔽的影响较大，有些厂房内甚至无法直接与外界通信。另外，为了保证车载设备功耗较低，延长车载设备蓄电池供电时间，车载设备通信采用较小的发射功率。为了保证系统中心站与车辆间无线数据通信可靠，在工作区内设有5个中断站，负责车辆与中心站间的信息转发。在3个通信屏蔽的厂房内高有3个中转台，负责厂房内的车辆与中断站间的信息转发。 中心站位于生产管制中心，通信天线高度约45m，采用全向高增益天线。5个中断站与中心站间的通信采用高增益定向天线，其天线方向指向中心站。 中继站与车辆间的通信采用高增益全向天线。车载设备和转台采用3dB全向天线。 系统无线通信网由中心站、中继站、中转台和车载设备构成，如图1所示。 2 设备选型和设计 2.1 扩频通信机选择 在铁水运输动态监测系统中根据使用方式的不同，使用了AirLink和WIT915两种型号的扩频通信机来组成无线通信网。AirLink通信机用于中心站与中继站通信，WIT915通信机用来完成中继站和移动车辆间的通信。 AIRLINK 19MP是美国CYLINK公司的L波段无线扩频MODEM数传通信机，可工作于点对点和点对多点工作方式，也可作为转发器或hub来应用。其主要技术指标如下： （1）工作频段：902～928MHz，16个信道可选； （2）采用直序扩展工作方式，PN序列长度32bit； （3）调制方式为BPSK（Bi-Phase Shift Keying），数据速率可达38400bps，信道带宽为1.5MHz； （4）系统增益（不包括天线增益）为130dB。其中，扩频增益为12dB； （5）发射功率最大为800mW（29dBm），并且可通过拨码开关选择不同的发射功率； （6）采用时分双工技术（TDD），可以实现全双工通信，视距传输可达50km。 WIT915是美国DIGTAL WIRELESS公司的扩频通信收发机。WIT915采用组合扩频技术，能够抗噪声和多径衰落，并且同时支持CSMA通信协议和点对点的通信。WIT915扩频通信机的低功耗和小体积很适用于车载台使用。其技术指标如下： （1）工作频段：903～907MHz，21个信道，具有自动寻找干净信道的能力； （2）4级可调发射功率，从1mW～1W，最大功率要求符合美国FCC标准，并且功率可自适应调整； （3）全双工数据速率可达19200bps，半双工数据速率可达51200bps； （4）射频带宽：700kHz，信道间隔1.2MHz； （5）采用0dB天线，在视距情况下，传数距离可达1.8km； （6）在半双工情况下，数据收发转换时间小于0.5ms。 2.2 通信控制器设计 在无线通信数传网设计中，通信控制器的设计十分重要。因为对扩频通信机的控制以及无线通信网通信协议的执行都要通过通信控制器来实现。在铁水运输动态监测系统中，采用PC/104作为通信控制器，相对于采用单片机作为内核的通信控制器来说，能够减少产品的开发费用，降低开发风险，缩短开发周期，提高产品的性能。PC/104具有超小尺寸（90mm%26;#215;96mm），较低的功耗（典型为1～2W/模块），独有的栈接总线消除了底板与插座的成本和空间。PC/104的CPU系列产品为嵌入应用提供了高集成化的模块，并且与IBM PC/AT休系兼容，在PC上调试好的程序可以直接移植到PC/104使用。 选用的PC/104 CPU模块为CoreModule CM/486-2。CM/486模块提供了PC/AT母板的全部功能和一线附加卡的功能，该模块具有CP/AT和MS-DOS全兼容的标准硬件和软件资源。其主要指标如下： （1）CPU为CX486SLC-2，50MHz内部时钟频率； （2）在板内存可选为2M、4M或16M字节； （3）7个DMA通道（相当于8237）； （4）15个中断通道（相当于8259）； （5）三个可编程计数/定时器； （6）16位扩展总线； （7）和PC完全兼容的两个串行口和一个并行口； （8）带有可启动系统的固态盘； （9）带有PC所不具有的看门狗定时器。 2.3 通信控制器和扩频通信机的连接关系 扩频通信机AirLink和WIT915的外部数据控制接口是与PC兼容的异步串行RS-232接口。因此，由PC/104构成的通信控制器与扩频通信机AirLink和WIT915的硬件连接非常简单和方便，只需将扩频通信机的外部数据控制接口直接连到PC/104的串行口即可，由在PC/104中运行的软件控制扩频通信机的数据收发即可。 图2、3所示为通信控制器和扩频通信机的两种连接方式。其中图2为中继站的连接方式，图2为移动车辆的连接方式。 3 无线通信方式的设计与实现 3.1 中继站与中心站 中心站的AirLink扩频通信机与各个中继站的AirLink扩频通信机间构成一种星型网络通信模式。中心站的AirLink扩频通信机设置为主模式。中继站的AirLink扩频通信机设置为从模式，采用半双工的通信模式，由中心站的通信控制器采用轮询的方式控制AirLink扩频通信机和各个继站进行数据传输交换。中心站分别从各个中断站采集各中继站收到的车辆信息，然后按一定间隔向所有中继站广播车辆DGPS定位所需要的差分数据。各个中断站设置有不同代号。各中继站通信控制器收到中心站发出的信息后，首先判断是否是中心站取车辆信息。若是，再判断中心站所发出的站代号是否与事先设定的本站代号一致；若一致，则将中断站收到的车辆位置数据发送到中心站；若不一致则不进行处理。若中断站通信控制器判断中心站发出的是广播差分数据，则将此数据通过WIT915扩频通信机转发到车载设备。因为各中继站和中心站的AirLink扩频通信机接收电平已调到AirLink扩频通信机手册所需求的能够以10 -8误码率传输数据的电平，因此，中心站和中继站采用简单的ARQ方式和CRC校验就可保证数据的可靠传输和交换。 中心站通信控制器通过AirLink扩频通信机发到中继站的数据格式如下： 查询信息格式： 同步头 起始标志 站代号码 结束标志 CRC校验码 广播DGPS差分信息格式： 同步头 起始标志 广播代码 DGPS差分数据 CRC校验码 结束标志 中继站应答信息格式： 同步头 起始标志 站代号码 车辆信息 CRC校验码 结束标志 中心站和中继站的数据传输率为19200bps。 3.2 中继站与移动车辆 中继站的通信控制器通过中继站的WIT915扩频通信机和车载设备WINT915扩频通信机进行数据交换。若中继站通信控制器和移动车载设备通信控制器之间采用查询的方式进行车辆位置数据的交换，由于铁水运输动态监测系统监控车辆较多（约85辆），查询一遍所有车辆位置数据耗时较长。其次，在铁水运输过程中，同一时刻移动的车辆较少，停止的车辆较多，而停止车辆的位置没有变化，控制中心只需保留上次传过来的车辆位置数据即可，无需进行车辆位置更新。为了在有限的信道内传送有效的位置数据，采用了根据车辆运行速度动态控制车辆信息报告时间间隔的通信方式，即根据车辆的动动状态来调整车辆信息的发送频度。当车辆在停止状态时，车辆的信息每隔一分钟发送一次，以保持和控制中心的数据联系。当车辆在移动状态时，车辆信息报告频度随着速度的增加而提高，及时向中继站发送最新的车辆信息。车辆信息的传送时刻完全由车载通信控制器根据车辆的运行情况来确定，省去了查询方式下的下行数据链路占用的传送时间，可以提高车辆有效信息的传送效率和信息的实时性。 为了保证在车辆信息自主发送时，不生数据传输的碰撞，利用WIT915扩频通信机在半双工模式下的CSMA通信协议来传送数据。CSMA通信协议是IEEE802.3协议中的一种数据传送方式，广泛应用于计算机局域网中，在数据传输中进行载波侦听和多重访问。当需要发送车辆的位置数据时，车载通信控制器首先读取WIT915扩频通信机送出的载波检测DCD电平指示。当载波检测DCD电平为高时，表示目前信道中有别的通信机正发送数据。此时车载通信控制器随机延时等待数毫秒，再次读取通信机的载波检测DCD电平。若此时载波检测DCD电平为低，表示此时信道中没有WIT915扩频通信机发送数据，信道空闲，可以发送数据，则车载通信控制器将WIT915扩频通信机的RTS电平抬高。此时，WIT915扩频通信机切换到发送状态，同时发出载波信息占据信道，车载通信控制器随后将数据通过WIT915扩频通信机发出。当车辆的位置数据发送完毕后，车载通信控制器将WIT915扩频通信机的RTS电平置低，使通信机停止发送载波和数据，让出信道，供其它WIT915扩频通信机发送数据。 采用CSMA通信协议发送车辆位置数据，可以使每一时刻只有一台WIT915扩频通信机处于发射状态，从而可以尽量避免碰撞干扰，使车辆的信息传送可靠。WIT915扩频通信机的收发切换时间很短，最大不超过400μs,且WIT915扩频通信机的数据传输率可高达38400bps，经过压缩后的车辆信息又很短（约40bit），因而每个车载通过控制器发送车辆位置数据时占用信道的时间很短，可以保证数据传输的实时性。当然，在极端情况下，有可能两台WIT915扩频通信机同时检测信道空、同时发送数据，发生碰撞。但因所发送的车辆信息量较小，数据传输率很高，发生碰撞的概率很低。即使发生碰撞，在扩频通信中，通信机仍有可能解调出正确的数据。若扩频通信机解调出错，通过CRC校验进行剔除，通过下一次车辆信息发送对车辆信息进行更新。 中继站转发的中心站DGPS差分数据，也由中继站的通信控制器通过中继站的WIT915扩频通信机以CSMA的通信方式向各个车载设备广播发送。CSMA通信协议中采用CRC校验，以保证数据的可靠性。 通信控制器以CSMA方式发送数据的程序框图如图4所示。 在有数据发送时，检测信道。若信道忙，则随机延时一段时间，并将计数器加1，再检测信道。如此循环，当计数器累加到M次后，则退出信道检测循环。此时，认为信道忙，并置信道忙标志，此次数据发送放弃。在信道忙标志置位后，将车辆在停止时发送数据的间隔由1分钟提高到10秒钟。这样做是为了保证在信道阻塞干扰消失后，使所有车辆位置的更新时间最长不超过10秒钟。 3.3 中转台数据传输 在铁水运输过程中，车辆有时会进入钢结构的厂房内。为了使车辆在进入厂房内也能够将车辆的信息发送到中继站，因此，在厂房内设置了中转台。通信转发如图5所示。 中转台设有两台WIT915扩频通信机，一台通信机置于厂房内，另一台通信机置于厂房外。转发通信控制器通过厂房内的WIT915扩频通信机，接收厂房内的车辆发送的信息，然后通过厂房外的WIT915扩频通信机以CSMA的方式转发出去。通信控制器在转发数据时，要使厂房内的WIT915扩频通信机处于禁止接收数据状态，以防止厂房外WIT915扩频通信机转发的数据被厂房内WIT915扩频通信机收到，形成循环转发状态。 4 性能分析 在铁水动输动态监测系统中，车辆的运行速度最高不超过每小时15公里，即最快每秒运动4.1米（可按5米来估算）。车辆的位置每变化5米，发送一次更新的位置数据，则车辆的位置更新速率最快为每秒一次。车辆位置数据连同同步码和校验码在内一共为10个字符（每字符为八位二进制数）。若车载通信控制器以19200bps速率异步方式（一个起始位，一个停止位，八位数据）向中继站发送数据，所需时间为100/19200=5.2ms；若采用CSMA通信协议在同一信道中通信，在理想情况（不考虑眨时等待和碰撞）下，在一秒钟内可传送不同位置数据的车辆数为1000/5.2=192辆。若考虑延时等各种不利怦，按耗时增加一倍考虑，则在一秒钟内可传送不同位置数据的车辆数为192/2=96辆。因为中继站和中心站的数据交换速率为异步19200bps，因此，可以保证所有车辆的位置数据能够在一秒钟内传送到中心站。所以，所设计的无线通信网具有每秒实时传送更新96辆车信息的能力，达到了铁水运输动态监测系统能够管理85辆车的要求。由于采用CRC校验，整个系统的误码率达到10 -6以下，满足了车辆信息传输所需的误码率要求。 在铁水运输动态监测系统实际运行中，所有车载WIT915扩频通信机和中继站的WIT915扩频通信机都工作在同一信道中，车辆的位置能够及时得到更新，没有出现信道拥堵、车辆位置无法实时传送的现象，达到了设计目的。若管理的车辆数目增加，只需按中继站的通信范围，将中继站的WIT915扩频通信机设置到不同的信道，车载通信控制器则根据车辆的位置在不运动区域自动将车载WIT915扩频通信机的信道切换到与此区域中继站一致的信道上，即可使所管理车辆的数目成倍增加。