無線數傳技術在遠距離數據通信中的應用

蘭奇發，馬小照，麻榮武

（國家管網集團深圳天然氣有限公司，廣東 深圳518120）

1 立項背景

國家管網集團深圳LNG接收站位于深圳東部迭福片區，占地面積約27公頃。該項目是深圳市“十二五”能源基礎設施重點建設項目，其建成和投產運營對保障深圳市長期穩定安全的天然氣供應、優化能源結構和布局、推進節能減排、改善生態環境具有重要意義。

深圳LNG接收站中壓氣態外輸管道通過深圳燃氣迭福門站連通至下游城市燃氣用戶和下游工業用戶，從接收站計量區至迭福門站計量區界墻管線直線距離不遠，沿天然氣管線采用直埋方式布設專用通信光纖，兩站控制室間的控制系統通過光纖傳輸共享數據。2018年5月30日，為貫徹全國天然氣“一張網”的結構布局及冬季保供期國家“南氣北送”國家保供應急重點工程，新建深圳LNG至大鵬LNG聯通線工程啟動。工程項目起點為深圳燃氣迭福門站，終點為大鵬LNG福華德支線，由于工程項目迭福門站外管線走向重疊，施工作業面狹窄，又恰逢施工期間惡劣天氣引發滑坡等，導致原接收站至迭福門站所用的數據通信光纜遭到破壞，被損壞的光纜短期無法修復，急需考慮其他方式維持兩個站點間控制室的通信數據傳輸，特別是接收站和下游管線不斷變化的用氣調度下，保障接收站BOG外輸和迭福門站氣源調配的正常生產尤其重要。

2 主要目標

鑒于天然氣外輸上下游站點直線距離較短，控制室之間處于空曠環境中，經調研采用當前低成本、易于實現、成熟可靠無線傳輸方案，不需要增加管線開挖施工工作量，解決接收站工藝儀表間和深燃迭福門站控制系統通信問題，采用成本低廉的無線數傳電臺方式傳輸成為首要選擇。在正常通信設計中，將現有通信架構通過485串口通信接入接收站控制系統串口服務器，迭福門站的隔離RTU控制器單元作為MODBUS串口通信從站設備，接收站控制系統為主設備，采用沿管線鋪設的單模光纖作為傳輸媒介，光端兩側配置485通信光電轉換器。

接收站工藝儀表間和迭福門站控制室機房直線距離約為500m，接收站內工藝儀表間建筑物為兩層樓高的鋼筋混凝土結構，機房處于二樓；深圳燃氣迭福門站機房為三層樓建筑結構，機房位于一樓位置，兩個控制室直線距離無遮擋。接收站還有周界實體圍墻和迭福門站周界實體圍墻高度均不大于3m，中間被市政S30省道公路和排水溝阻斷，在兩邊機房無線數傳電臺除受墻體遮擋外沒有其他障礙物。鑒于通過修復有效有線數據通信線纜鋪設工期較久，而且該區域為新建工程和已投用管線的復雜施工交叉作業面，并且處于南方區域雨季，易發泥石流地質災害，修復管線及光纖作業難度非常大，因此為及時解決光纖信號衰減和遠距離傳輸穩定性問題，采用無線數傳電臺的傳輸方式為最佳方案。

3 主要研究內容

3.1 無線傳輸技術現狀

近年來，無線傳輸技術隨著社會的日益發展不斷進步，無線傳輸技術應用越來越廣泛。短距離無線傳輸技術包括WIFI、藍牙、UWB、MTC、ZigBee、NFC、GPRS、NB-IoT、Lora，信號覆蓋范圍則一般在幾十厘米到幾百米之間。近距離無線傳輸技術主要應用在局域網，比如家庭網絡、工廠車間聯網、企業辦公聯網。

在解決用戶無法通過有線傳輸的技術難題上，無線通信技術在工業控制行業逐漸被推廣應用，現有的無線傳輸方案特點如下：

第一，高功耗、高速率的廣域網傳輸技術，如2G、3G、4G蜂窩通信技術，這類傳輸技術適合于GPS導航與定位、視頻監控等實時性要求較高的大流量傳輸應用。

第二，低功耗、低速率的廣域網傳輸技術，如Lora、Sigfox、NB-IoT等，這類傳輸技術適合于遠程設備運行狀態的數據傳輸、工業智能設備及終端的數據傳輸等。

第三，高功耗、高速率的近距離傳輸技術，如WIFI、藍牙，這類傳輸技術適合于智能家居、可穿戴設備以及M2M之間的連接及數據傳輸。

第四，低功耗、低速率的近距離傳輸技術，如Zig－Bee，這類傳輸技術適合局域網設備的靈活組網應用，如熱點共享等。

綜合以上特點，當前無線傳輸技術的發展趨勢是以低功耗廣域網絡為主，采用低速率的廣域網技術將是解決接收站工藝儀表間和迭福門站機房間的首選應用，綜合當前數據傳輸類型和數據量，Lora技術可以作為重點研究應用方向。

Lora是LPWAN（Low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網）通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的、能實現遠距離傳輸、長電池壽命、大容量的系統，進而擴展傳感網絡。目前，Lora主要在全球免費頻段運行，包括433/868/915MHz等。

3.2 無線傳輸頻段簡介

在無線通信領域中，電磁波的頻率范圍的單位為Hz，按照頻率的大小，全球通信頻率應用可以分為如下頻率：

3.2.1 2.4G/5.8G家用路由器頻段

2.4G，全球免費通用頻段，家用路由器，無線模塊，數傳電臺，實時遙控；

915M，北美免費通用頻段；

868M，歐盟免費通用頻段；

780M，中國新開物聯網頻段；

470M，中國國家電網計量頻段，無線抄表；

433M，中國免費通用頻段；

315M，遙控器使用頻段；

230M，中國電力系統專用頻段；

169M，歐盟無線抄表頻段。

3.2.2 4G、3G與2G/GSM/GPRS頻段

（1）4G頻段：1800～2700MHz（1.8～2.7GHz）。中國移 動 ：1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz；中國聯通：2300-2320MHz、2555-2575MHz；中國電信：2370-2390MHz、2635-2655MHz。

（2）3G頻段：1800～2200MHz（1.8～2.2GHz）。中國移動：1880-1900MHz；中國聯通：1940-1955MHz(上行)、2130-2145MHz(下行)；中國電信：1920-1935MHz(上行)、2110-2125MHz(下行)。

（3）2G/GSM/GPRS頻段：800～1900MHz。

3.2.3 中國三大運營商頻段

中國移動：890-909MHz（上行）、935-954MHz（下行）、1710-1725MHz（上行）、1805-1820MHz（下行）。

中國聯通：909-915MHz（上行）、954-960MHz（下行）、1745-1755MHz（上行）、1840-1850MHz（下行）。

中國電信：825-840MHz（上行）、870-885MHz（下行）。

根據以上不同頻率功能劃分，無線傳輸技術應用頻率為170MHz、230MHz、433MHz、780MHz、915MHz、2.4GHz等免費頻段，不同頻段適用不同場景對于數據傳輸的要求，比如數據量大小、功耗要求、傳輸距離及安全性要求等。低功耗遠距離通信技術具有遠距離、低功耗、低成本、覆蓋容量大等優點。遠距離和覆蓋容量大意味著可以覆蓋的面積更大，服務更多的用戶；低功耗可以延長電池壽命及保證更小的維護成本，而低成本收發器芯片可以有效減少部署成本，基于特定應用特性。低功耗遠距離無線通信及網絡技術適合于物聯網終端設備，包括常見的長距離收發數據量少的軍事應用場景。Lora是發展較快、相對較成熟的技術，目前成為物聯網應用的重要基礎技術。

3.3 遠距離無線傳輸頻率需求

根據現有接收站和門站機房之間空間距離現狀，采用無線通信技術。通信存在相應技術問題，如電磁波容易出現衰減、抗干擾性差等。針對衰減問題，由于電磁波具有波粒二象性，而且使用的頻率范圍從幾百兆到幾千兆，所對應的波長范圍也很廣，所以電磁波在自然和人文環境中傳播時，遭遇的場景有繞射、反射、折射和衍射等，因此電磁波特性決定了所應用場景局限性。

當電磁波遇到尖角或薄邊的阻擋物會發生繞射。也就是說當電磁波躲不過這個障礙物但是不至于被反彈回來的時候，就從這個阻擋物旁邊繞過去。這種行為稱之為電磁波的繞射。

當無線電磁波遇到遠大于波長的障礙物表面的時候會發生反射，這種反射的現象跟我們拿著鏡子把光線反射回去的原理是一樣的，這種反射一般都是建筑物間的反射。

當電磁波從一種介質斜射入另一種密度不同的介質時，它不會完全反射，而是傳播方向發生變化，這時候就會發生電磁波的折射。在無線通信里，這種現象一般出現在電磁波的大氣折射中，因為從地面到天空上的空氣是越來越稀薄的，空氣密度也會呈現一定的梯度變化，所以電磁波在空氣中傳播時會有大氣折射現象的產生。

當電磁波波長大于或等于障礙物尺寸時會發生電磁波衍射現象，波長越大則衍射現象就越顯著。如果用于短距離傳輸，電磁波頻率選擇低頻為主，波長較長可以避免較多障礙物情況下的衍射，而且繞射效果較好，可以達到較穩定網絡電磁波的傳輸效果。當相比之下較低頻率電磁受干擾較多，應用于抗干擾要求不高的場合。

當前無線通信技術主要有兩類：一類是Zigbee、WIFI、藍牙、Z-wave等短距離通信技術；另一類是LPWAN，即廣域網通信技術，包括LPWAN通信中授權頻譜（2、3、4G蜂窩通信技術）和未授權頻譜（Lora、Sigfox通信技術）等。

經現場勘察，接收站工藝儀表間和迭福門站機房距離約500m左右，以接收站工藝儀表間為起源中間障礙物結構依次為：儀表間機房墻體、接收站圍墻、門站圍墻、門站機房墻體，除機房墻體距離機柜較近外，各建筑物圍墻相隔較遠，影響電磁波因素較小。

因此，接收站和迭福門站的控制室機房的無線傳輸通信技術應用，根據數據通信頻率優缺點對比，以及應用可靠性和安全性，可采用低頻433MHz頻段，可在此頻段選擇最佳最優應用無線技術產品。

3.4 無線傳輸應用方案

現有接收站和迭福門站上下游數據傳輸的網絡中，雙方控制系統均為獨立不同的控制系統，并且屬于不同企業主體，網絡安全和數據安全尤其重要，因此無法進行直連傳輸。經雙方討論優化技術方案，采用增加中間數據隔離單元，防止直接訪問對方系統，因此增加支持多協議接口RTU控制器單元作為隔離單元，兼顧實現雙方系統現有接口，確定采用RS485串口通信為最合適協議方式，基本滿足傳輸兩百多個實時數據量的應用需求，RS485通信為所需按RTU控制器和雙方控制系統接入網絡硬件兼容性最好的應用協議，因此在原來有線連接采用的485串口通信協議，如采用無線數傳電臺也將繼續采用支持RS485協議的無線數據傳輸模塊。經過市場調研應用，評估現有應用場景，選用成都億佰特電子科技有限公司的E90-DTU（433C37）型工業級無線數傳電臺，其符合雙方應用需要，該產品應用場景如圖1所示。

圖1 E90-DTU無線數傳電臺應用場景

該產品技術特點如下：

支持高速連續不間斷傳輸、數據不分報，適配Modbus協議；

發射功率最大達5W，所有技術指標達到歐洲工業標準；

采用溫度補償電路，頻率穩定度優于±1.5ppm；

工作溫度范圍:-40℃～+70℃，適應各種嚴酷的工作環境，是真正的工業級產品；

全鋁合金外殼，體積緊湊，安裝方便，散熱性好；完美地屏蔽設計，電磁兼容性好，抗干擾能力強；

電源逆接保護、過接保護、天線浪涌保護等多重保護功能，大大增加了電臺可靠性；

強大的軟件功能，所有參數可通過編程設置:如功率、頻率、空中速率、地址ID等；

超低功耗，守候電流僅為50mA（節電模式及睡眠模式功耗更低），發射電流≤1.2A（5W時）。

內置看門狗，并進行精確時間布局，一旦發生異常，模塊將自動重啟。

在無線數傳方案應用中，該產品也體現出較好功能配置應用，E90-DTU無線數傳電臺產品配置如圖2。

圖2 E90-DTU數傳電臺連接編程示意圖

4 研究成果介紹

4.1 操作維護成本低

基于接收站和迭福門站采用無線數傳電臺應用方案，現有設備無線傳輸通信運行穩定，操作維護成本非常低，數據傳輸通信質量較好。

由于當前Lora技術采用簡單的點對點通信網絡架構，兩個站點間一個發起另外一個接收，數據傳輸模式單一，網絡架構優勢成本較低，網絡實時性較高，在現有通信設置模式不變的情況下，在兩地控制室機房將RS485光電轉換器更換為E90-DTU模塊后，將模塊通電而實現經專用配置軟件設置通信完成后即可正常工作，外置增益天線可實現穩定可靠傳輸，操作應用簡單可靠。

4.2 網絡傳輸可靠安全

在使用無線模塊時，考慮到無線數據傳輸信號強度的要求，E90的理想傳輸距離為20km，發射功率為5W；為保障更好的效果，結合現有控制室機房距離等實際應用環境特點，采用天線增益的方式，將天線引出至控制室房頂，保持和迭福門站機房處的接收天線具有直線無遮擋效果，傳輸信號非常強。并經過信號測試，附近沒有存在相應頻段信號，提高了網絡通信質量和安全。

5 經濟效益與社會效益

5.1 物聯網推廣

本項目選用適合接收站和迭福門站的特定應用環境需求的物聯網無線通信技術，解決了連接出站管線光纖網絡中斷，無法實現數據傳輸的難題。改用無線數據傳輸方案的網絡建設成本低廉，且完美實現生產共享數據實時傳輸。

Lora技術因為低功耗、深度覆蓋、容易部署等優勢，使得其非常適用于功耗低、距離遠、大量連接及定位跟蹤等的物聯網應用。結合改善城市管理有效性，其給建設綜合物聯網帶來了可能性，并在智慧城市建設中起到越來越重要的作用。

5.2 創新技術應用

現有接收站內的控制系統和可編程控制器（PLC）單元等第三方設備采用有線485串口通信協議。對于改擴建新增設備通信方式，除了采用有線數據傳輸選項外，也可采用無線方式進行數據通信。本文探索了新的創新應用，為后期控制系統設備功能擴展、設備聯網接入及功能改造提供一種全新應用解決方案，將物聯網技術逐漸融入工業控制系統應用中，從而提供了良好的實踐和新嘗試。