??? 摘? 要: 根據(jù)鐵水運輸系統(tǒng)的特點,設(shè)計了擴頻通信" title="擴頻通信">擴頻通信無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng),其實時傳送車輛位置數(shù)據(jù)的能力大大優(yōu)于窄帶電臺組成的無線網(wǎng)和利用GSM公用電話網(wǎng)傳送位置數(shù)據(jù)的GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng),所設(shè)計的無線通信網(wǎng)能管理較多車輛,并具有進一步擴容的能力,。?

??? 關(guān)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(yè),隨著寶鋼三期工程的建設(shè)實施,傳統(tǒng)的鐵水運輸調(diào)度系統(tǒng)已不能適應(yīng)生產(chǎn)規(guī)模擴大的需要,。建立新的鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)" title="監(jiān)測系統(tǒng)">監(jiān)測系統(tǒng),以提高生產(chǎn)調(diào)度的安全性、生產(chǎn)效率,、自動化程度和經(jīng)濟效益具有十分重要的意義,。

??? 鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用了當今先進的DGPS定位技術(shù)、組合定位技術(shù),、地圖匹配技術(shù),、擴頻通信技術(shù)、計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù),以及地理信息系統(tǒng)技術(shù)、電子大屏技術(shù)等,解決了在鋼鐵廠內(nèi)惡劣工業(yè)環(huán)境下,鐵路線上鐵水運輸車輛的定位跟蹤問題,使調(diào)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(tài)位置和狀態(tài)以及其他有關(guān)信息,便于及時,、合理地進行生產(chǎn)運輸調(diào)度,。?

??? 作為鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分——無線通信網(wǎng),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(tǒng)的正常工作。本文介紹的無線通信網(wǎng)已在寶鋼鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用,通信系統(tǒng)工作正常,穩(wěn)定可靠,效果良好,。?

1 無線通信網(wǎng)設(shè)計?

1.1 系統(tǒng)要求?

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

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

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

??? (6)抗干擾能力強,能夠保證在鋼鐵廠惡劣工業(yè)環(huán)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(tǒng)中,無線數(shù)據(jù)的傳輸通常采用模擬電臺加調(diào)制解調(diào)器自行組網(wǎng)或通過公用移動電話網(wǎng)來完成數(shù)據(jù)交換,。在模擬電臺自行組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,由于模擬電臺的收發(fā)切換時間長(約200ms),、數(shù)據(jù)傳輸率低(通常為1200bps)、單位時間內(nèi)傳輸?shù)能囕v位置數(shù)據(jù)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(wǎng)傳送數(shù)據(jù),雖然系統(tǒng)容量可以擴大,數(shù)據(jù)傳輸率增快,但運行成本較高,而且受公共移動電話網(wǎng)工作狀態(tài)影向較大,難以滿足安全性,、可靠性、連續(xù)性,、經(jīng)濟性的要求,。若采用GSM短消息的方式發(fā)送位置數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)傳送的實時性將無法保證。?

??? 根據(jù)現(xiàn)場實際情況和系統(tǒng)要求,擴頻通信技術(shù)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(diào)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(fā)射功率小,一般小于1W,設(shè)備功耗較低,因此不會對其他通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,。(3)可以實現(xiàn)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(huán)境下嚴重的多徑干擾對無線數(shù)據(jù)通信可能造成的影響。(5)無線數(shù)據(jù)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(yōu)點,。?

1.3 無線通信網(wǎng)組成?

??? 鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋范圍約1.8km×2.3km,區(qū)域內(nèi)分布有高大鋼鐵建筑物,難以保證視距通信,。車輛工作區(qū)域有相當一部分在廠房內(nèi),受通信屏蔽的影響較大,有些廠房內(nèi)甚至無法直接與外界通信。另外,為了保證車載設(shè)備功耗較低,延長車載設(shè)備蓄電池供電時間,車載設(shè)備通信機采用較小的發(fā)射功率,。為了保證系統(tǒng)中心站與車輛間無線數(shù)據(jù)通信可靠,在工作區(qū)內(nèi)設(shè)有5個中繼站,負責車輛與中心站間的信息轉(zhuǎn)發(fā),。在3個通信屏蔽的廠房內(nèi)設(shè)有3個中轉(zhuǎn)臺,負責廠房內(nèi)的車輛與中繼站間的信息轉(zhuǎn)發(fā)。?

??? 中心站位于生產(chǎn)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(shè)備和中轉(zhuǎn)臺采用3dB全向天線,。?

??? 系統(tǒng)無線通信網(wǎng)由中心站、中繼站,、中轉(zhuǎn)臺和車載設(shè)備構(gòu)成,如圖1所示,。?

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2 設(shè)備選型和設(shè)計?

2.1 擴頻通信機選擇?

??? 在鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中根據(jù)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(wǎng)。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(shù)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(zhuǎn)發(fā)器或hub來應(yīng)用,。其主要技術(shù)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(diào)制方式為BPSK(Bi-Phase Shift Keying),數(shù)據(jù)速率可達38400bps,信道帶寬為1.5MHz;?

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

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

??? (6)采用時分雙工技術(shù)(TDD),，可以實現(xiàn)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(fā)機,。WIT915采用組合擴頻技術(shù),能夠抗噪聲和多徑衰落,并且同時支持CSMA通信協(xié)議" title="通信協(xié)議">通信協(xié)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(shù)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(diào)發(fā)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(yīng)調(diào)整;?

??? (3)全雙工數(shù)據(jù)速率可達19200bps,半雙工數(shù)據(jù)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(shù)距離可達1.8km;?

??? (6)在半雙工情況下,數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)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(shè)計?

??? 在無線通信數(shù)傳網(wǎng)設(shè)計中,通信控制器的設(shè)計十分重要。因為對擴頻通信機的控制以及無線通信網(wǎng)通信協(xié)議的執(zhí)行都要通過通信控制器來實現(xiàn),。在鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中,采用PC/104作為通信控制器,，相對于采用單片機作為內(nèi)核的通信控制器來說,能夠減少產(chǎn)品的開發(fā)費用,降低開發(fā)風險,縮短開發(fā)周期,提高產(chǎn)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(chǎn)品為嵌入應(yīng)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(diào)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(nèi)部時鐘頻率;?

??? (2)在板內(nèi)存可選為2M,、4M或16M字節(jié);?

??? (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(shù)/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(tǒng)的固態(tài)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(guān)系?

??? 擴頻通信機AirLink和WIT915的外部數(shù)據(jù)控制接口是與PC兼容的異步串行RS-232接口,。因此,由PC/104構(gòu)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)收發(fā)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(shè)計與實現(xiàn)?

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(gòu)成一種星型網(wǎng)絡(luò)通信模式。中心站的AirLink擴頻通信機設(shè)置為主模式,。中繼站的AirLink擴頻通信機設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。各個中繼站設(shè)置有不同代號,。各中繼站通信控制器收到中心站發(fā)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(fā)出的站代號是否與事先設(shè)定的本站代號一致;若一致,則將中繼站收到的車輛位置數(shù)據(jù)發(fā)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(fā)出的是廣播差分數(shù)據(jù),則將此數(shù)據(jù)通過WIT915擴頻通信機轉(zhuǎn)發(fā)到車載設(shè)備,。因為各中繼站和中心站的AirLink擴頻通信機接收電平已調(diào)到AirLink擴頻通信機手冊所要求的能夠以10^-8誤碼率傳輸數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(fā)到中繼站的數(shù)據(jù)格式如下:?

??? 查詢信息格式:?

??? 廣播DGPS差分信息格式:?

??? 中繼站應(yīng)答信息格式:?

??? 中心站和中繼站的數(shù)據(jù)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(shè)備WIT915擴頻通信機進行數(shù)據(jù)交換,。若中繼站通信控制器和移動車載設(shè)備通信控制器之間采用查詢的方式進行車輛位置數(shù)據(jù)的交換,由于鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控車輛較多(約85輛),查詢一遍所有車輛位置數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)即可,無需進行車輛位置更新。為了在有限的信道內(nèi)傳送有效的位置數(shù)據(jù),采用了根據(jù)車輛運行速度動態(tài)控制車輛信息報告時間間隔的通信方式,即根據(jù)車輛的運動狀態(tài)來調(diào)整車輛信息的發(fā)送頻度,。當車輛在停止狀態(tài)時,車輛的信息每隔一分鐘發(fā)送一次,以保持和控制中心的數(shù)據(jù)聯(lián)系,。當車輛在移動狀態(tài)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(fā)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(jù)車輛的運行情況來確定,省去了查詢方式下的下行數(shù)據(jù)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(fā)送時,不發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐鲎?利用WIT915擴頻通信機在半雙工模式下的CSMA通信協(xié)議來傳送數(shù)據(jù),。CSMA通信協(xié)議是IEEE802.3協(xié)議中的一種數(shù)據(jù)傳送方式,廣泛應(yīng)用于計算機局域網(wǎng)中,在數(shù)據(jù)傳輸中進行載波偵聽和多重訪問。當需要發(fā)送車輛的位置數(shù)據(jù)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(fā)送數(shù)據(jù),。此時車載通信控制器隨機延時等待數(shù)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(fā)送數(shù)據(jù),信道空閑,可以發(fā)送數(shù)據(jù),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(fā)送狀態(tài),同時發(fā)出載波信息占據(jù)信道,車載通信控制器隨后將數(shù)據(jù)通過WIT915擴頻通信機發(fā)出,。當車輛的位置數(shù)據(jù)發(fā)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(fā)送載波和數(shù)據(jù),讓出信道,供其它WIT915擴頻通信機發(fā)送數(shù)據(jù),。?

??? 采用CSMA通信協(xié)議發(fā)送車輛位置數(shù)據(jù),可以使每一時刻只有一臺WIT915擴頻通信機處于發(fā)射狀態(tài),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(fā)切換時間很短,最大不超過450μs,且WIT915擴頻通信機的數(shù)據(jù)傳輸率可高達38400bps,經(jīng)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(fā)送車輛位置數(shù)據(jù)時占用信道的時間很短,可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r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(fā)送數(shù)據(jù),發(fā)生碰撞。但因所發(fā)送的車輛信息量較小,數(shù)據(jù)傳輸率很高,發(fā)生碰撞的概率很低,。即使發(fā)生碰撞,在擴頻通信中,通信機仍有可能解調(diào)出正確的數(shù)據(jù),。若擴頻通信機解調(diào)出錯,通過CRC校驗進行剔除,通過下一次車輛信息發(fā)送對車輛信息進行更新。?

??? 中繼站轉(zhuǎn)發(fā)的中心站DGPS差分數(shù)據(jù),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(shè)備廣播發(fā)送,。CSMA通信協(xié)議中采用CRC校驗,以保證數(shù)據(jù)的可靠性,。?

??? 通信控制器以CSMA方式發(fā)送數(shù)據(jù)的程序框圖如圖4所示。?

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??? 在有數(shù)據(jù)發(fā)送時,檢測信道,。若信道忙,則隨機延時一段時間,并將計數(shù)器加1,再檢測信道,。如此循環(huán),當計數(shù)器累加到M次后,則退出信道檢測循環(huán)。此時,認為信道忙,并置信道忙標志,此次數(shù)據(jù)發(fā)送放棄,。在信道忙標志置位后,將車輛在停止時發(fā)送數(shù)據(jù)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(zhuǎn)臺數(shù)據(jù)傳輸?

??? 在鐵水運輸過程中,車輛有時會進入鋼結(jié)構(gòu)的廠房內(nèi),。為了使車輛在進入廠房內(nèi)也能夠?qū)④囕v的信息發(fā)送到中繼站,因此,在廠房內(nèi)設(shè)置了中轉(zhuǎn)臺,。通信轉(zhuǎn)發(fā)如圖5所示。

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??? 中轉(zhuǎn)臺設(shè)有兩臺WIT915擴頻通信機,一臺通信機置于廠房內(nèi),另一臺通信機置于廠房外,。轉(zhuǎn)發(fā)通信控制器通過廠房內(nèi)的WIT915擴頻通信機,接收廠房內(nèi)的車輛發(fā)送的信息,然后通過廠房外的WIT915擴頻通信機以CSMA的方式轉(zhuǎn)發(fā)出去,。通信控制器在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時,要使廠房內(nèi)的WIT915擴頻通信機處于禁止接收數(shù)據(jù)狀態(tài),以防止廠房外WIT915擴頻通信機轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)被廠房內(nèi)WIT915擴頻通信機收到,形成循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。?

4 性能分析?

??? 在鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)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(fā)送一次更新的位置數(shù)據(jù),則車輛的位置更新速率最快為每秒一次,。車輛位置數(shù)據(jù)連同同步碼和校驗碼在內(nèi)一共為10個字符(每字符為八位二進制數(shù))。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(shù)據(jù))向中繼站發(fā)送數(shù)據(jù),所需時間為100/19200=5.2ms;若采用CSMA通信協(xié)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(nèi)可傳送不同位置數(shù)據(jù)的車輛數(shù)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(nèi)可傳送不同位置數(shù)據(jù)的車輛數(shù)為192/2=96輛,。因為中繼站和中心站的數(shù)據(jù)交換速率為異步19200bps，因此,可以保證所有車輛的位置數(shù)據(jù)能夠在一秒鐘內(nèi)傳送到中心站,。所以,所設(shè)計的無線通信網(wǎng)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(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠管理85輛車的要求。由于采用CRC校驗,整個系統(tǒng)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(tài)監(jiān)測系統(tǒng)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(xiàn)信道擁堵,、車輛位置無法實時傳送的現(xiàn)象,達到了設(shè)計目的。若管理的車輛數(shù)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(shè)置到不同的信道,車載通信控制器則根據(jù)車輛的位置在不同運動區(qū)域自動將車載WIT915擴頻通信機的信道切換到與此區(qū)域中繼站一致的信道上,即可使所管理車輛的數(shù)目成倍增加。?

參考文獻?

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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