無線數據傳輸系統的應用研究

董雪

摘 要：由于某石油化工廠需求大量的工業用水，針對該廠的供水問題，文章提出了采用無線數據傳輸技術，在遠用的流量變送器上安裝無線網關，通過設備的RS485接口，采用MODBUS協議將流量計的累計流量數據接入無線電臺，從而獲取數據。最終達到提高供水效率，集中管理的目的。

關鍵詞：無線數傳；無線網關；天線；協議轉換

引言

某石油化工廠屬于大型工業生產企業，工業用水量非常大。企業所用工業水采集點遠在數公里之外，通過輸水線路傳輸至廠區、生活區等30個用水點處，各用水點分布在東西約長10公里，南北約5公里范圍內。現在各用水點采用電磁流量計計量用水量，建設初期考慮到電纜敷設路徑較遠， 信號衰減大，而且電纜在野外也容易遭到破壞， 所以未敷設信號電纜，沒有實現集中管理，由工人定時到各計量站人工抄表，極大的增加了工人的勞動強度，也非常不利于時監控用水量的變化，不利于廠區自動化管理。現今，無線技術已經廣泛應用于各種遠距離傳輸系統中，為了減輕工人勞動強度，實現數據的實時無線傳輸，隨時掌握用水動態，達到提高供水效率，集中管理的目的。

1 總體設計方案

流量信號無線數傳系統由前端設備和后臺接收設備組成。前端采用專為高效的無線波段而設計的EP105H-G無線網關（包括完整的收發射裝置）、通過天線將信號發射至后臺接收設備。后臺設備安裝在控制室內，采用與之相匹配的EP105H-G中心調度機進行接收、通過交換機將信號在操作站上進行監控.國家信息產業部無線電管理局專門給此類無線系統辟出了223～235 MHz的無線數據通信專用頻段。傳輸速率可在1200/2 400/4 800/9 600 b/s之間調整[2]，如圖1所示。

2 無線網關的工作原理

無線網關接收流量變送器輸出的流量信號，信號形式可為4～20mA模擬信號，也可為RS485信號。考慮到模擬信號在傳輸中會產生偏差，我們采用RS485通訊方式，通訊協議采用標準MODBUS協議。再將信號完成調制，由無線發射端將信號發射出去。使用EP105H無線端口允許EP105H-G與其它EP105H-G和/或EP105H模塊進行通訊。從EP105H 模塊中發出的信息被無線端口接收并刷新EP105H-G無線接口的輸入數據庫。無線端口同時也可以將主設備的控制信號通過無線方式輸出到遠程的EP105H模塊。只要輸入信號發生改變就會立刻發送信號。也可組態按設定時間定時發送，每一個發送的信息都包括錯誤檢測以確認信息的準確性。如未收到確認信息則該信息將重發5 次[3]。

EP105H-G單元可以作為“數據中心”單元，此單元從EP105H 無線輸入/輸出（I/O）模塊的局域網收集輸入/輸出（I/O），并且把這些輸入/輸出（I/O）作為一組傳輸到另一個EP105H-G如圖2所示。

此種類型的網絡可以避免無線通信信道的擁擠，適合有大量輸入/輸出（I/O）模塊的系統采用。這一系統被分成局部分支網絡，每一網絡都有一個EP105H-G單元。EP105H模塊傳輸輸入/輸出（I/O）值到這些EP105H-G。然后EP105H-G使用成組轉換器把這些值發送到“中心”EP105H-G。比起大多數單個的輸入/輸出（I/O）傳輸，成組轉換器效率更高。

EP105H-G 模塊可以可靠地完成遠距離的通訊。不同的應用，影響通訊距離的因素也會不同，主要由天線型號和安裝位置、無線干擾程度，以及路徑中的障礙物（如小山或樹林）等來決定。請咨詢當地經銷商了解符合當地無線電規則的期望的距離。如果兩個EP105H-G模塊之間不能進行可靠通訊，就需要使用第三個EP105H-G作為中繼先接收然后再轉發信號。此中繼器也有輸入/輸出（I/O）信號，是輸入/輸出（I/O）網絡的一部分[4]。

3 天線的設置

數據通過天線載體進行無線發射，為了取得最大通訊距離，天線應當高于通訊路徑中的障礙物的高度，達到無線路徑真正的“可視”。由于地球表面本身的曲度，通訊距離要超過5千米（3英里）。天線至少要高于地面5米。對于短距離通訊，即使路徑中有障礙物，EP105H 模塊也能可靠通訊。當然，靠近天線的障礙物對通訊的影響遠遠大于通訊路徑中的障礙物。比方：天線附近的一排樹是很大的障礙物，天線必須要架設得比樹高。如果在100米外，那這排樹對通訊的影響就很小了[5]。

天線可以用50歐姆的同軸電纜連接到模塊的同軸電纜連接盒的公口上。天線安裝得越高，傳送距離越遠，然而同軸電纜長度的增加同時也增加了電纜的損耗。天線應該嚴格挑選，避免超過其允許的最大功率。一般情況下，天線/饋線系統的凈增益不應超過2dB。

4 對原流量變送器的改造

原區域范圍內的流量變送器已經配有RS485接口，在安裝無線網關之前，我們對數據傳輸進行了實驗性測試。

室內測試設備：105-G-MD1無線電臺一臺，IFC300流量計一臺。

調試的目的：通過兩臺設備的RS485接口，采用MODBUS 協議將流量計的累計流量數據接入無線電臺。

實驗結果如下：

截獲的串口碼為：主機發送代碼：（皆為十六進制數）

0x04 Modbus 功能碼 04 代表讀寄存器數據0x08 代表字節數，此處為08，即后面有8個數據字節0x40 B0 40 C3 CD 0E 2C A2代表數據區，即計數器1值

0x19 31代表循環冗余碼校驗（CRC）從截獲的串口數據來看，流量計的累計數據可以讀回，該設備遵循Modbus RTU slave 的協議工作模式。發現問題：流量計把流量的累計數據存放到了30020號的地址中，這個地址號偏大， 也就是說，雖然流量計與數傳電臺均使用的是Modbus RTU slave 的協議，但兩者之間寄存器地址并不相同， 從電臺配置的30021號地址讀到的流量計的中20號寄存器的數據，并不是我們期望的流量累計數據，兩臺設備之間主要存在寄存器地址不兼容的問題。

為了解決這個矛盾，我們在這兩臺設備間加裝了一個協議轉換裝置（起到地址變換的功能），鑒于流量計產品的特殊性（寄存器號過大），市場不易買到現成的轉換產品，我們對這種協議轉換裝置進行了特殊定制。最終試驗： 將定制好的協議轉換器與數傳電臺重新進行匹配，結果，讀數一致。將此問題圓滿解決。

5 結束語

系統采用無線傳輸管理系統之后降低了綜合成本，即只需一次性投資，無須挖溝埋管，且維護費用低。系統經過調試運行，保證了在廠區內的水表數據的無線傳輸，且運行穩定、實時性強、誤碼率低，滿足全部生產要求。上位系統功能齊全，能夠保存歷史數據長達1a，為生產的成本分析提供了強大的保障，降低了清水用量和生產開支，同時降低了生產勞動強度，提高了管理水平。

參考文獻

[1]許輝，王永添，陳多芳.現代通信網技術[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2]OSGI.Open Services Gateway Initiative Specification Overview.2000.

[3]曾鵬，徐皚冬.工業無線通訊技術 儀器儀表標準化與計量，2007，（1）：21-23.

[4]劉元安，葉靚，邵謙明，等.無線傳感器網絡與TCP/IP網絡的融合[J].北京郵電大學學報，2006，12（6）：8-10.