無線通信技術在遠程測量系統中的應用

朱蓬勃

（中興通訊股份有限公司，陜西 西安 710114）

1 無線通信在遠程系統中的發展和現狀

通信技術對測量系統的實時性和有效性具有重要影響。隨著技術的發展，數據傳輸的媒介越來越多，這些新技術在很大程度上推動了無線測量的發展。無線通信技術廣泛應用于遠程測量中，主要實現農業大棚、設備、安防等場景的遠距離監測和采集，從而及時了解農作物的生長狀況。早期遠程測量系統出現于20世紀的美國，采用的是控制網絡和有限傳感器結合的方式。目前，遠程測量系統應用于智能家居系統，通過家庭網絡形成智能家居系統，發揮安防和便利生活的作用，同時廣泛應用于樓宇對講等領域。應用遠程測量監測設備，可以避免損失，防范損壞。遠程監測利用因特網和攝像頭等實時監控設備、采集數據，通過網絡實時傳輸數據。設備的遠程測量和監測建立在工業發展的背景下，由于部分設備所運轉的環境惡劣，人員難以進入，無法通過人工的方式實時掌握設備狀況，因此形成了可以應用于工業設備的測量系統[1]。遠程測量系統降低了工業成本，提高了設備的可靠性和效率。以無線通信技術為基礎的遠程測量，相比于傳統的有線測量系統，具有安裝靈活、安裝成本低的特點，實際運用過程中，無線測量系統能根據具體情況進行相應擴展。擴展能力讓無線測量系統能夠適應各種應用場景，如工業、農業、醫療等領域的實際數據測量和現場情況監測，對提高社會生產效率具有積極意義。同時，無線測量系統的廣泛應用會從另一方面促進相關技術的發展，從而使無線測量系統逐漸成為人們生活中不可或缺的部分。

2 測量系統總體結構及相關技術的比較

遠程測量系統可以將工作現場的圖文聲像等數據急性采集，通過網絡途徑傳輸給專業人員，經專業人員匯總研究數據之后，遠程傳達到工作現場的系統。遠程測量系統包括兩大部分，即采集端和遠程測量系統。采集端包括傳感器和無線模塊，運行過程中，采集端可以將采集到的實際信息轉化為數字信息，利用無線方式與計算機相連，將傳感數據發送到監控計算機，監控計算機將接收到的信息發送到分析端，形成無線遠程測量系統。本地測量系統中，需要借助無線模塊傳輸傳感器采集到的數據，無線模塊還具有接收指令完成反饋的功能。遠程測量端涵蓋的內容有現場工程師和GPRS模塊等。遠程測量端的主要功能是評估數據，處理和診斷現場情況，形成數據結果，并將結果以GPRS模塊發送到遠端，利用遠端資源結合現場情況提出解決方案。

測量系統構建過程中，傳感器所需要的短距離無線傳輸可以借助藍牙技術、WiFi技術、ZigBee技術實現，這些技術各有其優缺點。WiFi技術能夠替代有線網絡，實現辦公室、建筑物內的網絡覆蓋，且傳輸速度快，傳輸效率高，能夠實現實時傳輸，但WiFi技術的缺點功耗較高。藍牙技術的傳輸距離更短，所能覆蓋的區域有限，僅能實現室內等小范圍覆蓋，比WiFi技術功耗低；藍牙技術的優勢在于組網方便，資源成本消耗低。ZigBee技術的傳輸距離短，傳輸數據量小，覆蓋范圍相對較大，能夠覆蓋居住區域；ZigBee技術的優點在于功耗低，網絡穩定可靠，具有良好的擴展性。數據短距離傳輸過程中，需要針對實際情況選擇具體技術，例如WiFi技術易受到實際環境，包括地形、墻壁等因素的影響，不適合運用于系統前端；藍牙技術雖然具有穩定、快速、方便等優點，且可以替代有線網絡，但其擴展性差，難以形成傳感器的大規模組網；ZigBee技術是眾多短距離傳輸技術中較為均衡的一項，在網絡的擴展能力和穩定性上具有優點，且具有比較廣的覆蓋面積，能夠使測量系統形成大規模的傳感器網絡[2]。

數據的遠距離傳輸需要通過GPRS網絡或因特網傳輸，這兩種遠距離通信技術是數據實現遠距離傳輸的關鍵。在其優劣勢方面，因特網的應用范圍廣泛，能夠覆蓋部分偏遠地區外的大部分地區，具有兼容性高、帶寬大、傳輸正確率高的特點。因特網常見帶寬最大可達到100 Mb/s，且具有高帶寬的傳輸能力，GPR傳輸方式無法比擬。由于GPRS網絡的帶寬為115～170 kb/s，因此能夠傳輸的數據量較小且傳輸過程中誤碼率較高；但是，其優勢在于靈活、方便，可以使數據傳輸通過GPRS模塊和手機終端實現。GPRS網絡覆蓋率很高，能夠兼容到因特網中，這些特點使GPRS可以在對數據誤碼率要求不高的遠程測量系統中應用。無線測量系統在以GPRS進行遠距離傳輸的過程中，因為GPRS網絡普遍適用于手機，數據的接收終端常為GPRS模塊或手機，所以傳輸的數據需要轉換為適用于手機的數據；因此，傳輸過程中可以選用MMS作為數據載體，從而讓數據從測量系統傳輸到手機終端。無線測量系統實際應用中，充分發揮了個各技術的特點，有效提高了無線測量系統的工作效率，發揮系統的各項應用功能。

3 遠程測量系統的實現

3.1 基于GPRS的遠程測量系統優勢及構建

實際應用過程中，相較于其他技術，基于GPRS的遠程測量系統擁有能夠遠距離傳輸數據的能力。GPRS傳輸在GMS網絡的基礎上進行構建，覆蓋面積較大，并且具有不依賴于因特網的特點，能夠進入因特網無法進入的環境。實際應用過程中，針對GPRS遠程監控的特點，其常應用于惡劣環境，比如采礦和工程車輛中。作業過程中，GPRS遠程監控可以將現場情況和數據利用遠程傳輸網絡傳輸到調度和控制中心，交由后方專業人員評估、診斷數據，達到監測的目的。

GPRS遠程測量系統的構建方式是系統通過現場的傳感器獲得現場溫度、濕度等數據，采用與GSM模塊通信的方式編碼、傳輸數據，或者在數據采集完成后利用MMS進行傳輸。遠距離傳輸實際應用中，具體的傳輸方式有三種。第一，GPRS與因特網結合的方式，即通過與因特網通信的方式，傳輸獲取到的數據和信息；第二，數據采集完成后，采用GPRS模塊登錄GPRS網絡傳輸數據；第三，采用MMS方式完成數據交互。第一種采用GPRS與因特網結合的方式可以傳輸較大數據量，網絡利用率更高；在IP一直存在的情況下，GPRS網絡可以直接傳輸數據和通信。如果采用MMS的傳輸方式，需要建立撥號連接，通過WAP網關傳輸數據。

3.2 基于ZigBee的遠程無線測量系統

由于ZigBee無線網絡具有功耗低、擴展性好的特點，因此在短距離數據傳輸方面具有很大優勢。ZigBee可以基于其優點構建大型傳感器網絡。ZigBee采用與傳感器通信的方式，將現場實際狀況通過ZigBee網絡傳送到協調器，并將數據傳送至后方實現具體的測量工作。構建ZigBee無線遠程測量系統，需要利用ZigBee模塊構建傳感器網絡，還需要ZigBee與傳感器之間進行數據通信，通過構建數據采集和數據通信兩部分完成具體搭建。無線傳感器是遠程測量系統中最基本的節點，構建無線傳感器測量節點時，需要保證其處于正常工作狀態。構建過程中，需要選用適合具體工作環境和符合測量目的的傳感器，確保ZigBee模塊與傳感器之間正確連接，從而實現數據采集和數據傳輸。

無線測量傳輸過程中，由于測量目的不同，可能會引起傳輸數據量大的情況，而數據數據傳輸量過大會影響網絡，導致系統功耗增加或網絡阻塞。這一過程中，需要通過建立相應的機制進行防范，例如將高頻信號數據分割成多個數據包，利用ZigBee網絡傳輸數據包，由協調器收集數據。這個過程中，可能出現數據包丟包的情況，則需要對相關節點發送重傳請求，重新發送數據包[3]。此外，可以采取簡化數據的方法，通過簡化處理數據，利用最基本和最重要的數據推測現場狀況。數據重傳和數據簡化各有其優缺點，數據重傳需要多次傳輸數據，可能會對無線網絡造成負擔，而數據簡化處理難以保存原始數據。針對數據傳輸過程中可能面臨的情況，對以ZigBee為基礎的遠程無線測量系統進行數據切分和簡化，可以提高遠程測量系統的整體運營效率。

4 結 論

無線測量系統在采礦、工業環境等場景下，無法進行有線網絡介入的環境中。無線測量系統在實際構建過程中，需要綜合考慮實際情況，通過合理選用藍牙技術、WiFi技術、ZigBee技術和GPRS等，掌握現場實際情況，對規避可能發生的風險和解決實際問題具有重要意義。