基于数传电台的无线远程监控系统设计.pdf

第 4 1卷 第 4期 2 0 1 5年 4月 工矿 自 动 化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut oma t i on Vo I ． 4 1 NO ． 4 Ap r ． 2 0 1 5 文 章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 4 0 0 0 9 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 2 5 l x ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 0 3 谭长森． 基于数传电台的无线远程监控系统设计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 4 9 - 1 2 ． 基于数传电台的无线远程监控系统设计 谭 长 森 天地 常 州 自动 化股 份有 限公 司 ， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘 要 针 对 现 有水 源 井供 水 、 污水 处理 等监控 系统采 用有 线通 信 方式存 在投 资 成本 高 、 通 信距 离长 、 数据 传 输速 率低 、 传 输 量 小等 缺点 ， 设计 了一种 基 于数传 电台的 无线远 程监 控 系统 。该 系统 采 用数 传 电 台作为监 控数据 、 视频和语音信号的传输介质 ， 保证 了数据传输的可靠性和 实时性； 采用组态软件作为远程监控软件 ， 实 现 了 系 统 的 稳 定 运 行 。 关键 词 水 源 井 ；远 程监 控 ；数 传 电 台 ；数 据传 输 ；组 态软 件 中 图分类 号 T D6 7 文 献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 5 0 3 3 1 0 8 2 5 网络 出版 地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 3 3 1 ． 0 8 2 5 ． 0 0 3 ． h t ml De s i g n o f wi r e l e s s r e mo t e mo ni t o r i ng a nd c o n t r o l s y s t e m ba s e d o n r a d i o mo d e m TAN Ch a ng s e n Ti a nd i Cha ngz ho u Au t o m a t i o n Co． ，Lt d． ， Cha ngz ho u 21 3 0 1 5，Chi n a Ab s t r a c t I n vi e w o f pr o bl e ms o f l a r g e i n ve s t m e n t ， l o ng c o m mun i c a t i o n di s t a nc e ， l o w da t a t r a ns m i s s i o n r a t e a nd s ma l l t r a ns m i s s i on q ua nt i t y e x i s t e d i n mon i t o r i ng a nd c o nt r o l s y s t e m of wa t e r s up pl y we l l a nd s e wa g e t r e at m e n t wi t h c a bl e c o mm un i c a t i o n mod e， a wi r e l e s s r e m o t e m o ni t or i n g a nd c o nt r o l s ys t e m b a s e d o n r a di o mod e m was de s i g ne d．The s y s t e m u s e s r a d i o mod e m a s t he t r a ns mi s s i o n me d i u m o f mon i t o r i ng d a t a，v i d e o i nf or ma t i o n a nd v o i c e s i gn a l s ，a nd e ns u r e s t he r e l i a b i l i t y a n d r e a l t i me pe r f o r ma n c e o f d a t a t r an s m i s s i o n； u s e s c on f i g ur a t i on s of t wa r e a s t he mo ni t o r i ng s o f t wa r e ， S O a s t o r e a l i z e s t a bl e o pe r a t i on o f t he r e mot e mon i t o r i ng a n d c o nt r o l s ys t e m ． Ke y wo r d swa t e r s upp l y we l l ； r e mot e mo ni t o r i ng a nd c on t r ol ； r a di o m o de m ； d a t a t r a ns mi s s i on c On f i gu r a t i o n s o f t wa r e 0 引 言 许 多 厂矿 通 风 机 、 水 源 井 供 水[ 1 ] 、 污 水 处 理 监 控系统 由于受到环境 、 地理 因素等条件的限制 ， 常处 在 离矿 区 本 部 距 离 比较 远 的 地 方 ， 这 类 监 控 系 统 一 般采用有线通信方式和 GP R S l 3 ] 通信方式与矿本 部 进行 数 据通 信 ， 这 2种通 信 方式 具 有如 下特 点 1 有线通信方式 采用铺设线缆 的方式 ， 通信 可靠性和通信速率比较高， 但是通信距离太长 ， 存在 着 投 资成 本高 、 线 路维 护 困难 等缺 点 。 2 GP RS通信方式 的优点是不需单独铺设线 路 ， 前期投入资金较少 ， 但是运行中费用较多 ， 数据 的传 输速 率 和传输 量很 小 ， 且 该 传 输 方 式容 易受 气 候 条件 的影 响 ； 在 没有 运营 商基 站 的条件下 ， 该 传输 方 式无法 应 用 。 针对 以上通信方式 的缺点， 本文提 出了一种新 型 的基 于数 传 电台 的无 线 远 程 监 控 系统 ， 该 系统 采 用 无线数 传 电 台作 为 传输介 质 ， 不仅 可 以传输 数据 ， 还可以传输视频图像和语音信息。上位机采用组态 软 件控 制现 场设 备 ， 显示 和 处 理 各 种数 据 。基 于数 传电台的传输方式相 比有线通信 和 GP RS通信方 式 ， 具有数据传输可靠性好 、 速率高 、 数据传输量大 收 稿 日期 2 0 1 4 1 1 0 5 ； 修 回日期 2 0 1 5 - 0 1 1 5 ； 责任编辑 张强。 基 金项 目 科 技部科研院所创新资金项 目 2 0 1 4 E G1 2 2 1 9 8 ； 天地 常州 自动化股份有限公司研发项 目 1 2 S Y0 1 3 。 作 者简 介 谭 长森 1 9 8 3 一 ， 男 ， 江苏邳州人 ， 工程师 ， 现主要从事矿 山机 电设备控制方面的研发和推广工作 ， E ma i l t c s 1 9 8 3 1 2 6 ． c o rn。 1 0 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 l卷 和节省 费用等 特点 。 1数传 电 台 数传 电台是数 字式 无 线数 据 传 输 电 台 的简 称 ] ， 即采用数字信号处理、 数字调制解调， 具有前 向纠错 、 均衡 软 判 决 等 功 能 的 无 线 数 据 传 输 电 台 。 区别于模拟调频 电台与 Mo d e m 的模拟式数据传输 电台， 数传电台能够提供标准的通信接 口， 传输速率 达 1 9 ． 2 k b i t ／ s ， 收 发 转 换 时 问 小 于 1 0 ms ， 具 有 场 强 、 温度 、 电压 等指示 及误码 统计 、 状态 告警 、 网络 管 理等 功能 。 数传 电台作为一种通信媒介 ， 它可提供某些特 殊条 件下专 网 中监控 信号 的实 时 、 可靠 的数据 传输 ， 具有 成本低 、 安 装维 护 方 便 、 绕 射 能力 强 、 组 网结 构 灵活 、 覆盖 范 围远 的特 点 ， 适 合 点多 而 分 散 、 地 理 环 境复 杂等 场合 。 数传 电台主要采用频分双工方式 ， 由激励器单 元 、 功放 单 元 、 接 收单 元 、 控制 单 元 、 供 电 电源 、 基 带 单元 等部 分组 成 ， 原 理如 图 1 所 示 。 1数 传 电 台 原理 1 激励 器 单 元 主要 完成 射 频 信 号 的 调 制 和 音频 信号 的处 理 。它 由 功率 放 大处 理 单 元 、 数 字 锁 相环 、 压控 振荡 器 、 电压放 大器 、 功率调 整 电路 、 电源 电路 组成 。 考虑 到 一 般需 要 外接 蓄 电池 作 为 电源 ， 激 励 器 电源输人 可采 用 7 8 0 9 三 端稳压 器稳压 ， 以提供较 宽 的电压 动态范 围。 同时 ， 也 可采 用 多 级低 通 滤 波 器 来改善稳压和降噪效果 。 2 功放 单 元 主 要 任 务 是把 激励 器 送 来 的 射 频信号进行放大， 放大后的信号经过低通滤波器滤 除高 次谐 波后 送给双 工器 ， 最后 通过天 线发射 出去 。 如果 天线 出现 开路或 短路 ， 那么 功率将 反射 回来 ， 此 时检 测 电路 将 反射 回来 的信 号 进行 检 波 ， 然 后 比较 放大 ， 再送 一个 信号 给控 制单元 ， 由控 制单元 控制 相 关 电路关 断功 放 ， 以达到保 护功 放模块 的 目的 。 3 接收单元 可完成射频信号的解调和音频 信号 的处理。它一般 由滤波器、 选择回路 、 高级放大 单 元 、 双平 衡混 频 器 、 一 级放 大 单元 、 二 级放 大 单 元 组 成 。 4 控 制 单 元 以 ATME GA6 4为核 心 来 完 成 数 传 电台工作 状态 的控 制 ， 包 括 收 发信 机 的 频 率合 成 数据 ， 面板 显示器 、 键 盘的控 制 ， 工作频 段控 制 ， 数 传 电台以及话音通信状态的控制等 。 5 基带单元 负责处理数传电台和计算机终 端 的数据 交换 。它 以 DS P芯片 为核 心 ， 并 以单 片机 及 C P L D复杂 可 编 程 逻 辑 器 件 来 组 成 控 制 和 接 口 电路 。同时 以数 模 和模数转 换 以及运 算放 大器 等构 成信 号 与数 传 电台 的接 口电路。基带 单 元采 用 D S P进行 数字 信号 的调制 与解 调 。 2系统设 计 要求 2 ． 1 项 目现 场情 况 华 润 电 力 五 间 房 煤 矿 位 于 内蒙 古 锡 林 郭 勒 盟 西乌 旗境 内 ， 水 源井 共 5 处 ， 最 近 的水 源井 离矿 本部 1 0 k m， 南北 翼 风井离 矿 本部 1 5 k m， 污 水 处 理 厂距 离矿 本部 5 k m， 水 源井 、 风 井 和 污 水处 理 厂 只通 动 力 电缆 ， 年 最 低 气 温 达 一 3 8 ． 6℃ ， 年 最 大 风 速 为 2 9 m／ s ， 冬 季有 冰 雪覆 盖 ， 水 源 井 、 风 井 和污 水 处理 厂 区域无 运营 商信 号基站 。 2 ． 2 系统 设计要 求 通过 无 线远 程 监 控 系统 ， 在 矿 本部 调 度 室 可 以 监测水 源 井 、 风井 和 污水处 理厂 的运 行情况 ， 当设备 出现 异常 情况 时 ， 可 以远 程 人工 干预 现 场 各设 备 的 启停 。 水 源井工作方式设 计为无人值 守模 式 ， 要 求根据 矿 区的用水情 况 自动开停水 源井 的水 泵 ， 且需 测量 管 路 的流量 、 压 力 、 电 动 机 的工 作 电压 和 电流 等 参 数 。 在 水源 井 控 制室 设 置控 制 台、 摄像 机 和语 音 通 信 装 置， 用于矿调度室值班人员观察控制室设备的运行情 况 ， 方便检修人 员和调度 室值 班人员进行通话 。 通风 机 工 作方 式 设 计 为有 人 值 守 、 自动 控 制模 式 ， 每班设 置值 班人 员一 名 ， 要 求实 现通 风机 的 自动 开停 ， 风井 的风量、 风速 、 压力等参数的 自动监测 ， 电 动机 的工 作 电压和 电流 等 电参数 的监视 。在 控制 室 设置 控制 台 、 摄 像机 和语 音通 信装置 ， 用 于矿 调度 室 值班 人员 观察 控制 室 设 备 的运 行 情 况 ， 方 便 现 场值 班人 员和 调度 室值 班人 员进行 通话 。 污水 处 理 厂工 作 方 式设 计 为 全 自动 运行 、 有人 值 守模式 ， 监 控系 统要 求 在 矿 调 度 室监 测 污 水 处 理 厂 的 自动 控制 系统 、 工业 电视 监控 系统 ， 能够 在矿 调 度 室与现 场值 班人 员进 行语 音通 信 。 3系统硬 件 设计 根 据 系统 设 计要 求 ， 无 线 远程 监 控 系统 主要 南 2 0 1 5年 第 4期 谭 长 森 基 于数 传 电 台的无 线远程 监控 系统 设计 1 1 水源 井 、 通 风机 和污 水处 理 等现 场监 控 系统 、 无线 数 据传 输 系 统 和 调 度 室 远 程 监 控 系 统 组 成 ， 如 图 2 所示 。 图 2基 于 数 传 电 台 的远 程 监 控 系 统 组 成 3 ． 1 现 场 监 控 系统 现 场 监控 系 统 主要 由控制 器 、 各种 传感 器 、 视频 监 控 、 语 音对 讲分 机 等部分 组 成 。 控 制 器 按 照 系 统 的 大小 、 功 能不 同而 采 用不 同 的控 制 内核 ， 水 源 井 监 控 系统 以单 片 机[ s ] 为 控 制核 心 ， 通 风 机 和 污 水 处 理 监 控 系 统 以 P L C 为 控 制 核 心 l 6 j 。控 制器用 于采 集 现 场 各 种 传 感 器 的 数 据 ， 并 对 这些 数 据进 行 分 析 和 处 理 ， 按 照 预 先设 计 的 流程 控制现场 的各类开关 、 电动执行机构 ， 保证生产 的正 常运转 ， 控制系统提供标准的 RS 4 8 5或者 以太网等 通信接 口， 方便数据的远程传输。 视频监控选用高清摄像机 ， 布置于厂 区的关键 部 位 ， 控 制室设 置 硬 盘 录像 机 ， 用 于存 储 视 频 图像 。 压 缩 后 的视频 图像 接 入 到 无线 数 据传 输 系统 中 ， 再 经 系统远 程传 输 到矿 调度 室 。 语 音对讲 分 机I 7 主 要 用 于 维 修 人 员 、 现 场值 班 人员 和矿 调度 室 值班 人员 进 行远 程通 话 。 3 ． 2无 线数 据 传输 系统 无线 数 据传 输 系统 主要 由供 电 电源 、 数传 电 台 、 从 站 定 向天线 、 避 雷 器 天线 架 在 室 外 时 和 主 站 全 向天 线组 成 。 供电电源主要将 电网的交流电压转换为数传 电 台能 够 接 收 的 稳 定 直 流 电压 。 由于 现 场 条 件 的 影 响 ， 将 电源输 入 电压 设 计 为 交 流 1 6 5 ～ 2 8 5 V， 以应 对现场供 电电压波 动。为使数传 电台稳定工作， 对 电源 的输 出电压 、 输 出 电流也 进行 了处理 。 数传 电台是整个无线数 据传输系统 的主要设 备 ， 本 文 选用 i NE T3 0 0 ／ 9 0 0型 电 台。数 传 电 台工 作 的频 点低 ， 具 有很 强 的绕 射 能力 和穿 透能 力 ， 传 输距 离远 ， 同 时 由 于 其 采 用 数 字 信 号 处 理 技 术 与 F E C F o r wa r d E r r o r C o r r e c t i o n ， 前 向 纠 错 技 术 ， 所 以 具有较高的信号接收灵敏度 ， 并能保证信号 的可靠 传 输 ， 且 在低 温环 境 、 电 网电压 波动 大 的情况 下能 正 常工作 ， 更适 应 野 外 无 线环 境 比较 恶 劣 的情 况 。数 传 电台提供 以太 网和 串 口， 配 合 视 频 服务 器 及 其 他 设备 ， 可以同时传输图像 、 话音和数据信息。 天 线 分 为从 向天 线 和定 向天 线 ， 从 向天线 用 作 信 号发 射 端 ， 固定 向 1 个 方 向发射 频率 信号 ； 全 向天 线用于在信号接收端全向接收频率信号。当天线安 装 在户 外 时 ， 还需 要 加装 避雷 器 。 3 ． 3调度 室远 程 监控 系统 远程 监 控 系统 主要 是 接 收水 源 井 、 通 风 机 和污 水处理 厂 等现 场监 控系 统通 过无线 数 据传输 系 统传 输过来 的视频 、 语音 和监 控 数据 ； 视频 数据 经过解 压 缩处 理 ， 显示 在综 合调度 大 屏幕 上 ， 供 调度 室值 班人 员观察现场情况， 语音信号接入矿调度通信系统 ， 监 控数 据接 入监 控上 位机 。上 位机 选用 成熟 的组 态软 件将 3 个 子 系统 的监 控 数 据 以动 画 、 图像 和 文字 等 形式 显示 在大 屏幕 和调 度显 示器 上 。 调度室值班人员通过视频 图像 、 语音信息和监 控上 位机 监控 画 面 了解 现 场 设 备 运行 情 况 ， 当现 场 设备工作异常时 ， 值班人员通过语音和现场人员联 系 ， 必要 时启 动调 度优 先权 直接 控制 现场相 关设 备 ， 以确保现 场 生产 的安全 。 4系统 软件 设计 无线 远程 监控 系统 软件 设计 包括 现场 监控 程序 设 计 、 数 传 电 台的软 件 设 置 和调 度 室 远 程监 控 程序 设计 。 4 ． 1 现 场监 控程 序设 计 水 源井 监控采 用 单 片机 为 控 制 内核 ， 利 用 C语 言 编写控 制程 序 ， 程序 流程 如 图 3所示 l_ 8 ] 。 通 风机 和污水 处 理控制 都 以 P L C为控 制 核心 ， 软 件编 程采 用 P L C 自带 的软件 编写 ， 主要 流 程 和水 源 井 的监 控 程序一 样 。 4 ． 2 数 传 电 台 的 软 件 设 置 I n S i t e 无 线 系 统 网 络 软 件 是 i NE T3 0 0 ／ 9 0 0型 数 传 电台 自带 的一 款 配置 和 管 理 软 件 ， 可 以 对 整个 多 址系 统 的基站 、 远程 站 、 中继 站和点 对点 系统 进行 监 测控 制 ； 可 以很 方 便 地 在 办公 室监 测 整 个 系 统 电 台的工作状态 ， 系统维护 、 参数修改均可通过该软件 进 行远 程操 作 。该 软 件具有 以下功 能 1 内置 R TU 模拟器 可 以用 I n S i t e 将 网络 中 任 何 电台 的 R TU 模 拟 器 打 开 ， 检 查 无 线 链 路 的 质 量 和 电台设 置 。 2 远 程 电 台设 置 许 多 电 台的 参 数 可 以 通 过 无 线 信道 远 程设 置 ， 如 输 出 功率 、 设 备类 型 、 发 送 接 1 2 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 图 3 水源井监控程序流程 收频 点 、 数 据速 率和 格式等 。 3 监测 无 线 电系 统运 行 状 态 ， 诊 断 通 信 中的 由电台 、 RT U、 电源或传 输路径 引起 的 问题 。 4 支 持 使 用 编 码 操 作 开 关C O S C o d e O p e r a t e d S wi t c h 用 1台 P C机 连接 多个 位 于 同一 地点 的基 站 电台 。 4 ． 3调 度 室远程监 控程 序设 计 调 度 室 远 程 监 控 程 序 采 用 成 熟 的组 态 软 件 设 计 ， 组态 软件 具有 界 面 友好 、 设 计 简 单 、 操 作 方便 等 优 点 ， 具有 查 询 、 监 控 功 能 ， 不 同 的登 录帐 号有 不 同 的权 限 ， 可确保 系统 远 程监 控 的安 全性 。调度 室 远 程监 控程 序流 程如 图 4所 示 。 5 结 语 基 于数传 电台的无 线远 程监控 系统 选用数 传 电 台作为无线传输介质 ， 具有抗干扰能力强 、 传输距离 远 、 传输速度快等特点 。该 系统已在现场运行一年 多 ， 效果 良好 ， 解决 了水 源 井 、 通 风 机 和污 水 处 理厂 的数据 远程 传输 问题 。 参 考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 王 吉 星 ， 李 凤 霞 ， 靳 保 全 ． 矿 山 水 源 井 群 远 程 测 控 系 统 设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 6 9 O 一 9 2 ． 王亭顺． 水源井 群无线集 中监控 系统在矿 山的应用 研 究[ J ] ． 水力采煤与管道 运输 ， 2 O 1 2 3 2 5 2 7 ． 蒋煜琪 ， 谷兆贵 ， 史旺旺． 基于 Z i g B e e 和 G P R S的多通信 功能无线测控系统[ J ] ． 机 电工程 ， 2 0 1 4 6 1 4 2 1 4 6 ． [ 4 ] [ 5 ] E 6 3 [ 7 ] E s ] 图 4 调度 室远程监控程序流程 闫复利． 全双工 无 线数 传 电 台[ J ] ． 兵 工 自动化 ， 2 0 0 9 1 2 3 3 3 5 ． 王静． 基 于单 片机 的数据 串 口通 信[ D ] ． 重庆 长汀 大 学 ， 2 0 1 3 ． 贾斌 ， 冯晶． 基于 P L C控制的多泵站远程监控系统设 计 与实现[ J ] ． 南水北调与水利科技 ， 2 0 1 1 7 1 4 8 1 5 2 ． 于丹． 微小 型 宽 频 段 无 线 语 音 对 讲 系 统 研 究 [ D] ． 北京 北 京邮电大学 ， 2 0 1 3 ． 李红 ， 赵玉新 ． 软件开发流程实训 [ M] ． 北 京 电子工 业 出版 社 ， 2 0 0 5 ．