??? 摘? 要: 根據鐵水運輸系統的特點,設計了擴頻通信" title="擴頻通信">擴頻通信無線數據通信網,其實時傳送車輛位置數據的能力大大優于窄帶電臺組成的無線網和利用GSM公用電話網傳送位置數據的GPS車輛監控系統,所設計的無線通信網能管理較多車輛,并具有進一步擴容的能力。?

??? 關鍵詞: 鐵水運輸? 擴頻通信? CSMA? DGPS

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??? 寶山鋼鐵集團公司是我國特大型鋼鐵企業,隨著寶鋼三期工程的建設實施,傳統的鐵水運輸調度系統已不能適應生產規模擴大的需要。建立新的鐵水運輸動態監測系統" title="監測系統">監測系統,以提高生產調度的安全性、生產效率、自動化程度和經濟效益具有十分重要的意義。

??? 鐵水運輸動態監測系統采用了當今先進的DGPS定位技術、組合定位技術、地圖匹配技術、擴頻通信技術、計算機及網絡技術,以及地理信息系統技術、電子大屏技術等,解決了在鋼鐵廠內惡劣工業環境下,鐵路線上鐵水運輸車輛的定位跟蹤問題,使調度管理人員在中心站的電子大屏上能實時觀測到鐵水運輸車輛動態位置和狀態以及其他有關信息,便于及時、合理地進行生產運輸調度。?

??? 作為鐵水運輸動態監測系統的重要組成部分——無線通信網,主要完成中心站與車輛之間的信息傳輸,其性能的好壞直接影響到整個系統的正常工作。本文介紹的無線通信網已在寶鋼鐵水運輸動態監測系統中應用,通信系統工作正常,穩定可靠,效果良好。?

1 無線通信網設計?

1.1 系統要求?

??? (1)在1.8km×2.3km的區域內,保證廠房內外的車輛與中心站之間實時通信;?

??? (2)監測車輛85輛;?

??? (3)每個車輛信息更新率最高可達到每秒更新一次;?

??? (4)車載設備" title="車載設備">車載設備采用蓄電池供電,為延長電池更換周期,需采用低功耗設備;?

??? (5)具有良好的電磁兼容性,不能對現在正在使用的其他通信設備產生干擾;?

??? (6)抗干擾能力強,能夠保證在鋼鐵廠惡劣工業環境下的可靠通信,誤碼率小于10^-6。?

??? (7)中心站與車輛之間為雙向通信方式。?

1.2 方案選擇?

??? 在目前的GPS車輛定位跟蹤系統中,無線數據的傳輸通常采用模擬電臺加調制解調器自行組網或通過公用移動電話網來完成數據交換。在模擬電臺自行組網的數據傳輸系統中,由于模擬電臺的收發切換時間長(約200ms)、數據傳輸率低(通常為1200bps)、單位時間內傳輸的車輛位置數據較少,因此,當車輛增多時,車輛位置更新的實時性將大大降低。采用GSM公共移動電話網傳送數據,雖然系統容量可以擴大,數據傳輸率增快,但運行成本較高,而且受公共移動電話網工作狀態影向較大,難以滿足安全性、可靠性、連續性、經濟性的要求。若采用GSM短消息的方式發送位置數據,其數據傳送的實時性將無法保證。?

??? 根據現場實際情況和系統要求,擴頻通信技術是一種理想的解決方案。擴頻通信的主要特點有:(1)抗干擾性強,對單頻及多頻載波信號的干擾、其它偽隨機調制信號的干擾及脈沖正弦信號的干擾等都有抑制作用,能提高輸出信號的信噪比。(2)發射功率小,一般小于1W,設備功耗較低,因此不會對其他通信系統產生干擾。(3)可以實現碼分多址,頻帶利用率很高。(4)抗多徑干擾,可以克服鋼鐵廠環境下嚴重的多徑干擾對無線數據通信可能造成的影響。(5)無線數據傳輸速率高,可高達19200bps以上,而誤碼率小于10^-6,具有信息傳輸快且可靠的優點。?

1.3 無線通信網組成?

??? 鐵水運輸動態監測系統覆蓋范圍約1.8km×2.3km,區域內分布有高大鋼鐵建筑物,難以保證視距通信。車輛工作區域有相當一部分在廠房內,受通信屏蔽的影響較大,有些廠房內甚至無法直接與外界通信。另外,為了保證車載設備功耗較低,延長車載設備蓄電池供電時間,車載設備通信機采用較小的發射功率。為了保證系統中心站與車輛間無線數據通信可靠,在工作區內設有5個中繼站,負責車輛與中心站間的信息轉發。在3個通信屏蔽的廠房內設有3個中轉臺,負責廠房內的車輛與中繼站間的信息轉發。?

??? 中心站位于生產管制中心,通信天線高度約45m,采用全向高增益天線。5個中繼站與中心站間的通信采用高增益定向天線,其天線方向指向中心站。中繼站與車輛間的通信采用高增益全向天線。車載設備和中轉臺采用3dB全向天線。?

??? 系統無線通信網由中心站、中繼站、中轉臺和車載設備構成,如圖1所示。?

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2 設備選型和設計?

2.1 擴頻通信機選擇?

??? 在鐵水運輸動態監測系統中根據使用方式的不同,使用了AirLink和WIT915兩種型號的擴頻通信機來組成無線通信網。AirLink通信機用于中心站與中繼站通信,WIT915通信機用來完成中繼站和移動車輛間的通信。?

??? AIRLINK 19MP是美國CYLINK公司的L波段無線擴頻MODEM數傳通信機,可工作于點對點和點對多點工作方式,也可作為轉發器或hub來應用。其主要技術指標如下:?

??? (1)工作頻段: 902～928MHz,16個信道可選;?

??? (2)采用直序擴頻工作方式,PN序列長度32bit;?

??? (3)調制方式為BPSK(Bi-Phase Shift Keying),數據速率可達38400bps,信道帶寬為1.5MHz;?

??? (4)系統增益(不包括天線增益)為130dB。其中,擴頻增益為12dB;?

??? (5)發射功率最大為800mW(29dBm),并且可通過撥碼開關選擇不同的發射功率;?

??? (6)采用時分雙工技術(TDD)，可以實現全雙工通信,視距傳輸可達50km。?

??? WIT915是美國DIGTAL WIRELESS公司的擴頻通信收發機。WIT915采用組合擴頻技術,能夠抗噪聲和多徑衰落,并且同時支持CSMA通信協議" title="通信協議">通信協議和點對點的通信。WIT915擴頻通信機的低功耗和小體積很適用于車載臺使用。其技術指標如下:?

??? (1)工作頻段:903～907MHz,21個信道,具有自動尋找干凈信道的能力;?

??? (2)4級可調發射功率,從1mW～1W,最大功率要求符合美國FCC標準,并且功率可自適應調整;?

??? (3)全雙工數據速率可達19200bps,半雙工數據速率可達51200bps.;?

??? (4)射頻帶寬:700kHz,信道間隔1.2MHz;?

??? (5)采用0dB天線,在視距情況下,傳數距離可達1.8km;?

??? (6)在半雙工情況下,數據收發轉換時間小于0.5ms。?

2.2 通信控制器" title="通信控制器">通信控制器設計?

??? 在無線通信數傳網設計中,通信控制器的設計十分重要。因為對擴頻通信機的控制以及無線通信網通信協議的執行都要通過通信控制器來實現。在鐵水運輸動態監測系統中,采用PC/104作為通信控制器，相對于采用單片機作為內核的通信控制器來說,能夠減少產品的開發費用,降低開發風險,縮短開發周期,提高產品的性能。PC/104具有超小尺寸(90mm×96mm),較低的功耗(典型為1～2W/模塊),獨有的棧接總線消除了底板與插座的成本和空間。PC/104的CPU系列產品為嵌入應用提供了高集成化的模塊,并且與IBM PC/AT體系兼容,在PC上調試好的程序可以直接移植到PC/104使用。?

??? 選用的PC/104 CPU模塊為CoreModule CM/486-2。CM/486模塊提供了PC/AT母板的全部功能和一些附加卡的功能,該模塊具有PC/AT和MS-DOS全兼容的標準硬件和軟件資源。其主要指標如下:?

??? (1)CPU為CX486SLC-2,50MHz內部時鐘頻率;?

??? (2)在板內存可選為2M、4M或16M字節;?

??? (3)7個DMA通道(相當于8237);?

??? (4)15個中斷通道(相當于8259);?

??? (5)三個可編程計數/定時器;?

??? (6)16位擴展總線;?

??? (7)和PC完全兼容的兩個串行口和一個并行口;?

??? (8)帶有可啟動系統的固態盤;?

??? (9)帶有PC所不具有的看門狗定時器。?

2.3 通信控制器和擴頻通信機的連接關系?

??? 擴頻通信機AirLink和WIT915的外部數據控制接口是與PC兼容的異步串行RS-232接口。因此,由PC/104構成的通信控制器與擴頻通信機AirLink和WIT915的硬件連接非常簡單和方便,只需將擴頻通信機的外部數據控制接口直接連到PC/104的串行口即可,由在PC/104中運行的軟件控制擴頻通信機的數據收發即可。?

??? 圖2、3所示為通信控制器和擴頻通信機的兩種連接方式。其中圖2為中繼站的連接方式,圖3為移動車輛的連接方式。?

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3 無線通信方式的設計與實現?

3.1 中繼站與中心站?

??? 中心站的AirLink擴頻通信機與各個中繼站的AirLink擴頻通信機間構成一種星型網絡通信模式。中心站的AirLink擴頻通信機設置為主模式。中繼站的AirLink擴頻通信機設置為從模式,采用半雙工的通信模式,由中心站的通信控制器采用輪詢的方式控制AirLink擴頻通信機和各個中繼站進行數據傳輸交換。中心站分別從各個中繼站采集各中繼站收到的車輛信息,然后按一定間隔向所有中繼站廣播車輛DGPS定位所需要的差分數據。各個中繼站設置有不同代號。各中繼站通信控制器收到中心站發出的信息后,首先判斷是否是中心站取車輛信息。若是,再判斷中心站所發出的站代號是否與事先設定的本站代號一致;若一致,則將中繼站收到的車輛位置數據發送到中心站;若不一致則不進行處理。若中繼站通信控制器判斷中心站發出的是廣播差分數據,則將此數據通過WIT915擴頻通信機轉發到車載設備。因為各中繼站和中心站的AirLink擴頻通信機接收電平已調到AirLink擴頻通信機手冊所要求的能夠以10^-8誤碼率傳輸數據的電平,因此,中心站和中繼站采用簡單的ARQ方式和CRC校驗就可保證數據的可靠傳輸和交換。?

??? 中心站通信控制器通過AirLink擴頻通信機發到中繼站的數據格式如下:?

??? 查詢信息格式:?

??? 廣播DGPS差分信息格式:?

??? 中繼站應答信息格式:?

??? 中心站和中繼站的數據傳輸率為19200bps。?

3.2 中繼站與移動車輛?

??? 中繼站的通信控制器通過中繼站的WIT915擴頻通信機和車載設備WIT915擴頻通信機進行數據交換。若中繼站通信控制器和移動車載設備通信控制器之間采用查詢的方式進行車輛位置數據的交換,由于鐵水運輸動態監測系統監控車輛較多(約85輛),查詢一遍所有車輛位置數據耗時較長。其次,在鐵水運輸過程中,同一時刻移動的車輛較少,停止的車輛較多,而停止車輛的位置沒有變化,控制中心只需保留上次傳過來的車輛位置數據即可,無需進行車輛位置更新。為了在有限的信道內傳送有效的位置數據,采用了根據車輛運行速度動態控制車輛信息報告時間間隔的通信方式,即根據車輛的運動狀態來調整車輛信息的發送頻度。當車輛在停止狀態時,車輛的信息每隔一分鐘發送一次,以保持和控制中心的數據聯系。當車輛在移動狀態時,車輛信息報告頻度隨著速度的增加而提高,及時向中繼站發送最新的車輛信息。車輛信息的傳送時刻完全由車載通信控制器根據車輛的運行情況來確定,省去了查詢方式下的下行數據鏈路占用的傳送時間,可以提高車輛有效信息的傳送效率和信息的實時性。?

??? 為了保證在車輛信息自主發送時,不發生數據傳輸的碰撞,利用WIT915擴頻通信機在半雙工模式下的CSMA通信協議來傳送數據。CSMA通信協議是IEEE802.3協議中的一種數據傳送方式,廣泛應用于計算機局域網中,在數據傳輸中進行載波偵聽和多重訪問。當需要發送車輛的位置數據時,車載通信控制器首先讀取WIT915擴頻通信機送出的載波檢測DCD電平指示。當載波檢測DCD電平為高時,表示目前信道中有別的通信機正在發送數據。此時車載通信控制器隨機延時等待數毫秒,再次讀取通信機的載波檢測DCD電平。若此時載波檢測DCD電平為低,表示此時信道中沒有WIT915擴頻通信機發送數據,信道空閑,可以發送數據,則車載通信控制器將WIT915擴頻通信機的RTS電平抬高。此時,WIT915擴頻通信機切換到發送狀態,同時發出載波信息占據信道,車載通信控制器隨后將數據通過WIT915擴頻通信機發出。當車輛的位置數據發送完畢后,車載通信控制器將WIT915擴頻通信機的RTS電平置低,使通信機停止發送載波和數據,讓出信道,供其它WIT915擴頻通信機發送數據。?

??? 采用CSMA通信協議發送車輛位置數據,可以使每一時刻只有一臺WIT915擴頻通信機處于發射狀態,從而可以盡量避免碰撞干擾,使車輛的信息傳送可靠。WIT915擴頻通信機的收發切換時間很短,最大不超過450μs,且WIT915擴頻通信機的數據傳輸率可高達38400bps,經過壓縮后的車輛信息又很短(約40bit),因而每個車載通信控制器發送車輛位置數據時占用信道的時間很短,可以保證數據傳輸的實時性。當然,在極端情況下,有可能兩臺WIT915擴頻通信機同時檢測信道空、同時發送數據,發生碰撞。但因所發送的車輛信息量較小,數據傳輸率很高,發生碰撞的概率很低。即使發生碰撞,在擴頻通信中,通信機仍有可能解調出正確的數據。若擴頻通信機解調出錯,通過CRC校驗進行剔除,通過下一次車輛信息發送對車輛信息進行更新。?

??? 中繼站轉發的中心站DGPS差分數據,也由中繼站的通信控制器通過中繼站的WIT915擴頻通信機以CSMA的通信方式向各個車載設備廣播發送。CSMA通信協議中采用CRC校驗,以保證數據的可靠性。?

??? 通信控制器以CSMA方式發送數據的程序框圖如圖4所示。?

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??? 在有數據發送時,檢測信道。若信道忙,則隨機延時一段時間,并將計數器加1,再檢測信道。如此循環,當計數器累加到M次后,則退出信道檢測循環。此時,認為信道忙,并置信道忙標志,此次數據發送放棄。在信道忙標志置位后,將車輛在停止時發送數據的間隔由1分鐘提高到10秒鐘。這樣做是為了保證在信道阻塞干擾消失后,使所有車輛位置的更新時間最長不超過10秒鐘。?

3.3 中轉臺數據傳輸?

??? 在鐵水運輸過程中,車輛有時會進入鋼結構的廠房內。為了使車輛在進入廠房內也能夠將車輛的信息發送到中繼站,因此,在廠房內設置了中轉臺。通信轉發如圖5所示。

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??? 中轉臺設有兩臺WIT915擴頻通信機,一臺通信機置于廠房內,另一臺通信機置于廠房外。轉發通信控制器通過廠房內的WIT915擴頻通信機,接收廠房內的車輛發送的信息,然后通過廠房外的WIT915擴頻通信機以CSMA的方式轉發出去。通信控制器在轉發數據時,要使廠房內的WIT915擴頻通信機處于禁止接收數據狀態,以防止廠房外WIT915擴頻通信機轉發的數據被廠房內WIT915擴頻通信機收到,形成循環轉發狀態。?

4 性能分析?

??? 在鐵水運輸動態監測系統中,車輛的運行速度最高不超過每小時15公里,即最快每秒運動4.1米(可按5米來估算)。車輛的位置每變化5米,發送一次更新的位置數據,則車輛的位置更新速率最快為每秒一次。車輛位置數據連同同步碼和校驗碼在內一共為10個字符(每字符為八位二進制數)。若車載通信控制器以19200bps速率異步方式(一個起始位,一個停止位,八位數據)向中繼站發送數據,所需時間為100/19200=5.2ms;若采用CSMA通信協議在同一信道中通信,在理想情況(不考慮延時等待和碰撞)下,在一秒鐘內可傳送不同位置數據的車輛數為1000/5.2=192輛。若考慮延時等各種不利情況,按耗時增加一倍考慮,則在一秒鐘內可傳送不同位置數據的車輛數為192/2=96輛。因為中繼站和中心站的數據交換速率為異步19200bps，因此,可以保證所有車輛的位置數據能夠在一秒鐘內傳送到中心站。所以,所設計的無線通信網具有每秒實時傳送更新96輛車信息的能力,達到了鐵水運輸動態監測系統能夠管理85輛車的要求。由于采用CRC校驗,整個系統的誤碼率達到10^-6以下,滿足了車輛信息傳輸所需的誤碼率要求。?

??? 在鐵水運輸動態監測系統實際運行中,所有車載WIT915擴頻通信機和中繼站的WIT915擴頻通信機都工作在同一信道中,車輛的位置能夠及時得到更新,沒有出現信道擁堵、車輛位置無法實時傳送的現象,達到了設計目的。若管理的車輛數目增加,只需按中繼站的通信范圍,將中繼站的WIT915擴頻通信機設置到不同的信道,車載通信控制器則根據車輛的位置在不同運動區域自動將車載WIT915擴頻通信機的信道切換到與此區域中繼站一致的信道上,即可使所管理車輛的數目成倍增加。?

參考文獻?

1 AirLink L-Band Multipoint Modem Installer′s Guide.CYLINK? CORPORATION?

2 WIT915 Integration Guide. DIGITAL WIRELESS? COR? PORATION?

3 CoreModule/486DX? Technical? Manual. Ampro Computer?Incorporated?

4 汪榮鑫. 隨機過程. 西安:西安交通大學出版社,1988