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吳杰1, 馮冬青2 （1合肥供水集團(tuán)，合肥，230011；2鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州，450002）

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(diǎn)。實(shí)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(shí)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(yùn)行可靠、維護(hù)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)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(jī)。用這種電臺傳輸數(shù)據(jù)確實(shí)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(jìn)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(tuán)應(yīng)用，效果很好。經(jīng)過一年多運(yùn)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(xiàng)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(shí)時傳送管網(wǎng)水壓運(yùn)行參數(shù)。（3）對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，并送入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存。（4）對過去的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析，并以報表、曲線等方式進(jìn)行顯示和分析。

3 數(shù)字電臺的特點(diǎn)及主要技術(shù)指標(biāo)
3.1 數(shù)字電臺的特點(diǎn)
(1) 采用了DSP技術(shù)，自適應(yīng)均衡，前向糾錯技術(shù)，速率達(dá)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(shí)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(shí)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)，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(qiáng)，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(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)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(hù)：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(jìn)入功能塊）的端子，GND表示地。

圖1 數(shù)傳系統(tǒng)組成
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(yàn)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(diǎn)對點(diǎn)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(jī)與終端之間的連接線用兩臺無線電臺替代。實(shí)際應(yīng)用中最常用的組網(wǎng)方式是點(diǎn)對多點(diǎn)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(bǔ)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。


圖2 點(diǎn)對多點(diǎn)通訊示意圖
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(diǎn)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?yàn)闊o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(dá)到分站，分站采集的數(shù)據(jù)通過中轉(zhuǎn)站回饋給主站。


圖3 中轉(zhuǎn)通訊示意圖

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(jī)和兩臺服務(wù)器。主計算機(jī)自動巡回監(jiān)測各測壓點(diǎn)的水壓[4]。對采集到的各子站數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、加工，并送到相應(yīng)主數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析，并以報表、曲線、文字等方式進(jìn)行顯示打印。主機(jī)管理兩&