无线数传电台在自来水行业的应用设计

 　   0 引言
        在工业自动控制系统中，数据的传输是实现自控的基础，数据传输可以简单地分为有线(包括架设光缆或租用电话专线)和无线(分为建立专用无线数据传输系统或借用CDPD，GSM，CDMA等公用网络信息平台)两种方式。一般的自来水行业的取水泵站与净水厂都有一定的距离(一般为几公里到几十公里)，而中控室一般设在净水厂，因而要求取水泵站远程子站能够将采集其信号并及时传回中控室，同时将中控室的指令快速传给远程子站以实现取水泵站的自动控制。这就要求无线通信系统具有传输速率高、轮询时问短、响应时间快等特点。所以，实现取水泵站的自动控制必须建立可靠的无线数据传输系统。
        1 专用无线数传系统的整体结构
        图1所示是一个无线数传电台的整体结构图。现在国内大部分的遥控遥测电台都是用模拟调频对讲发信机(即车载电台)加MODEM芯片改制而成的。它不是专业的数字数据传输设备，而是工作于230 MHz/800 MHz数传业务频段和350 MHz/800 MHz集群业务频段的对讲机。这种方式在国外早已淘汰。用这种电台传输数据存在着可靠性差、性能指标低、误码率高、灵敏度低、无网管等缺点。如果数据传不回来或控制不能下达，它将无法判断是停电、电源坏、信号差、天线馈线不匹配、温度高还是PLC//RTU无数据。因此，在要求高速度、远距离、高可靠性的传输中，则应当采用本文给出的基于DSP (Digital SignalProcess-ing)等技术的数传电台。而美国MDS公司以及DATAIANC等厂家的设备，也具备这些功能。

        2 无线数传工作原理
        无线数传系统中上位机与模块间的通信是通过异步串口来完成的。在通信前，串口的数据帧格式(8个数据位或9个数据位)与速率应与模块一致。上位机与模块间的通信内容有两类，一类是数据，一类是命令。数据或命令可用DTR或DSR信号来区分。无论是上位机传给模块还是模块传给上位机的数据都采用无格式传送 (透明传送)。在使用中，一般用户不会涉及到模块间的数据传输控制及格式。但作为对模块的基本工作原理的了解，以及在时序要求较严的应用中，对模块间的传输格式以及传输中每一部分所占用的时间，都应有一定的了解。
        2.1 模块发送过程
        当模块收到上位机的数据后，模块先通过DTR线判断收到的数据是命令还是数据，若是命令则执行相应的命令;若是发送数据，则先将要发送的数据送到发送缓冲区，并同时将模块的状态由接收状态转换成发射状态，这个转换过程需要100 ms，状态转换完成后，再启动发送打包程序。发送打包程序的功能是将缓冲区的数据打包成适合无线发送的数据包，并将一些控制信令动态地插入到数据包中，然后将这个数据包的数据送到模块中的数据调制口，并按V23协议以FSK的调制方式发射出去。在这个过程中，所有的进程均是并行完成的。
        2.2 模块接收过程
        在接收状态下，接收机总是接收码流中的同步信息，一旦收到同步信息，将立刻进行位同步，获得位同步后，再进行码同步，码同步完成后，即可接收数据及控制信息。收到数据后，再按规定的串口帧格式传送给上位机。
        2.3 基本数传功能
        常见的数传模块的功能一般分为基本数传功能、扩展功能、高级扩展功能等三种。这里主要介绍实现基本数传功能的硬件连接方式。如果用TX表示设备端口上的数据发送(数据离开功能块)端子，用RX表示设备端口上的数据接收(数据进入功能块)端子，那么，设备A与设备B之间的串口连接方式如图2所示。

        如果将串口连线也看成一个两端口的设备，并对这两个端口的端子做标注，则两设备进行串口通讯的连接电路如图3所示，其中图3中间框内的串口连线可以看成一个两端口的设备。如果用无线数传模块替代串口连接线，则设备A与设备B之间的通信连接电路如图4所示。
        对比图3与图4可以看出，如果将两个无线模块组成的无线信道也看成是一个两端口的设备，则对设备A与设备B而言，串口通讯时有线连接与无线连接的端子的对应关系是一样的。
        3 组网设计和现场测试
        3.1 理论计算
        无线数传电台的通信距离、联通后的误码率大小和系统抗干扰及稳定性等指标，在理论上取决于传输视距和接收物强度等两个因素。
        对于视距传输而言，电波信号的传输根据工作波长(频段)的长短不同，具有地面波传输(长波)、电离层反射传输(短波)和空中传输(超短波、微波1三种方式。我国无线电管理部门将专用无线数据传输业务主要分配到200～240 MHz频段(另外还有800 MHz等频段)，这个频段的电波传播是通过空中进行的。由于地球曲率的影响、两个点(主站天线高度为H，远程站天线高度为h)之间最大可视距离D为：

        假设主站天线架设在办公楼顶(高约为100m)，远程站天线架设在平房顶上(高约4 m)，则：

        考虑到230 MHz电波具有一定的绕射能力。并假设天线理论最远可以通过50 km左右。因此，天线架设的相对高度是决定通信距离的第一因素。
        当接收场强电波从电台发出后，再经过馈线和天线，它将通过空中向远方传播。而当信号受到衰减并到达远端接收机时，其场强电平为：
        Pr=P1+G1+Gr-Lt-Lr-Lo
        式中，Pr为正常接收电平(dBm)，只为发信功率(dBm)，Gt、Gr为收发天线增益(dBm)，Lt、Lr为收发馈线损耗(dBm)，Lo为自由空间损耗(dBm)。其中自由空间损耗为Lo=32.45+201gf(MHz)+201gD(km)。其中f的单位为MHz，D的单位为km。
        电波信号到达接收机的场强不同，解调输出信号的信噪比亦会不同，从而会影响系统的判断而造成误码。如果场强太小，即使距离再近，接收机也接收不到。所以接收场强是决定通讯距离的第二因素。
        接收场强Pr与接收机的门限电平(即在BER小于10-6时接收机要求的场强电平值。不同的电台，该指标不同，一般为-11O dBm)的差距即为衰落储备。Pr与接收门限电平的差距越大，衰落储备应当越多，抗干扰能力越强，误码越少，一般要求衰落储备在20 dBm以上。
        3.2 实际侧试
        由于自来水系统的要求，一般取水泵站与净水厂都有一定的距离和高差，以便充分利用势能来输送水。因此，远程分站与主站的实际环境往往有山丘、建筑物、树木等。这种情况会以不同程度和方式影响信号的传输。故在工程设计前，必须进行现场信号传输和接收场强的测试(应准确到dBm)，以便根据现场环境和工作要求，确定主站和各远程子站电台的功能、天线类型、架设高度等参数，只有使上下信号具有足够的抗干扰能力，才能实现有效可靠的数据采集和控制。
        4 结束语
        本文提供了实现无线数据高效可靠传输的一种新途径。事实上，只要选用技术指标高、质量稳定可靠的无线数据传输产品，再通过现场测试来确定天线类型、架设高度和电台的功率，那么，用无线数传电台就一定能够实现高速率、高稳定、高可靠性的无线数据传输。