铁水运输动态监测系统无线通讯网设计

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摘要：根据铁水运输系统的特点，设计了扩频通信无线数据通信网，其实时传送车辆位置数据的能力大大优于窄带电台组成无线网和利用GSM公用电话网传送位置数据的GPS车辆监控系统，所设计的无线通信网能管理较多车辆，并具有进一步扩容的能力。

    关键词：铁水运输 扩频通信 CSMA DGPS

宝山钢铁集团公司是我国特大型钢铁企业，随着宝钢三期工程的建设实施，传统的铁水运输调度系统已不能适应生产规模扩大的需要。建立新的铁水运输动态监测系统，以提高生产调度的安全性、生产效率、自动化程度和经济效益具有十分重要的意义。

铁水运输动态监测系统采用了当今先进的DGPS定位技术、javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>组合定位技术、地图匹配技术、扩频通信技术、计算机及网络技术，以及地理信息系统技术、电子大屏技术等，解决了在钢铁厂内恶劣工业环境下，铁路线上铁水运输车辆的定位跟踪问题，使调度管理人员在中心站的电子大屏上能实时观测到铁水运输车辆动态位置和状态以及其他有关信息，便于及时、合理地进行生产运输调度。

作为铁水运输动态监测系统的重要组成部分——无线通信网，主要完成中心站与车辆之间的信息传输，其性能的好坏直接影响到整个系统的正常工作。本文介绍的无线通信网已在宝钢铁水运输动态监测系统中应用，通信系统工作正常，稳定可靠，效果良好。

1 无线通信网设计

1.1 系统要求

（1）在1.8km×2.3km的区域内，保证厂房内外的车辆与中心站之间实时通信；

（2）监测车辆85辆；

（3）每个车辆信息更新率最高可达到每秒更新一次；

（4）车辆设备采用蓄电池供电，为延长电池更换周期，需采用低功耗设备；

（5）具有良好的aspx">电磁兼容性，不能对现在正在使用的其他通信设备产生干扰；

（6）抗干扰能力强，能够保证在钢铁厂恶劣工业环境下的可靠通信，误码率小于10 -6。

（7）中心站与车辆之间为双向通信方式。
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    1.2 方案选择

在目前的GPS车辆定位跟踪系统中，无线数据的传输通常采用模拟电台加调制解调器自行组网或通过公用移动电话来完成数据交换。在模拟电台自行组网的数据传输系统中，由于模拟电台的收发切换时间长（约200ms）、数据传输率低（通常为1200bps）、单位时间内传输的车辆位置数据较少，因此，当车辆增多时，车辆位置更新的实时性将大大降低。采用GSM公共移动电话网传送数据，虽然系统容量可以扩大，数据传输率增快，但运行成本较高，而且受公共移动电话网工作状态影向较大，难以满足安全性、可靠性、连续性、经济性的要求。若采用GSM短消息的方式发送位置数据，其数据传送的实时性将无法保证。

根据现场实际情况和系统要求，扩频通信技术是一种理想的解决方案。扩频通信的主要特点有：（1）抗干扰性强，对单频及多频载波信号的干扰、其它伪随机调制信号的干扰及脉冲正弦信号的干扰等都有抑制作用，能提高输出信号的信噪比。（2）发射功率小，一般小于1W，设备功耗较低，因此不会对其他通信系统产生干扰。（3）可以实现码分多址，频带利用率很高。（4）抗多径干扰，可以克服钢铁厂环境下严重的多径干扰对无线数据通信可能造成的影响。（5）无线数据传输速率高，可高达19200bps以上，而误码率小于10 -6，具有信息传输快且可靠的优点。

1.3 无线通信网组成

铁水运输动态监测系统覆盖范围约1.8km×2.3km，区域内分布有高大钢铁建筑物，难以保证视距通信。车辆工作区域有相当一部分在厂房内，受通信屏蔽的影响较大，有些厂房内甚至无法直接与外界通信。另外，为了保证车载设备功耗较低，延长车载设备蓄电池供电时间，车载设备通信采用较小的发射功率。为了保证系统中心站与车辆间无线数据通信可靠，在工作区内设有5个中断站，负责车辆与中心站间的信息转发。在3个通信屏蔽的厂房内高有3个中转台，负责厂房内的车辆与中断站间的信息转发。

中心站位于生产管制中心，通信天线高度约45m，采用全向高增益天线。5个中断站与中心站间的通信采用高增益定向天线，其天线方向指向中心站。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>中继站与车辆间的通信采用高增益全向天线。车载设备和转台采用3dB全向天线。

系统无线通信网由中心站、中继站、中转台和车载设备构成，如图1所示。

2 设备选型和设计

2.1 扩频通信机选择

在铁水运输动态监测系统中根据使用方式的不同，使用了AirLink和WIT915两种型号的扩频通信机来组成无线通信网。AirLink通信机用于中心站与中继站通信，WIT915通信机用来完成中继站和移动车辆间的通信。

AIRLINK 19MP是美国CYLINK公司的L波段无线扩频MODEM数传通信机，可工作于点对点和点对多点工作方式，也可作为转发器或hub来应用。其主要技术指标如下：

（1）工作频段：902～928MHz，16个信道可选；

（2）采用直序扩展工作方式，PN序列长度32bit；

（3）调制方式为BPSK（Bi-Phase Shift Keying），数据速率可达38400bps，信道带宽为1.5MHz；

（4）系统增益（不包括天线增益）为130dB。其中，扩频增益为12dB；

（5）发射功率最大为800mW（29dBm），并且可通过拨码开关选择不同的发射功率；

（6）采用时分双工技术（TDD），可以实现全双工通信，视距传输可达50km。

WIT915是美国DIGTAL WIRELESS公司的扩频通信收发机。WIT915采用组合扩频技术，能够抗噪声和多径衰落，并且同时支持CSMA通信协议和点对点的通信。WIT915扩频通信机的低功耗和小体积很适用于车载台使用。其技术指标如下：

（1）工作频段：903～907MHz，21个信道，具有自动寻找干净信道的能力；

（2）4级可调发射功率，从1mW～1W，最大功率要求符合美国FCC标准，并且功率可自适应调整；

（3）全双工数据速率可达19200bps，半双工数据速率可达51200bps；

（4）射频带宽：700kHz，信道间隔1.2MHz；

（5）采用0dB天线，在视距情况下，传数距离可达1.8km；

（6）在半双工情况下，数据收发转换时间小于0.5ms。
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