摘 要: 介紹基于無線數據通信的分布式實時水文監測" title="水文監測">水文監測系統,該系統具有實時監測和報警、歷史數據本地和遠程查詢、水文趨勢預測和分析等功能。同時詳盡闡述了無線擴頻技術以及無線數據通信" title="無線數據通信">無線數據通信的抗干擾措施等。
關鍵詞: 無線數據通信 擴頻 抗干擾 硬件/軟件設計
長江流域發生洪災的頻率逐年增加,防洪成了治理長江的首要任務。怎樣才能更好地掌握河流的水文特征、預測訊期的來臨?熏做好防洪準備,水文實時監測就成了防水治水的重要環節。為了避免人工監測中存在的弊端,開發了一套無線數據通信的分布式遠程實時水文實時監測系統。該系統具有實時監測和報警、歷史數據本地和遠程查詢、水文趨勢預測和分析等功能。
1 分布式水文監測系統設計、實施方案
整個系統由遙測站、監測主站、Intranet/Internet三個部分組成,其結構組成圖如圖1所示。其中遙測站總共有13個,結構與1#遙測站相同。
1.1 數傳MODEM的擴頻技術[1、2]
WY9678E型無線數傳MODEM是一種新型的直接序列擴頻無線調制解調器,其工作原理為:在發送端直接用具有高碼率的擴頻編碼去擴展信號的頻譜,而在接收端用相同的擴頻編碼進行解擴使之還原成原始信號。具體講:發送端的信號D在模2加法器調制后經偽隨機碼發生器產生擴頻信號,再經載波調制器用QPSK方式調制載波信號,調制后獲得的帶寬擴頻信號經寬帶放大器放大后發射出去;而在接收端,接收的信號放大后經射頻寬帶濾波器處理,提高信噪比并提取所需信號以對齊相位,同步電路拾取發送來的擴頻碼的準確相位,并以此作為同步信號,使其PN碼發生器產生的擴頻信號和發送來的擴頻碼的相位差盡可能小,以此獲得信息數據D。
系統采用擴頻通信技術給設計帶來許多好處:①提高了系統的抗干擾性能,有較高的信噪比;②由于擴頻信號被淹沒在白噪聲之中,不易被發現,因而信號隱蔽性強,且干擾小;③易于實現碼分多址;④提高了通信的抗多徑干擾性能。WY9678E工作在全球通用的、無需申請許可的2.4GHz的ISM波段上,它內置16位80188CPU、信號調制解調器及RS422A/485標準通信接口。采用PLL合成技術使其具有高頻穩定性,采用時分制脈沖編碼調制PCM方式使其具有較強的抗多徑干擾能力等,PC104總線方式的工業控制計算機有較好的通信兼容性,二者配合使用,使通信性能得到了較大的改善。WY9678E與工控機(PC014以及監測工控機)的通信規約如下:
·通信接口:標準異步RS-422A五線制全雙工方式;
·通信字格式:1位停止位、7位數據位、偶校驗;
·波特率:9600bps。
1.2 天線
電臺天線的架設高度及其增益直接影響著通信的質量和距離。為了排除長江流域高山的影響,特制了一種防雷擊和抗電波、多徑干擾的全向天線,架設在岸基,并且與地面的相對高度保持在20~50m之間,增益在6dB~11dB之間,有效改善了系統的通信性能。
2 關鍵技術研究
2.1 強干擾下的遠距離無線電通信技術
由于長江岸邊裝備有導航雷達、電視發射等強電磁場發射裝置,無線電通信信道極易被干擾。而無線數據通信是水文監測信息傳輸的唯一通道,因此強電磁干擾下的無線通信是本系統的關鍵技術之一。
解決這一關鍵技術的途徑是采用兩套頻點不同的數傳電臺作為冗余設計,并在頻點的選擇上避開主要的干擾頻帶,同時采用先進高效的編碼技術和糾錯技術以保證傳輸指令和數據的正確性。
2.2 多徑干擾解決技術
長江流域的特殊地理環境極易造成無線數據通信的多徑干擾。在本系統中,利用擴頻碼之間的相關特性,在接收端把從多徑信號來的同一碼序列相加使有用信號加強,然后取出其中最強的信號,從而達到有效的抗多徑干擾。
3 系統程序設計
在數據服務器上采用Windows NT為服務器操作系統,以SQL Server為數據庫管理系統、Power Builder作為開發工具,開發基于Client/Server程序。監測工控機部分的軟件設計以Windows 9X為運行環境,應用軟件采用Windows視窗技術,且為全新的中文瀏覽器界面,操作界面圖形化,使操作更為直觀、方便、靈活,視窗界面更為友好。
3.1 監測部分
實時監控系統軟件主要完成如下任務:實時監測水文信息與水情、設備故障報警,測量參數的實時集中顯示與存儲,數據管理、分析、統計與查詢,報表的定時和隨機打印等。軟件的功能如圖2所示。監測部分的軟件設計采用Visual Basic和 Visual C++混合編程的方法。主站與遙測站間的通信程序采用Microsoft的MSCOMM ActiveX控件,并通過ODBC驅動數據庫,連接Office97/2000中的Access數據庫。整個應用程序采用模塊化方式編程,其中包括主控模塊、初始化與自檢模塊、通信控制模塊、實時監測模塊、數據處理、監測報警模塊、數據管理模塊、報表定時、隨機打印等。
3.2 通信過程解決方法
在整個程序編寫過程中,實時通信、監測模塊最為重要。通信程序一旦出現問題,整個系統將處于癱瘓狀態。因此,在通信程序中,采用了差錯控制及容錯技術,通信控制過程為:
(1)發命令并接收返回數據。首先將命令和數據分別構成字符串Mark＄和Space＄,根據通信規則設定接收返回數據所需的時間。啟動RTS信號,用查詢方式將對應的P=Mark和P=Space的Mark＄和pace＄以單字節間隔方式分別發送出去后,撤消RTS信號。當接收返回數據的第一個數據時引發OnComm事件,按設定時間間隔啟動定時器。當定時器事件產生時,在定時器事件過程中讀回已接收的全部返回字節,再設定下位機直接上報數據對應的時間間隔并關閉定時器。
(2)下位機直接上報數據。由于預設了下位機直接上報數據對應的時間間隔,當上報數據的第一個數據到來時,對應的情況和接收返回數據一樣。
(3)干擾處理。當單純的干擾數據到來時和下位機直接上報數據的對應時間間隔是相似的,也啟動定時器事件。定時器事件產生后讀入數據,經控制程序分析可拋棄干擾數據。當干擾數據伴隨正常數據一同到來時,可適當加長產生定時器事件的時間間隔,保證讀入所有數據并分析。
通信控制采用上述方法有效地解決了總線爭用、接收/發送數據信號時出現的少收和誤收、數據傳輸誤碼等問題,大大提高了網絡通信控制的有效性和實時性,并可提高設備的利用率。
無線遠程實時水文監測為長江流域的水情預測預報提供了一種較為先進的分析手段。本系統利用了在無線通信領域較為先進的擴頻技術以及較為得力的抗干擾措施保證了系統的安全性和可靠性,有一定的推廣價值,適合水庫、長江支流等水情的監測、預報等。
參考文獻
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4 Advantech公司ADAM4000產品手冊