中控技术论坛
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无线测控系统通信平台的发展趋势
工业无线技术是继现场总线之后，工业控制系统领域的又一热点技术，是降低工业测控系统成本、提高工业测控系统应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。工业无线技术是一种将工业现场的数据通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享的一种技术。它为实现工厂内部设备之间和工厂内部设备与外部设备之间的通讯提供了无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足。
从上世纪80年代就开始普及的数传电台应用，到近几年以802.11b/g、ZigBee等为代表的短距离无线通讯技术以及以GSM/GPRS/CDMA等为代表的远距离无线传输技术正得到广泛应用。以3G和Wi-Fi/WiMAX为代表的新一代无线通信技术在中国逐步兴起，市场规模迅速扩大，产业链雏形初现，领域内的竞争也相继展开。借此契机，无线测控系统在工业领域的应用将具有更广阔的前景。
目前，国内外对应用无线通信技术和Internet
技术的测控系统研究正进行得如火如荼，许多企业与机构都推出了自己的产品。其中，最为完备的工业无线测控系统是由美国海军提出的整体解决方案，如图1所示。该方案是为了提高战舰的自动化水平而提出，开发完成的无线测控系统采用了IEEE
1451标准，实现了对海军装备的性能状态进行实时监控，实现系统的快速重装配。该解决方案中，现场信号的采集、传输与控制是通过局域无线通信技术完成，而数据的处理与应用则通过广域无线通信技术完成[1]。
图1 美国海军基于无线测控的CBM系统
而国内亦已经展开了基于公众移动数据通信网平台的应用研究[2]，然而目前大部分此类系统还仅仅是一种非平台的分散的特殊应用的一些尝试，尤其是通信模式与协议无统一标准。当前国际上可用于远程传输的主要有以下几种：小型大功率无线电台、扩频通信、低压电力线载波、公用电话网络、因特网、GPRS、CDMA
1X等技术。其中前四个由于受到通信速率、误码率等诸多方面的限制，并不十分适用于工业无线网络测控系统的数据远程传送。利用现有的Internet设施进行网络化测控，不但可以降低成本，而且可以方便实时地监测和控制终端设备的工作。GPRS(General
Packet Radio Service)通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS传输速率可达171Kb/s，传输可靠性高，基于IP协议可以访问整个Internet[3]。比如文献[3]实现的石油测井实时远程监控系统，就同时使用了GPRS网络和Internet进行数据传送。CDMA
1X原意是指CDMA
2000的第一阶段（速率高于IS-95，低于2Mb/s），可支持308Kb/s的数据传输，网络部份引入分组交换，可支持移动IP业务，与GPRS无线网络接入相当。
在系统方面，传统的以单片机为核心的无线测控系统图形处理能力比较差，不能满足工业监控对数据处理的实时性和高效性[4]。近年来，以PC104为代表的工控机作为主控机的无线测控系统虽然可以组成大型的监控网络，但硬件系统可靠性比较差，功耗较大，移动性、抗震防尘能力比较差，对环境要求也较高。
随着以低功耗、高性能著称的32位ARM微处理器的普及与推广，以ARM控制器为核心的嵌入式无线控制系统已替代PC104工控机，组成大型的网络监控系统，其存储容量和运算速度足以满足网络通讯的要求，同时也满足工业监控系统的可靠性、实时性、抗干扰性。
目前，数传电台已基本被GSM/GPRS、CDMA等公用无线通信平台所代替，并在工业领域得以充分发展，利用嵌入式技术和工业监控技术提供新服务适用于大区域无线分布式数据双向传输，集测、控于一体的工业级设备，它具有良好的适应性和稳定性，支持复杂的数据采集和简单逻辑控制，也可以实现本地控制、远程遥控等多种控制功能，是地域分散的设备、小型装置、测控点的理想选择，在石油化工、环境治理、火灾报警、水务处理、智能交通、电力调度、市政调度等领域有着广泛的应用。
然而，工业无线通信更加注重高可靠性、实时性、安全性的要求，例如在工厂复杂的RF环境下，要求可靠传输率&95%，能在恶劣的工业环境下（EMI、多径、衰变等）正常工作，能与现场中同时存在Wi-Fi、RFID、对讲机、手机、寻呼机、无线远程控制和其他无线数据网络共存，有抗拒数据传输阻塞的能力，单点故障不致对整个网络产生影响；数据传输类应用有更严格的延迟要求，用于现场设备要求延迟不大于10ms，用于运动控制不大于1ms，对于周期性的控制通信，使延迟时间的波动减至最小，在监控类系统中需要传输实时图像、实时音频，系统需内嵌图像误别技术等等，GPRS/GSM、CDMA通信带宽将无法满足要求，无线系统的通信处理势必向Wi-Fi/WiMAX或者3G方面发展。
3G是英文3rd Generation的缩写，指第三代移动通信技术。相对第一代模拟制式手机(1G)和第二代GSM、TDMA等数字手机(2G)，第三代手机是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供如WEB浏览、电话会议等多种信息服务。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持足够快的数据传输，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps、384kbps以及144kbps的传输速度。
3G是支持高速无线通信的ITU规范，这一遍布全球的无线连接与GSM、TDMA和CDMA相兼容。3G蜂窝服务能够为语音和数据提供一个远程无线接入范围。全球的运营商将在城镇、郊区和乡村等地区部署3G网络基础设施,从而创建更广泛的数据接入范围，为语音通信和互联网连接等数据业务提供最理想服务。
WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave
Access)是一项新兴技术，能够在比Wi-Fi更广阔的地域范围内提供“最后一公里”宽带连接性，由此支持企业客户享受T1类服务以及居民用户拥有相当于线缆/DSL的访问能力。凭借其在任意地点的1～6英里覆盖范围（取决于多种因素），WiMAX将可以为高速数据应用提供更出色的移动性。此外，凭借这种覆盖范围和高吞吐率，WiMAX还能够提供为电信基础设施、企业园区和Wi-Fi热点提供回程。802.16是由IEEE
802开发的无线接入技术空中接口标准，具有代表性的标准包括802.16d固定无线接入和802.16e移动无线接入标准。按照目前的技术发展情况，802.16d主要定位于企业用户，提供长距离传输的手段，而802.16e的用户群则定位于个人用户，支持用户在移动状态下宽带接入网络。
然而，对于GPRS、CDMA1x等技术而言，上下链路数据业务的对称性是Wi-Fi的一个明显优势。对于3G室内的2Mbit数据速率，Wi-Fi也具有绝对的优势，它目前采用的是802.11b标准，理论数据速率可达11Mbit，实际的物理层数据速率支持l、2、5.5、11Mbit等可以调节，覆盖范围为100-300m。随着802.11g/a、802.16e、802.11i、WiMAX等技术、协议标准的制定和完善，Wi-Fi正在进入一个快速发展的阶段。其中，作为802.11b发展的后继标准802.16，已经在2003年1月正式获得批准，虽然它采用了与802.11b不同的频段(10-66GHz)，但是作为一项无线城域网(WMAN)技术，它可以和802.11b/g/a无线接入热点互为补充，构筑一个完全覆盖城域的宽带无线技术。Wi-Fi/WiMAX作为Cable和DSL的无线扩展技术，它的移动性与灵活性为移动用户提供了真正的无线宽带接入服务，实现了对传统宽带接入技术的带宽特性和QoS服务质量的延伸。
对于Wi-Fi技术而言，漫游、切换、安全、干扰等方面都是运营商组网时需考虑的重点。随着骨干传输网容量和传输速率的提高，无论采用平面或者两层的架构都不会影响到用户的宽带快速接入；随着IAPP以及Mobile
IP技术的完善、IPv6的发展也可以最终解决漫游和切换的问题；802.11i标准的产生将提供更多的包括WPA2、多媒体认证等安全策略；不断成熟的组网方案和干扰预检测机制都可以减少频率资源开发带来的干扰。
Wi-Fi/WiMAX的市场目标是成为宽带无线接入城域网技术，基本目标是要提供一种城域网领域点对多点的多厂商环境下可有效地操作的宽带无线接入手段，以实现满足3G标准的以无线广域网WWAN为基本模式、以公众语音及多媒体数据为内容、在全球范围内漫游的个人手机终端的基本市场定位。Wi-Fi/WiMAX也可以作为3G无线广域/城域、多点基站互联支持手段的补充。
通信平台的发展，将会使Wi-Fi/WiMAX和3G技术的互补共存、共同发展，主要表现在以下几个方面：
(1) 基于全IP的网络架构：
不管是现在商用的还是正在试验的(CDMA2000/ WCDMA
R99/R4/TD-SCDMA)3G标准都不是基于全IP的网络，比如CDMA2000是基于ANSI-41;WCDMA
99/TD-SCDMA是基于传统的GSM-MAP、R4软交换的承载和控制分离方式，而直到R5引入了IMS才实现全IP的核心网。显然全IP的核心网络也是3G发展的方向，采用基于全IP的核心网不但可以与无线接入方式独立地发展，还可以支持包括Wi-Fi/WiMAX、WCDMA、Bluetooth等多种无线接入方式。在3G的R6中已经开始把WLAN和3G一同考虑了。
(2) 共用开放的业务平台和运营支撑系统：
Wi-Fi/WiMAX和3G不同的承载特性(吞吐量、延时、QoS、对称性等)为用户享受语音、数据、多媒体业务提供更多的接入方式选择；它们可通过共用开放的业务平台融合不同的业务引擎实现网络间互通；根据网络服务区内的性能，用户可以手工或者自动选择接入那个网络；同时支持WLAN和3G网络的运营支撑系统，可以对双网实现统一的运营管理、计费、甚至用户身份认证，最大限度降低网络建设、维护成本。
(3) Wi-Fi/WiMAX和3G应用的互补：
两种网络技术在移动通信技术发展中将局部融合，各自发挥优势，互补趋势集中体现在以下几个方面：
语音和VoWLAN相对于满足大话务量、多用户数的3G技术，基于IP技术的WLAN网络更适合开展广播式语音业务（PTT、多方会议、长途通话、广告发布等）。
广域覆盖和区域覆盖下的数据业务，相对于3G技术覆盖范围大、快速移动时仍能保持144kbit的数据速率的特点，WLAN技术在特定区域内满足用户高速数据传输的需求具有绝对优势。
无线信道资源的利用：3G分配的频率资源是有限的，而数据业务对信道的占用率极高，影响其同时接入的语音用户数量。如果规划特定区域（比如商业中心人群密集区）内把数据业务转移到Wi-Fi/WiMAX的公共数据通道无疑将大大提高3G无线网络资源利用率。
手持终端和Laptop/PDA结合：传输数据速率高、Always On
Line和低使用费的Laptop/PDA可以满足商业用户大信息量的需求――携带更为方便、小巧的3G手持终端可以满足个人用户对快速消息的需求。
工业控制领域中控制系统的无线网络化适应无线网络发展的要求，欧洲开始部署城域WLAN网络，北美城域WLAN网络的商用化。由此，可以预见随着国内Wi-Fi/WiMAX的发展与应用和3G网络的部署，Wi-Fi/WiMAX与3G双模技术将会在不久的将来在工业自动化控制领域得到广泛应用。
参考文献：
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无线测控终端系统设计与实现
浙江中控软件技术有限公司& 柳 松
摘& 要：针对当前工业监控系统部署困难、跨平台性差、抗干扰性不强、管理和维护升级成本高等问题，设计实现了一种基于ARM-Linux的嵌入式无线测控终端，该系统由嵌入式硬件部分、嵌入式软件和上位机系统管理软件三部分组成。该系统具有运行稳定可靠，具备完善的维护功能和强大的集成能力。
关键词：无线工业监控&
ARM-Linux& 上位机& 下位机
目前，环境保护已经成为全社会关心的问题，尤其对工业环境的监控更是国家所关心的问题。随着信息化的进一步发展，价格低、性能稳定、实时性强、功耗低、可靠性高、适应性强、良好的人机界面等成为目前工控领域的发展方向[1]。传统的以单片机为核心的控制系统图形处理能力比较差，不能满足工业监控对数据处理的实时性和高效性[2]。现在的工控机虽然可以组成大型的网络监控系统，但体积比较大，在现场不易安装和维护，移动性、抗震防尘能力比较差，对环境要求也比较高。随着32位ARM内核高性能微处理器的推广，其存储容量和运算速度能够满足网络通讯的要求，同时也满足工业监控系统的实时性和抗干扰性要求。嵌入式技术引入工控领域除可以解决上述问题外，还可为开发者提供大量的工具和函数库，利用应用软件开发工具实现数据的采集、分析和显示，而且可以非常容易地对系统进行升级和功能扩展，从而减少了传统的客户端和二次开发的工作量。故利用嵌入式技术和工业监控技术开发一种一体化的工业测控终端设备不仅能适应市场需求，而且也是工业监控领域的一个发展趋势。本系统主要应用于石油、煤炭、化工行业的数据、图像的实时无线远程遥测、遥控、数据采集、数据监控、数据分析、管理自动化，以及分散业务单元的无线带宽网络，环保、水文等行业的数据检测、数据采集、数据传输等。
嵌入式无线测控终端是由硬件和软件两大部分组成的，前者是整个系统的物理基础，它提供软件运行平台和通信接口，后者实际控制系统的运行。
嵌入式硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择，在一个系统中使用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需求、成本问题、开发的难易程度等因素。
嵌入式微处理器有许多流行的处理器核，芯片厂家一般都基于这些处理器核生产不同型号的芯片。表1中列出了几种常见的嵌入式处理器内核的特征。
表1 常见的嵌入式微处理器
根据工业控制应用的需求核算成本，本设计决定采用ARM微处理器。ARM微处理器目前有五个系列：ARM7、ARM9、ARM10E、ARM11和SecurCore。ARM9是低功耗的32位核，最适合应用于对功耗敏感的产品。ARM9又有应用于实时环境的CACHE，而且ARM920带内存管理单元(MMU)。为此，
ARM920适合于我们的开发方案。
确定了使用哪种嵌入式处理器的内核之后，接下来就是结合实际情况，根据系统外围设备的需求，选择一款合适的处理器。通常考虑系统外围设备的思路如下：
总线的需求，是否有通用串行接口，是否需要USB总线，是否有Ethernet接口，系统内部是否需要I2C总线、SPI总线、外设接口，系统是否需要A/D或者D/A转换器，系统是否需要I/O控制接口，另外处理器是否容易调试，成本易用性等相关的信息。在实际过程中，挑选最好的硬件是一项复杂的工作，包括其它工程的影响以及缺乏完整和准确的信息等。根据工业监控应用的实际需求，最后确定选用ATMEL公司推出的主要针对工业控制的以ARM920T内核的低功耗、高性能的CPU处理器AT91RM9200。
在嵌入式系统的开发中，嵌入式软件是实现各种系统功能的关键，也是计算机技术最活跃的研究方向之一。在进行软件开发之前，必须走好实时操作系统选型这关键的一步。
不同应用对嵌入式软件系统有不同的要求，并且随着计算机技术的发展，这些要求也在不断变化。通常应用系统对嵌入式软件的基本要求是体积小、执行速度快、具有较好的可裁剪性和可移植性。
嵌入式系统覆盖面很广，从简单到复杂程度很高的系统都有，这主要是由具体应用要求决定的。简单的嵌入式系统根本没有操作系统，而只是一个控制循环。但是当系统变得越来越复杂时，就需要一个嵌入式操作系统来支持，否则应用软件就会变得过于复杂，使开发难度过大，安全性和可靠性都难以保证。
目前嵌入式操作系统有多种，如何选择一款既能满足应用需求，性能价格比又能达到最佳的实时操作系统是开发中的关键。嵌入式操作系统的选择主要从以下几个方面考虑：
可移植性：可移植性即操作系统相关性，当进行嵌入式软件开发时，可移植性是要重点考虑的问题。因为具有良好可移植性的软件可以在不同平台、不同系统上运行，跟操作系统无关。软件的通用性和软件的性能通常是矛盾的。很难设想开发一个嵌入式软件仅能在某一特定的环境下应用，如果换了一个环境或者处理器平台，整个软件就要重新设计，这往往是设计者不能接受的。
开发工具的支持程度：一个工程师选择实时操作系统时必须考虑与之相关的开发工具，在线仿真器、编译器、汇编器、连接器等系统的工作要求都不同程度影响着操作系统的选择。
(3) 应用对RTOS性能的要求：有些实时操作系统的代码尺寸只有几KB，这样可以大大节省系统的内存空间，对于成本敏感的嵌入式应用，这是非常重要的，但是选用小尺寸的操作系统的前提条件是，一定要满足系统的应用需求。所以在了解一个内核要求的最小存储空间时，很重要的一点就是要了解这个内核中包括了什么，最小的内核经常是仅仅支持很少的特性，而典型的配置可能产生大得多的内核。
考虑了上述各种因素以后，通常我们都可以找到一个适合自己的嵌入式实时操作系统。但是现在市场上的商用型实时系统的费用都比较高，考虑到成本问题，我们最后决定采用ARM-Linux嵌入式操作系统。
本文中的系统由若干个WNC-201型一体化无线测控终端和无线测控终端管理系统软件两部分组成，组态网络如下图所示：
图1 嵌入式监控系统整体框图
WNC-201型一体化无线测控终端采用模块结构化设计，支持CDMA/GPRS通讯方式，具有稳定可靠的无线远程通讯能力，实时的图像监控能力，丰富的操作指令，安全可靠的现场安装性。庄重典雅的外观设计、优良的功能体现、可靠的硬件品质、精湛的制造工艺，为广大用户提供更高的性能价格比。
无线测控终端管理系统软件界面简洁美观，支持完整的无线测控终端组态功能，并对无线测控终端进行配置，实现无线实时的基本数据、视频监控，实时记录，支持历史视频的管理和回放功能，并通过WNC-STUDIO平台，实现无线测控终端组态信息的下传和上传，支持对无线测控终端的控制功能，实现指令列表，方便组态反控，包括设备起停和无线视频的起停等。
WNC-201型一体化监控系统硬件部分主要由EIC-2001型工业以太网控制器（CPU模块、控制模块）、CDMA无线路由器、电源模块、接口模块以及网络摄像机组成。如图2所示：
图2 嵌入式监控系统硬件设计框图
WNC-201型一体化无线测控终端的主控制器是一款采用ARM微处理器技术设计、具有标准网络配置以及具备无线通信(CDMA/GPRS)连接功能、模拟量输入以及数字IO输入输出的一体化控制器，它采用32位RISC指令的体积小、低功耗、低成本、高性能的ARM处理器作为CPU，并配备Linux嵌入式操作系统。具有多串口通信功能，COM1与COM2为可跳线配置RS232/RS485/422串行通信接口模式，支持Modbus-RTU/ASCII、ADAM-ASCII等现场总线协议，支持2路10/100Base-T自适应RJ45接口，内置实时时钟，支持CF数据存储，支持无线远程维护功能。
5.1 上位机系统软件设计
无线测控终端管理系统实现软件配置，并监控以ARM为硬件平台的WNC-201型一体化无线测控终端、服务端管理、数据采集、数据处理、数据传输等任务，确保系统安全可靠。
WNCServer系统是针对WNC-201型无线测控终端开发的服务管理系统。为使系统具有很强的可扩展性、可维护性以及稳定性，系统采用转换层总线型、单内核模型，
系统主要分为如下图3所示的几个核心部分：
图3 上位机管理软件设计框图
网络服务层主要负责与下位机间网络通讯，实现WNC协议，管理所有的下位机和一般位号。转换层主要实现插件管理功能，通过转换插件对特殊位号进行转换，为应用软件提供统一的读、写位号接口。转换层组态软件是根据需要实现对本地应用位号进行组态的特殊软件，该软件伴随着WNCServer系统的应用领域扩充。使用转换层提供的位号访问接口，实现特有的应用程序功能，例如：OPC服务器、虚拟232等。WNCConsole组态软件主要负责管理所有的下位机，实现对下位机的组态功能。
5.2 下位机嵌入式软件设计
嵌入式无线监控系统的下位机软件部分设计基于ARM-Linux平台，采用多层软件结构进行设计，分为用户表示层、数据接口层、数据组织层、设备虚拟层、设备层五层。层与层之间有明确的接口定义：用户层用于提供一个人机交互的接口，将数据和图像发送到上位机，便于操作人员对设备的监控和操作；数据接口层用于为数据提供一个通道，保证数据的上下交互；数据组织层用于将来自设备的数据组织成规范的标准数据，便于上位机的进一步使用；设备虚拟层用于采集设备数据，执行具体业务逻辑的操作和运算，在这层中针对不同的设备采用不同的协议；设备层用于硬件连接各种仪表和现场设备。系统总体设计中的难点是将业务层与数据分离，以及数据的组织形式，即协议的制定和数据的抽象输出接口的制定。
图4 嵌入式监控系统下位机软件系统架构
下位机嵌入式软件主要分为以下功能组件，WNC通信接口组件、MODBUS数据采集组件、PIC图像采集组件、DATABASE数据库组件等。其中WNC通讯模块主要完成Socket通信，解析上传数据的功能；MODBUS模块实现数据采集、上传和设备配置功能；PIC模块完成图像采集控制云台功能。MONITER模块监视各个模块运行状态，接收各个模块的消息，完成Watchdog的控制；历史数据存储与查询，主动扫描共享内存表，根据刷新记录标志，将数据实时保存到数据库，接收SQL命令处理并返回，进行数据库管理；透传模块连接无标准协议的设备，建立平台与设备间的连接，完成数据上传的功能。
传输带宽有限：现场一次仪表数据和现场图像通过同一条线路传输到服务器，相对于现在多数的工业监控系统采用数据和图像分开的方式，节约了传输带宽，降低了设备的运营成本。
(2) 图像数据不稳定：本系统通过对不同类型的数据加不同的校验码，从而克服了数据和图像通过一条线路传输的数据混乱问题。
(3) 大量数据存储：采用嵌入式数据库解决了在实际应用中嵌入式系统存储空间有限，需要保存现场设备的大量数据的问题。
代码重用：为提高代码的重用性，采用一系列的插件、管道插件、共享内存插件、数据库插件、时钟插件等创建一个动态链接库的形式，在各个组件的主程序中调用实现相应的功能。
本文中设计的无线测控系统是一个集嵌入式开发技术、ARM微处理器技术、远程监控技术于一身的测控系统，涵盖了嵌入式无线测控系统的主要功能，实现了监控系统与测量系统之间数据的无线传输，经济、快速、可靠，在现场环境复杂的工业场合，能够得到很好的应用。软件体系结构设计较为灵活，有良好的可升级性，组件更新时系统的软件体系结构无需做任何变动。本产品在实际项目中已得到很好的应用。
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IEEE 802.15.4在工控领域应用
的可靠性研究
浙江中控技术股份有限公司&
谭 平& 章 涵& 许剑新& 冀翔宇
近年来，无线网络成为工控领域中迅速发展的热点，也是工业自动化产品未来的新增长点。在配置、安装、修改和扩展等方面，无线网络的成本都低于有线网络。
802.15.4的无线通信技术主要应用于相对短程的信息传输，可以实现无线设备之间的自组网，它不像无线局域网需要基础设施（如基站、AP等）。因此，与其他的无线通信技术相比，具有复杂度低、布线成本极低、功耗很小的特点，在工业控制领域中的应用越来越广。与其他无线通信技术一样，IEEE
802.15.4无线通信技术的无线介质不像有线介质那样处在一种受保护的环境下。因此，在传输过程中，它常常会遇到衰变、易受干扰以及信息安全受威胁较大等问题。
无线信号，也即电磁波，在空中的传播类似于光的传播，根据空间环境的不同，会发生直线传播、反射、衍射和散射。信号经过反射后，接收端会收到多个功率减弱、经过时延及相位改变的额外复制信号；经过衍射，处于障碍物之后的接收端仍可接收到信号，虽然信号的强度和相位发生变化，且经过时延；无线通信信号散射后，会向各个方向传播，但总体而言经过散射的信号能量仍比前两者要强。根据无线信号在空间传输的机理，即使是在自由空间的传输，经过一段距离之后，也必然会有信号的功率衰减，影响功率衰减的因素见表1。
表1 影响功率衰减的因素
无线网络的另外一个焦点问题就是干扰。干扰是影响无线网络容量的一个主要的因素，主要表现为通道间的串扰以及数据传输的阻塞。这里的干扰主要是指处在同一频段的各种空间信号的干扰。干扰源分为两大类，一类是不同频率的相邻通道干扰源，例如IEEE
802.15.4的相邻信道，15信道对16信道的干扰；另外一类是不同子网或其他类型网络的同一频率的通道干扰源，例如IEEE
802.15.4的通信网络与处于同一频段的IEEE 802.11b/g网络之间，或者相隔一定距离，但采用同一信道的两个IEEE
802.15.4的子网之间的干扰。对于长期存在强电磁场覆盖的空间环境，以及具有覆盖整个无线通信频段的白噪声空间，如变频器附近、大型电机附近、存在恶意攻击信号的环境等等，将对无线通信质量产生较大的负面影响。在这样的场合无线通信技术的适用性较差，即使是有线通信经过屏蔽等特殊处理措施，也不一定能够保证正常通信。
IEEE 802.15.4物理层采用直序扩频系统，即用伪随机噪声(PN)脉冲序列去调制要发送的窄带信息载波信号。每1bit被扩频至32个码片的PN序列，如表2所示，由于PN序列的脉冲频率（即chip rate）远高于信息的速率（即symbol
rate），调制的结果便实现了扩频。扩频量与处理增益（即chip rate/symbol rate的比率）有关。它是与系统的抗干扰和抗多径时延扩展性能相关的参数。处理增益越大，抗干扰和抗多径时延干扰的能力越强。
表2 位0(0bit)扩频之后的PN序列示例
工作在2.4GHz频段的IEEE
802.15.4的扩频量处理增益为32，远高于其他的无线通信技术（例如IEEE 802.11的处理增益为11），因而基于IEEE
802.15.4的无线通信技术具有较高的抗干扰与多径时延干扰的能力。
802.15.4使用频段有2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段以及美国的915MHz频段，低于1GHz的信道采用了BPSK的调制方式，工作的2.4GHz频段的信道则采用O-QPSK的调制方式。通过PSK的调制方式产生的无线信号，具有很强的抗干扰能力，即使在信号很弱，干扰很强的环境中，有效信号也能够被恢复出来。实验证明，IEEE
802.15.4误码率（特别是在信噪比为4dB的情况下）可达到10-9。达到同样误码率，802.15.1信噪比是15dB，802.11b是10dB，如图1所示。这就使得在干扰噪声较大的环境中，基于IEEE
802.15.4的设备与其他的无线设备相比有更高的鲁棒性，更强的抗干扰能力以及更高的可靠性。
图1 各种不同无线通信技术的信噪比与误码率关系对比图
基于IEEE 802.15.4的无线通信技术，在MAC层采用了ARQ、AES-128加密算法，该算法用128位的块长度予以参数化，密钥长度选择为128位，从自身角度提高了无线传输的安全性。IEEE
802.15.4的无线通信技术是物理层和MAC层的规范，在具体的应用过程中，我们还可以从用户层进行安全设计，或者设计独立的安全层来进一步保证通信的安全性。
基于ISM 2.4GHz频段的典型无线技术标准有蓝牙(Bluetooth)、IEEE
802.15.4、无线USB(WirelessUSB)、无线局域网Wi-Fi(IEEE 802.1b/g)等。在人们享受方便快捷的时候，这些技术的兼容问题日益凸现。由于这些技术均选择了2.4GHz(2.405～2.483GHz)ISM频段，再加上无绳电话和微波炉等干扰源，就使得该频段日益拥挤，各种信号带宽见图2所示。在工业控制领域采用IEEE
802.15.4的无线通信技术，就是要解决基于2.4GHz频段的干扰和共存性问题。这个问题包括两个方面，一方面是如何提高自身的抗干扰能力，另一方面是如何减少对其他设备的干扰。
图2 2.4G频段信号带宽图
IEEE 802.15.4的底层标准把2.4GHz的ISM频段划分为16个信道，每个信道带宽为2MHz，如图3所示。
Wi-Fi（北美）将该频段划分为信道1、信道6和信道11，系统可选定其中任一信道进行通信，信道带宽为22MHz，无重叠的信道有15、20、25、26。
图3 信道分布图
从图3我们可以看到，IEEE
802.15.4的15、20、25、26通道没有与802.11（北美地区）的频段重叠，该通道本身受干扰或者干扰其他设备的概率很小，因而如果使用这些通道，我们可以用其进行设备的查询和发现操作，而对于重叠的部分如何使用，我们可以采用分时跳频策略，如图4所示。
图4 混合调度分时跳频示意图
采用分时跳频策略可以保证即使在某些信道被长期占用或者某些信道被干扰的情况下，仍可以跳开这些信道，避开干扰，利用其他的信道进行数据发送；与此同时，采用跳频技术使得基于IEEE
802.15.4无线通信技术的设备不会长期占用某一信道，从而不影响其他设备使用该信道。所以，设计合理的跳频顺序和跳频时间间隔，采用跳频策略对提高无线系统的可靠性、与其他无线设备的共存性有着非常积极的意义。
无线通信技术有很多的优点，在工业控制领域和流程工业领域将会有很广阔的前景。但将无线技术在工业控制，特别是流程工业中进行规模化应用，除了可靠性技术外，还需要研究流程工业的特点与需求，解决无线通信技术在流程工业中应用的关键问题，如确定性通信与实时通信技术、网络可靠性技术、可靠的时间同步技术、安全技术、低功耗技术、安装覆盖技术，从而形成无线通信技术在流程工业中应用的解决方案。&
GPRS在远程监控中的运用特点
浙江中控技术股份有限公司& 赵 旦& 刘 俊
GPRS(General Packet Radio
Service)是通用分组无线业务的简称。传统的GSM网络采用线路交换的方式，主要应用于语音业务。互联网上的数据则采用分组交换的方式。由于这两种网络具有不同的交换体系，导致彼此间的网络几乎是独立运行。为了改变这种现状，GPRS应运而生。通过GPRS技术，可使现有GSM网络轻易地实现与高速数据分组的简便接入。GPRS是GSM向3G过渡的产物，被认为是2.5G产品。
GPRS的建设相对简单，只需在现有GSM网络上增加SGSN(Serving
GPRS Support Node)和GGSN(Gateway GPRS Support Node)两种数据交换结点，对于GSM原有的通信设备，只需软件更新或增加些连接接口。
相比GSM，GPRS采用分组交换模式，对无线信道资源的利用率较高，理论传输速率能达到115Kbit/s（非最高值），接入Internet速度快，支持IP协议和X.25协议。GPRS的缺点在于，调制方式和3G相比存在一定差距。GPRS由于分组较多，传输过程中可能有部分数据丢失导致转接时延。另外，虽然GPRS采用流量计费，但它无法区分信息的内容，无论收到任何信息，GPRS都会计入费用。
目前除GPRS方式外，远程监控的应用中还有多种通讯方式：1、利用电话网有线拨号的通讯方式；2、利用超短波无线电台的通讯方式；3、利用GSM短信的通讯方式。
利用电话网有线拨号进行远程监控的前提是需要有内部或公共电话网的覆盖。在数据采集分站数目较多时，这种系统就必须采用轮巡的方式接收数据。当对系统的监控实时性有一定要求时，有线拨号的方式就显得无能为力了。
采用超短波无线电台的技术已经发展多年，也是目前应用最多的远程监控方式。但是相比GPRS，电台通讯更容易受到传输距离和周边环境的影响，一般20W的电台有效通信距离只有约20km，而一旦遇有比较高的障碍物，通讯距离更会大大缩短。另外，采用这种方式的维护费用很高，设备在雷雨天气中容易损坏。
目前在一些远程监控应用中也有采用GSM短信业务的方式，但是短信在服务中心繁忙时很容易发生阻塞，数据延迟时间可能长达数小时，这对实时性要求较高的监控系统有很大影响。另外，短信费用也是一个需要考虑的问题：假使每个分站仅以5分钟一次的速度发送数据，按每条短信0.1元计算，一个月费用就达12×0.1×24×30=864元。仅维持一个分站就需较高的费用，若远程监控的分站数目达到十几、几十个，系统对实时性又有较高要求时，短信方式需要的费用就难以想象了。
和上述通讯方式相比，GPRS方式的网络覆盖和维护都由中国移动承担，维护成本很低，而覆盖范围以目前中国移动的网络覆盖情况来看，除个别偏僻地区外基本能够覆盖。GPRS远程监控系统的建设周期很短，目前GPRS终端的价格也处于比较合理的范围。GPRS采用按流量的方式计费，还提供数据包月服务，可以进一步降低运行费用。总之，从各方面比较，GPRS都是相当有优势的一种通讯方式。在分站数目较多、分站地域分布较广同时又对系统实时性有一定要求的场合下，GPRS是目前唯一适合的通讯方式。
虽然GPRS应用在远程监控上具有一定优势，但GPRS毕竟属于一种无线传输系统，它具有无线传输系统的所有特点。通过GPRS进行远程监控时是不能忽略这些特点的，针对通讯性能的下降必须采取必要的措施。
移动通讯的无线传输环境与网际网络的有线传输环境存在很大的差异。原因主要是无线电波容易受到周边环境的影响，比如多重路径、路径衰减、屏蔽效应等干扰，都可能造成GPRS终端在某些通讯死角无法收到讯号。总之，无线通讯环境具有以下特点：
● 长时间与变异性的延迟效应
● 低速的与变异性的频宽
● 较差的联机稳定性
● 较不可预测的连结性
因此无线通讯网路上的传输频宽与延迟时间的数值，都不同于有线网络，这也是在实际的数据传输中，GPRS的实际传输速率远不能达到其理论标称值的部分原因。
由于上述特点属于无线网络自身的特性，当数据传输需要通过空中接口时就不可避免的会遇到这些问题，因此无法从根本上改变这种情况，只能通过软硬件各方面增强抗干扰的能力来改善传输性能。
针对无线传输的特性，采用网际网络中普遍应用的TCP通讯协议就不太适合。这是由于TCP协议采用握手的运作方式进行通讯，因而具有Chatty的特性。Chatty特性在具有高频宽、低延迟及低错误率的有线传输环境中不会有太大的问题。而无线网络是一种低频宽、高延迟和错误率的传输环境，数据包在其中往返的时间原本就大大高于有线网络，如果仍然采用TCP这种需要握手的协议，就增加了数据包延迟的机会，容易使后续数据包产生阻塞。而且TCP协议的机制规定如果一包数据发送后在规定的Timeout时间内没有收到返回的响应数据包，发送端就认为数据包丢失而重新发送该数据包，但实际数据包可能只是在无线信道内发生了延迟而已，这样就会降低传输性能。
TCP协议的另一个问题在于TCP数据包会根据其协议规定增加若干校验位，这就增加了整包的资料长度，不利于以流量计费的GPRS网络。
更严重的问题在于当TCP协议规定一旦探测到网络发生数据包丢失就认为是网络发生了拥塞，然后会自动减缓数据包发送速率。这种机制确实适合于有线网络，但在无线网络中数据包丢失一般是由于发生了位错误以及短暂的通话交递，传输层协议应该仍然维持同样的传输速率，重新传输遗失的资料，这样传输性能才不至于下降。
UDP和TCP是完全不同的传输方式。UDP协议属于非连接与非可靠的协议，因而传输前不用像TCP那样建立Session，也不会检验数据包传输的排列顺序和检验数据包是否遗失。UDP协议的特点是数据包长度非常短，运作速度很快，类似流线式的不断发出UDP数据包。
UDP数据包的表头只包含发送端口，接收端口，因而UDP数据包的资料长度小于TCP数据包、这对于以流量计费的GPRS网络又是一个优势，因而目前WAP的协议架构也比较倾向于UDP。
由于UDP协议简单的特性，较TCP协议更适合传输在低频宽与高延迟的无线信道，而可以获得较高的实时性和通讯性能。但是采用UDP协议是不检验返回的响应数据包的，因此GPRS终端在登陆服务器时的注册信息以及在传输中实现自动断线监测等功能就会比较困难。为了解决这个矛盾，建议在OSI的应用层做一个简单的确认机制，如果在规定时间内没有应答，就认为超时，而这个规定时间可以根据网络状况进行设置，使系统具有一定的监测机制又不至于下降传输的网络性能。
除了不适合使用TCP协议来进行无线数据传输外，依赖网络运营商的服务也是GPRS在远程数据监控中的一个特点。
要使GPRS能够满足工业远程数据监控的要求，就离不开网络运营商对其做专门的优化。由于GPRS以GSM作为其承载网，和GSM共用相同的基站和频谱资源，即GPRS是利用GSM网络的空闲资源来提供服务的。GPRS占用的无线信道资源有专用PDCH（静态分组数据业务信道）与随机的PDCH。由于目前语音业务优先于数据业务，如果小区内没有保留专门的PDCH，当话音业务繁忙时就会没有GPRS服务，正在进行的GPRS业务也将停止，将发生预清空时间，在CPU中等待传送的数据将会被丢弃，就会造成终端处发生断线，造成监控失败。
除此之外，小区重选、编码方式以及上下行链路临时块流(TBF)建立失败等都可能影响GPRS无线数据传输的质量，而这些都不是GPRS用户能解决的问题。解决的办法只有由GPRS运营商对其网络设备做必要的优化。随着基于GPRS的远程数据监控应用的不断增多，GPRS运营商（主要是中国移动）已经越来越重视起上述问题，同时对网络优化的经验也越来越丰富，基本可以针对目前的应用做较好的支持。
在GPRS的工程应用中，现场可能有各种特殊情况，导致GPRS的应用方式可能不尽相同。但不论形式如何变化，利用GPRS进行数据监控的原理是类似的，基本原理图如下：
图1 利用GPRS进行数据监控原理图
GPRS监控形式的可能变化在于数据到达移动内部网络后的流向，目前的应用中基本有两种形式，如图2、图3所示：
图2 方案一
方案一中，各分站的GPRS终端将读取或写入的数据包送到GPRS网络，然后数据通过移动的接口到达Internet上，最后通过一条连接至中心监控站的固定IP专线（获得公网IP可以通过多种接入手段来实现，例如ADSL、ISDN等）送至数据中心。这样调度中心就可以实时接收分站发送的数据，并对各分站进行实时控制。每一个GPRS无线终端需要插入一张中国移动的数据SIM卡。
图3 方案二
方案二中，各分站的GPRS终端将读取或写入的数据包送到GPRS网络，然后通过移动内部网络直接送至中心监控站。这样调度中心就可以实时接收分站发送的数据，并对各分站进行实时控制。每一个GPRS无线终端需要插入一张中国移动的数据SIM卡。
以上两种方案，方案一适合于超远距离的远程监控，调度中心和GPRS终端设备可处于不同的城市甚至不同的国家；而第二种方案数据直接通过移动内部网络，可避免Internet的不稳定和获得相对更快的数据传送速度。
鞍钢给水厂水源主要取自30～40米的地下水，取水井分布在临近鞍山的辽阳市周边地区，共计36口。由于各水井分散分布在数十公里的地域内，地处偏远，数量又较多，厂方一直希望采用遥控的方式来控制水井抽水泵的启动和停止并能进行少量的数据采集。在采用GPRS方式之前，厂方已经采用过数传电台的通讯方式，但由于受到附近电台干扰，效果一直不太理想。鞍钢水井遥控项目就是在这个前提下确定采用GPRS方式。
鞍钢水井遥控GPRS远程监控网络结构图：
图4 水井遥控GPRS远程监控网络结构图
在该项目中，由于调度中心无法连接固定IP专线或移动专线，故将数据中心放置在鞍山。位于辽阳的调度中心采取和各水井分站同样的方法，通过GPRS终端访问位于鞍山的数据中心。
目前GPRS在工业远程监控中使用的越来越广泛，特别适合采集分站较多、地域分布较广且实时性要求较高的场合。虽然GPRS作为GSM迈向3G的过渡产品，自身存在一些不足之处，但是随着网络运营商的投入支持和应用经验的积累丰富，GPRS在远程监控中是可以获得理想的效果的。由于种种原因，3G时代的到来还需要一段时间，在这之前，预计GPRS还会有很大的应用空间。
参考文献：
[1] 章坚武.移动通信.西安电子科技大学出版社，2003.
[2] 禹帆.无线通讯网路概论-GSM，GPRS，3G，WAP，Application.
数传电台在WebField GCS-1系统上的运用
浙江中控技术股份有限公司&
林志展& 王 霞
在如今大部分控制系统中，数据集中采集和监控已成为一个非常重要的组成部分。随着科技的发展和时代的进步，数据采集的通讯中介方式已越来越多，无线的方式有：采用数传电台通讯，采用GPRS通讯，采用GSM通讯等等。各种通讯方式现在都有自己的优缺点，在使用中各自占有一定地位。相对于其他通讯方式，采用数传电台通讯也有自己独特的优势。例如在一些旷野之中，如水井、油井、或煤矿，在距离不是太远（一般几十公里以内），无法采用固定电话网络或无线公网费用较贵的情况下，数传电台的使用则是得心应手。
目前市场上有的数据传输电台分为模拟数传电台和数字数传电台两种，主要的生产厂商是MOTOROLA
公司和美国MDS无线数据通信公司。数字数传电台以连续高速、实时可靠、低成本的方式满足了数据采集、监控、及要害部门控制的要求，实施方便，投资节省。而模拟数传电台适用于定点、定向、长距离、小容量数据传输，在水力系统、电力系统、自来水和污水处理系统、河流监测和环境检测、油田、遥控、遥测等各领域的SCADA系统得到了广泛应用，其产品具有抗干扰能力强、接收灵敏度高等特点。
接下来我们将结合WebField
GCS-1系统的特点，来说明数传电台与控制系统的结合应用情况。
通过对数字数传电台的代表MDS2710和模拟数传电台的代表MOTOROLA
GM950I的分析比较及一些测试，发现在电台与GCS-1系统的兼容上及数据传输的稳定性和可靠性上，数字数传电台MDS2710比模拟数传电台MOTOROLA
GM950I都更胜一筹。电台的频点使用费用上没有差别，但电台自身的价格上，两者有一定的差距，模拟数传电台的价格一般在数字数传电台价格的一半左右。因此，在一些数据量小且实时性要求不高的项目上，可以考虑使用模拟数传电台；而在一些数据量稍大特别是实时性相对较高的项目，建议使用数字数传电台。
2.1 数传电台的选型
目前国内市场上的数字数传电台型号很多，其中美国MDS系的系列数传电台在市场上应用较为广泛，且口碑较好。
经过分析比较，MDS SCADA系列数字数传电台在性能上非常适合在GCS-1系统上使用，其覆盖频率分别为130-174MHz，220-240MHz，330-512MHz，800-960MHz，2.4-2.4835GHz。它的数据吞吐量大,传输距离远,全透明异步实时传输,使用标准的异步通信协议,无需特别设置及编程。
另外，SCADA系列电台还有网管功能，可以：
● 远端电台状态（电压、温度、误码、功率、接受电平等）远程检视
● 远端电台告警（低电压、数据格式错误、温度过高、不 匹配等）远程提示
● 远端电台参数（串口速率、工作频率、发射功率等）远程设置
SCADA系列数传电台在同PLC的结合使用上，主流产品为MDS2710型数字数传电台。
目前国内遥测遥控电台所采用的模拟数传电台很多都是由工作在230MHZ频段的模拟调频对讲收发信机（即车载式对讲机）加MODEM改制而成。220-240MHZ频段是我国无线电管理部门规划分配的数据传输业务允许使用的频段之一，工作于该频段的模拟数传电台有美国MOTOROLA、新西兰大吉、日本日精、日本日立以及国内一些公司的产品。其中典型的如MOTOROLA
GM950I型模拟数传电台。
2.2 数传电台和GCS-1的兼容
GCS-1控制系统采用MODBUS通讯方式，MODBUS通讯有两种方式，即MODBUS
RTU和MODBUS ASCII。MODBUS RTU传输方式，在消息中每个8BIT字节包含两个4BIT的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比MODBUS
ASCII方式传送更多的数据；MODBUS
ASCII传输方式，在消息中每个8BIT字节都作为两个ASCII字符发送，这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。
使用RTU模式，消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始，整个消息帧必须作为一个连续的流传输，如果在帧完成之前有超过1.5个字符时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。同样地，如果一个新消息在小于3.5个字符时间内接着前个消息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误，因为在最后的CRC域的值不可能是正确的。而用ASCII方式传送数据，只要字符间的时间间隔不大于1s，数据通讯就不会产生错误。
在数传电台的传输过程中，由于数据是电波传输，因而在传输中由于各种因素影响，字符间的延滞现象是非常正常易见的。故在数传电台通讯中，应该选用MODBUS
ASCII方式而非MODBUS RTU方式。对此，我们进行了测试实验。
具体调试设备有MDS2710数传电台，功率5W,TQC-230车载天线，GCS-1系列OMC-2/E控制器。两台数传电台间隔距离大约50M。在从OMC-2/E控制器内设置好参数后，使用NET
MODBUS工具通过电台读取OMC-2/E内数据。在相同的通讯参数下，以MODBUS RTU方式，每次能正常读取4个模拟量数据；以MODBUS
ASCII方式，每次能正常读取数百个数据而不发生错误。因此，在一般情况下，在GCS-1系统上使用MDS2710数字数传电台来通讯，需要在MODBUS
ASCII方式下。在MOTOROLA GM950I上亦如此。
MDS2710数传电台可采用无流控的控制方式，数据流可以直接通过串口发送到对方电台而不需要任何控制，发射单元启动时间&3ms，因此串口可以直接激活电台为发射状态，而且可以24小时不间断使用，使用起来非常方便。两套GCS-1系统，通过MDS2710电台，可以非常方便地进行数据传输。
MOTOROLA GM950I则采用硬件流控的控制方式，采用对RTS管脚的控制来激活电台的状态。发射单元的启动时间一般为几十毫秒以上。将RTS管脚置为232负电平，则电台被激活为发射状态。由于MOTOROLA
GM950I是由车载式对讲机加MODEM改制而成，因此不能长时间处于发射状态，否则就有烧毁设备的可能。因此，MOTOROLA
GM950I与GCS-1的配合使用，控制相对比较麻烦。
2.3 电台稳定性
在GCS-1通过数传电台通讯的过程中，由于受通讯模块的限制，一次数据的传送最多只能是100个模拟量点，即200个Byte。在200个Byte的数据量，通讯距离15公里左右的情况下，MDS2710基本上1秒以内能对数据通讯完毕，MOTOROLA
GM950I也能在几秒钟内通讯完成。
而一般远端PLC或是RTU直接通过电台与上位机相连的话，有时候数据量可能很大，不只200个Byte。在15公里的距离下，分别通讯400个Byte和1000个Byte。
分析通讯情况，MDS2710能更快且好的传输数据，而MOTOROLA
GM950I则相对比较缓慢，且在有外界干扰的情况下，由于MDS2710是铸铝外壳，对外界干扰由一定的屏蔽作用，而MOTOROLA
GM950I由于是塑料外壳，受外界干扰影响较大，通信速率明显下降，甚至可能出现通讯失败。另外，根据实验所显示的通讯结果，采用MDS2710基本能满足GCS-1一般工程上数据通讯要求。
2.4 电台使用环境
电台正常使用的通讯距离，理论上取决于以下两个因素：
(1) 天线架设的相对高度
由于受地球曲率的影响，两个点（天线高度分别为H米和h米）之间的最大距离为：
D=4.12×(+ )
(2) 接收场强
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，从而影响系统的判断造成误码。如果场强太小，即使距离再近接收机也收不到。所以接收场强是决定通讯距离的一个很重要的因素。
在实际使用中，可能受各种因素影响，可以在工程施工前，先进行现场电波传播和接收场强测试，根据现场环境和工作要求，确定主站和各远程电台的功率、天线类型、架设高度等参数，使上下行的信号达到足够的抗干扰能力，从而实现数据通讯。
2.5 使用费用
(1) 频点费用
频点的使用费用一般由用户自行承担，每年向当地无线电管理委员会交纳。
(2) 电台设备费用
模拟数传电台或者数字数传电台设备的选型，一般在项目签订时指明由供方提供。
根据电台的测试情况，发现在各个技术指标方面数字数传电台的性能都优于模拟数传电台，但两者在价格方面的差距也是明显的，数字数传电台的价格近乎模拟数传电台的一、两倍。总体来说，在一些数据量小且实时性要求不高的项目上，可以考虑使用模拟数传电台；而在一些数据量稍大特别是实时性相对较高的项目，建议使用数字数传电台。&
无线通讯在智能家居设计中的应用
浙江中控电子技术有限公司&
赵鸿鸣& 王小荣
随着通信技术、网络技术、控制技术和人工智能技术的发展，人们对家居环境的舒适程度和智能化程度要求也越来越高，智能网络不可阻挡地进入了家庭。近几年，随着无线网络研究在全世界范围内的兴起，对无线智能家居网络的研究已经成为新的研究热点。智能家居网络是指在家庭内部通过一定的传输介质将各种电气设备和电气子系统连接起来，采用统一的通信协议，对内实现资源共享，对外通过网关与外部网互连进行信息交换的局域网。
随着硬件技术的发展和软件开发的力度加大，基于各种频段和技术的无线通讯技术迅速发展，各个厂家为了迅速抢占市场和取得技术领先，很多新兴的无线通讯协议和标准诞生了。在智能家居市场中最为引人注目的就是ZigBee。为了和ZigBee联盟抢占这个庞大的市场，Z-Wave标准也很快形成。另外，蓝牙这个被人们倡导了很久的技术在智能家居市场也有着一定的应用和发展。与这些走国际化标准协议的技术不同，也有一些更经济实用、更贴近市场及应用的无线通讯技术。
2.1 ZigBee
ZigBee是一种用于传感器与制动器等监测和控制应用的开放无线标准。ZigBee采用网格网络（Mesh
Network）分布式网络架构，可提供多条传输路径，故能提高网络的可靠性和扩展性。网格网络分布式网络架构的自我修复能力同时能使ZigBee网络稳定可靠，亦即网络只要包含足够的路由器节点，就算某个路由器节点发生问题，数据仍能经由其它路径抵达目的地。ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，符合IEEE
802.15.4协议，是IEEE工作组专门为家庭短距离通讯制定的新标准。
ZigBee技术的主要优点有：(1)省电：两节五号电池可使用长达六个月到两年左右的时间；(2)可靠：采用了碰撞避免机制；(3)成本低；(4)时延短；(5)网络容量大；(6)安全：提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，各种应用可以灵活确定其安全属性。
2.2 Z-Wave
Z-Wave是另一种900MHz的网格网络无线技术，被作为ZigBee的替代技术用于照明和家庭自动化而推广。目前得到了英特尔的声援和资助，该公司加入了Z-Wave
Alliance家庭自动化组织。全球已经有500家企业加入该组织，由于它的软硬件设计非常贴近家居控制，在智能家居应用中比ZigBee技术更有针对性，因此被许多厂家采用。基于Z-Wave的产品研发速度较快，不少厂家已经能够提供相关的产品。Z-Wave系统在一个家庭中能够实现233个节点及节点间的通讯路由。虽然它的系统不能做到像ZigBee那样庞大，但是这个系统对于家庭控制来说已经足够了。
蓝牙技术是由蓝牙SIG(Special Interest
Group)联合制定的近距离无线通信技术标准，其目的是实现最高数据传输速率1Mb/s（有效数据传输速率721Kb/s）、最大传输距离为10米（增加功率后可传输100米）的无线通信。
蓝牙技术具有以下几个特点：工作于2.4GHz的ISM（工业、科学、医学频段）频段，无需申请频率许可证；采用1600hop/s的快速跳频技术；采用正向纠错编码(FEC)技术；采用FM调制方式，设备简单；支持点到点、点到多点通信；协议体系完备，充分支持现有高层协议；设备体积小，便于携带或移动，成本低廉。
由于蓝牙以上技术特点，使得蓝牙技术比较适合用于点到点的高速数据连接，不适用于构成复杂的网络控制，在智能家居设计中宜用于人机交互通讯连接。
2.4 自定义无线通讯系统
国内较多智能家居产品采用的是基于自定义协议的无线射频技术，频率主要采用315/433.29MHz，这种技术的优点是部分产品无需重新布线，利用点对点的射频技术，实现对家电和灯光的控制，安装设置都比较方便，主要应用于实现对某些特定电器或灯光的控制，成本适中。但系统功能比较弱，控制方式比较单一，且易受周围无线设备环境特别是同频及阻碍物干扰和屏蔽。
各种无线通讯系统都存在着优缺点，在对比了多种无线通讯系统之后，我们采用了Z-Wave技术作为SUPCON智能家居照明系统的主干通讯网络，315MHz通讯系统作为短程控制通讯，使用蓝牙技术与智能手机、PDA等通讯。
ZigBee技术虽然应用面非常广，而且相对速度也比Z-Wave快，但是其软件协议部分设计的通用性太强，并不专注于家居系统。其次，SUPCON智能家居照明系统以家居照明控制、安防报警、远程控制为主要设计内容，因此对通讯的速率和节点数量并没有非常高的要求。因此，Z-Wave系统更加适合我们的系统。
不管是ZigBee还是Z-Wave，如果每个节点都包含一个ZigBee/Z-Wave模块，其系统成本将会非常高。因此，我们在一些单向控制节点（如开关点）采用了可靠但廉价的315MHz的通讯系统，大大降低了系统成本。
为方便高端用户使用SUPCON智能家居照明系统，我们在系统中设计了专门的Z-Wave/蓝牙网桥。通过该网桥，用户可通过大部分的智能手机、PDA、PC、笔记本电脑中都具有的蓝牙通讯功能对整个家庭的照明进行直接监视和控制了。
下图是SUPCON智能家居照明系统的框图：
图1 SUPCON智能家居照明系统
房间设备控制器和大功率设备控制器的结构类似，它是系统的基本设备，能够通过Z-Wave发送接收来自智能网关、手持遥控等设备的控制信号，也能够和匹配过的315MHz设备进行通讯，接收来自面板开关的控制信号、外部报警器的信号。手持遥控器能够和房间内所有包含Z-Wave通讯器的设备进行通讯，能够控制家里所有的开关，报警器。家庭网关是一个高性能的网络转换器，它能够实现以太网的接入、电话线信号接入、蓝牙信号接入。家庭网关内置了一个嵌入式WEB
Server，用户能够坐在办公室通过Internet或通过手机上网登录WAP界面来控制家里的照明与电器开关。通过家庭网关的电话接口，用户可通过拨打家里的固定电话来控制家里的照明与电器开关。通过家庭网关的蓝牙接口，用户可以通过手机、PDA等掌上智能设备坐在沙发上方便地控制家里的照明与电器开关。
通过合理利用315M、Z-Wave、蓝牙等无线通讯技术，中控为广大家庭用户提供了一种可靠、易用、性价比较高的家居智能照明产品，为实现家居生活的舒适、方便、节能提供新的产品和选择。
RF无线通讯在
OptiSYS LCS-300智能照明系统的应用
浙江中控电子技术有限公司&
赵鸿鸣& 陈志华
LCS-300分布式无线智能照明系统，由可编程控制器、开关驱动器、调光/开关驱动器、传感器输入检测器、RF无线信号接收器、RF无线控制面板、RF无线遥控器、系统编程软件和计算机监控软件等部件组成，如下图所示：
图1 LCS-300分布式无线智能照明系统
RF无线通讯在LCS-300智能照明系统中有三个模块：RF无线信号接收器、RF无线控制面板、RF无线遥控器。RF无线信号接收器接收RF无线控制面板、RF无线遥控器的无线控制信号，并将其通过CAN总线传送到各个模块，实现系统无线控制目的。
2.1 RF无线信号接收器
RF无线信号接收器是LCS-300智能照明系统中的无线网关。具有CAN现场总线接口和RF无线接收单元。将RF无线控制面板或RF无线遥控器发送的无线控制命令通过CAN现场总线传送给相应的开关驱动器、调光/开关驱动器等输出控制模块。可通过安装多个无线信号接收模块，扩展无线信号接收覆盖的范围。
2.2 RF无线控制面板
RF无线控制面板和传统的机械开关面板外观尺寸一致。RMP系列无线控制面板采用干电池供电，通过简单的匹配即可建立对应的控制关系，发送控制命令。与传统机械开关控制方法相比节省了大量原本要接到普通开关的线缆和管线，缩短了安装施工的时间，节省了材料和人工费用；同时用于电力输送的大截面负载线缆无须经过控制面板，控制面板墙壁粘贴安装或86盒固定安装都更自由、更安全。
2.3 RF无线控制器
RF无线遥控器实现的功能和RF无线控制面板一致。RF无线遥控器不需安装在墙壁上，照明系统的开关、调光及情景控制随手遥控控制。
3.1 控制线路优势
由于采用RF无线通讯技术，RF无线控制开关与负载控制回路分离，负载容量较大时仅考虑加大输出单元容量，RF无线控制开关不受影响；同时安装完成后，控制开关的移动、变动、增加非常简单，无须重新布线，只需简单匹配即可。类似双控或多控时只需简单地增加RF无线控制面板或RF无线遥控器。
3.2 控制方式优势
可以通过RF无线控制面板、RF无线遥控器的一个键启动开、关或一种情景方式，简化系统操作。
3.3 节省系统建设费用
LCS-300分布式无线智能照明系统采用RF无线通讯技术，用于电力输送的大截面负载线缆从输出模块的输出端直接接到照明灯具或其他用电负载上，而无须经过控制面板。安装时也不必考虑任何控制关系，在整个系统安装完毕后通过简单的匹配即可建立对应的控制关系。由于系统仅在输出单元和负载之间使用负载线缆连接，与传统控制方法相比，一方面节省了大量原本要接到普通开关的线缆和管线，另一方面也大大缩短了安装施工的时间，节省了人工费用，从而节省了系统建设费用。
3.4 降低维护费用
传统照明系统一旦安装完成，控制开关、照明灯具的移动、变动、增加非常困难，需要进行大量的土建改建、管线敷设、装修装饰等工作。LCS-300智能照明系统采用无线通讯技术，安装完成后，控制开关的移动、变动、增加非常简单，无须重新布线，只需简单匹配即可。由于LCS-300智能照明系统采用控制开关与负载输出分离的系统架构，在照明灯具增加时，一般只须在吊顶上进行管线敷设工作。因此，LCS-300智能照明系统可显著降低照明系统的维护费用。
总之，RF无线通讯技术在LCS-300智能照明控制系统上的应用完善和丰富了系统的架构，既能在建设时安装方便、节省电缆、降低了系统造价，又能在后期使用与维护时，提高管理水平、节能降耗，降低维护费用。&
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(C)2011&&E-mail: &