数字电台在自来水管网监测调度系统中的应用

数字电台在自来水管网监测调度系统中的应用 吴杰1, 冯冬青2 （1合肥供水集团，合肥，230011; 2郑州大学电气工程学院，郑州，450002） 摘要：本文介绍了数字电台在自来水管网监测调度系统中的设计、安装和使用。数字电台利用数字信号处理、纠错编码和数字调制解调等技术，克服了模拟电台在使用中出现的丢失数据包头、误码率高以及通信经常中断等缺点。实际应用表明用数字电台代替模拟电台的方案可大大提高系统的通信的稳定性和可靠性，为管网压力监测系统提供了一种较好的选择方案。 关键词：数据采集;数字电台;数字信号处理;数据通信;管网监测调度系统 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 绪论 数传电台是无线数据传输电台的简称[1]。用无线数传电台方式实现远程数据采集、监视与控制，相对于架设专用电缆（或光缆）、租用电信专线等，具有造价低廉、施工快捷、运行可靠、维护简单、适应性强、扩展方便等优点。数传电台分为模拟数传电台和数字数传电台。现在国内大部分自来水公司的遥控遥测电台使用的是模拟数传电台。模拟数传电台价格便宜，应用较广。但是在实际应用中，它的通信很不稳定，经常丢失数据包头，误码率高，有时甚至造成通讯中断。分析其原因，模拟数传电台是用调频模拟车载电台加MODEM芯片改制的，不是专业的数据传输产品，而是工作于230MHz数传频段的对讲机。用这种电台传输数据确实不可靠，原因是有二个根本性的问题不能解决：PTT控制发射时延（100ms以上）带来前导数据字符丢失和调频静尾噪声带来的多余字符干扰，特别是在高速数据传输或收发转换快的应用中，如接PLC等，经常发生故障。针对上述问题，本文研究利用数字电台代替模拟电台进行远程传输，为解决上述问题提供了一个较好的选择方案。数字电台是数字式无线数据传输电台的简称。即采用数字信号处理、数字调制解调，具有前向纠错、均衡软判决等功能的无线数据传输电台。数字电台选用的是深圳华夏盛WDS系列产品，该系统已经在合肥供水集团应用，效果很好。经过一年多运行，没有发现任何故障。 2 无线数传系统的设计要求 自来水调度部门对无线数传系统提出了下列四项要求:：（1）自动巡检多子站的水压数据。（2）向水司调度中心实时传送管网水压运行参数。（3）对采集的数据进行加工，并送入相应的数据库进行保存。（4）对过去的数据进行统计、分析，并以报表、曲线等方式进行显示和分析。 3 数字电台的特点及主要技术指标 3.1 数字电台的特点 (1) 采用了DSP技术，自适应均衡，前向纠错技术，速率达到19200bps。电台在工作稳定性、传输可靠性、抗干扰性、传输速率和传输距离远远超过模拟数传电台。 (2) 无线系统的安装实施快,投资见效快。电台无需特别编程设置,任何常见异步通信协议都可以使用。 (3) 适宜在恶劣的环境条件下使用。电台要求温度、电源工作范围宽，尤其是在干扰严重,传输路径阻挡的环境下表现优异。 (4) 具备网管功能:实现空中远程设置系统内其它电台参数如串口格式、发射功率、工作频率等，也可以实现空中远程监测系统内其它电台状态如工作电压、工作温度、接收信号强度、信噪比、误码率、状态告警等。 3.2 数字电台技术指标 1、工作频段[2]：130~174MHz(1710型)/220~240MHz(2710型)/330~512MHz(4710型)/800~960MHz(9710型)/2.4~2.4835GHz(24810 型)。频段选择原则是：低频段绕射能力强，通讯距离远，如果频率允许的话，尽量选择低频段产品；高频段抗干扰能力强，绕射能力弱，适宜电磁干扰复杂而较平坦的地区。当低频段较拥挤时，选择高频段。 2、系统结构：支持点对点或点对多点传输，一级或多级中继组网。 3、工作方式：支持单工,半双工,全双工等方式,话音和数据兼容,提供对讲通话。 4、传输距离：50公里以上(开阔无阻挡)。 5、传输速率：19200bps。 6、物理接口：标准EIA-232，通信速率可从300到38400bps可调，完全透明传输，无需RTS、CTS等流控信号，无需专用的通信软件。 7、调制方式：CPFSK。 8、信道间隔：12.5KHz/25KHz。 9、发射功率：100mW~5W连续可调/25W选配。 10、误码灵敏度：-111dBm以上（误码率BER≤10E-6）。 11、收发转换时间：3ms。 12、休眠电流：小于18mA。 13、频率稳定度：±1.5ppm。 14、状态和错误指示：LED状态指示，包括电源，载波，发射数据，接收数据和各种故障报警。 15、短路保护：有。 16、工作温度：-30℃~+60℃，工作时：-40℃~+70℃。 17、相对湿度：95%，40℃，无冷凝。 18、供电方式：电台工作时电压为10.5~16VDC,发射电流为1.5A,接收电流为125mA。 19、尺寸:5.08*14.29*18.4CM。 20、重量:约1公斤。 21、提供电台参数设置软件和网管软件。 4 无线数传系统组成 本系统由远端数据采集终端（RTU）、无线通讯电台和监测调度中心三个部分组成。其组成框图如图1所示。图中TXD表示数据发送（数据离开功能块）的端子，RXD表示数据接收（数据进入功能块）的端子，GND表示地。 图1 数传系统组成 数字电台为无线数据传输提供双向透明通道,电台一般为标准RS232接口，支持300~38400bps速率，可以设置各种校验方式和数据长度的异步格式。对于新使用的电台,一般只需设置收发频率、发射功率及串口速率。 5 无线数据传输的组网方式 本系统的通讯原则是主站通信覆盖范围以内的采用主站直接与从站通信，即点对点通信方式，这是最基本的通讯方式，如图1所示，相当于将一条上位机与终端之间的连接线用两台无线电台替代。实际应用中最常用的组网方式是点对多点组网方式，如图2所示，主站以轮询（Polling）方式依次向RTU1,RTU2,……发命令。RTU接收到命令后开始采集数据，数据采集结束后，立即把数据发向主站。主站以轮询方式接收来自RTU的数据。当时间超过某设定时间后，RTU仍未收到主站命令，RTU自动将采集到的数据存放于自身的存储器中，以便以后补采。由于存储器容量不大，所以数据存放时间有限，一般不超过七天。 图2 点对多点通讯示意图 需要说明的是，主站使用轮循方式时，轮循周期T（秒）或系统容量N（个）取决于单点的数据量D(bit)、电台传输速率S(b/s)和电台收发转换时间t(秒)，它们之间有如下关系： T≈N*（D/S+t） 在本系统的设计过程中，还采用了一种组网方式即中转（一级或多级）。这是因为无线电波的传播基本为直线传播，低频段有一定绕射能力。电波在传播过程中会引起损耗，在无阻挡情况下，主要是自由空间的传播损耗，但通信路径上有障碍物时，还会引起阻挡损耗，严重阻挡时（如遇山脉或天线附近有高大建筑物），接收端将无法正常接收，所以应尽量避免在山丘和高大建筑物背后设站；如遇该情况，可采用中转方法解决，如图3所示。在这种通讯方式中，中转站起到桥梁沟通的作用，主站命令通过中转站传达到分站，分站采集的数据通过中转站回馈给主站。 图3 中转通讯示意图 6 天线 对于数传电台通信来说，天线的选择和安装显得尤为重要[3]。主站为全向天线，以覆盖各方向分布的子站。子站为定向天线，对准主站天线。通过计算确定中心站和各远方站天线高度。确定适当的天线高度就是要保证中心站对各远方站有良好的通信效果。最理想的情况是，收发之间直视传输，但站距较长或有障碍物的站段，势必存在困难，那就要通过测试和计算来确定最佳天线高度。做到既节省建设投资，又满足传输要求。一般情况下，应力求不在负余隙情况下传输，但特殊站段，传输受障碍物轻度阻挡也可允许，原则是保证足够的收信电平。 7 中心调度室设备配置及功能 中心调度室是本系统的关键部位，它包括一台主计算机和两台服务器。主计算机自动巡回监测各测压点的水压[4]。对采集到的各子站数据进行整理、加工，并送到相应主数据库进行保存，对数据进行统计、分析，并以报表、曲线、文字等方式进行显示打印。主机管理两台服务器，其中一台显示各个点被测参数，比如管网压力等。另一台以地图方式显示各个测压点的地理位置及工作状态。 8 电台软件和附件 为安装调试方便，深圳华<