铁水运输动态监测系统无线通讯网设计

在无线通信数传网设计中，通信控制器的设计十分重要。因为对扩频通信机的控制以及无线通信网通信协议的执行都要通过通信控制器来实现。在铁水运输动态监测系统中，采用PC/104作为通信控制器，相对于采用单片机作为内核的通信控制器来说，能够减少产品的开发费用，降低开发风险，缩短开发周期，提高产品的性能。PC/104具有超小尺寸（90mm×96mm），较低的功耗（典型为1～2W/模块），独有的栈接总线消除了底板与插座的成本和空间。PC/104的CPU系列产品为嵌入应用提供了高集成化的模块，并且与IBM PC/AT休系兼容，在PC上调试好的程序可以直接移植到PC/104使用。

选用的PC/104 CPU模块为CoreModule CM/486-2。CM/486模块提供了PC/AT母板的全部功能和一线附加卡的功能，该模块具有CP/AT和MS-DOS全兼容的标准硬件和软件资源。其主要指标如下：

（1）CPU为CX486SLC-2，50MHz内部时钟频率；

（2）在板内存可选为2M、4M或16M字节；

（3）7个DMA通道（相当于8237）；

（4）15个中断通道（相当于8259）；

（5）三个可编程计数/定时器；

（6）16位扩展总线；

（7）和PC完全兼容的两个串行口和一个并行口；

（8）带有可启动系统的固态盘；

（9）带有PC所不具有的看门狗定时器。

2.3 通信控制器和扩频通信机的连接关系

扩频通信机AirLink和WIT915的外部数据控制接口是与PC兼容的异步串行RS-232接口。因此，由PC/104构成的通信控制器与扩频通信机AirLink和WIT915的硬件连接非常简单和方便，只需将扩频通信机的外部数据控制接口直接连到PC/104的串行口即可，由在PC/104中运行的软件控制扩频通信机的数据收发即可。

图2、3所示为通信控制器和扩频通信机的两种连接方式。其中图2为中继站的连接方式，图2为移动车辆的连接方式。

3 无线通信方式的设计与实现

3.1 中继站与中心站

中心站的AirLink扩频通信机与各个中继站的AirLink扩频通信机间构成一种星型网络通信模式。中心站的AirLink扩频通信机设置为主模式。中继站的AirLink扩频通信机设置为从模式，采用半双工的通信模式，由中心站的通信控制器采用轮询的方式控制AirLink扩频通信机和各个继站进行数据传输交换。中心站分别从各个中断站采集各中继站收到的车辆信息，然后按一定间隔向所有中继站广播车辆DGPS定位所需要的差分数据。各个中断站设置有不同代号。各中继站通信控制器收到中心站发出的信息后，首先判断是否是中心站取车辆信息。若是，再判断中心站所发出的站代号是否与事先设定的本站代号一致；若一致，则将中断站收到的车辆位置数据发送到中心站；若不一致则不进行处理。若中断站通信控制器判断中心站发出的是广播差分数据，则将此数据通过WIT915扩频通信机转发到车载设备。因为各中继站和中心站的AirLink扩频通信机接收电平已调到AirLink扩频通信机手册所需求的能够以10 -8误码率传输数据的电平，因此，中心站和中继站采用简单的ARQ方式和CRC校验就可保证数据的可靠传输和交换。

中心站通信控制器通过AirLink扩频通信机发到中继站的数据格式如下：

查询信息格式：

广播DGPS差分信息格式：

中继站应答信息格式：

中心站和中继站的数据传输率为19200bps。

3.2 中继站与移动车辆

中继站的通信控制器通过中继站的WIT915扩频通信机和车载设备WINT915扩频通信机进行数据交换。若中继站通信控制器和移动车载设备通信控制器之间采用查询的方式进行车辆位置数据的交换，由于铁水运输动态监测系统监控车辆较多（约85辆），查询一遍所有车辆位置数据耗时较长。其次，在铁水运输过程中，同一时刻移动的车辆较少，停止的车辆较多，而停止车辆的位置没有变化，控制中心只需保留上次传过来的车辆位置数据即可，无需进行车辆位置更新。为了在有限的信道内传送有效的位置数据，采用了根据车辆运行速度动态控制车辆信息报告时间间隔的通信方式，即根据车辆的动动状态来调整车辆信息的发送频度。当车辆在停止状态时，车辆的信息每隔一分钟发送一次，以保持和控制中心的数据联系。当车辆在移动状态时，车辆信息报告频度随着速度的增加而提高，及时向中继站发送最新的车辆信息。车辆信息的传送时刻完全由车载通信控制器根据车辆的运行情况来确定，省去了查询方式下的下行数据链路占用的传送时间，可以提高车辆有效信息的传送效率和信息的实时性。

为了保证在车辆信息自主发送时，不生数据传输的碰撞，利用WIT915扩频通信机在半双工模式下的CSMA通信协议来传送数据。CSMA通信协议是IEEE802.3协议中的一种数据传送方式，广泛应用于计算机局域网中，在数据传输中进行载波侦听和多重访问。当需要发送车辆的位置数据时，车载通信控制器首先读取WIT915扩频通信机送出的载波检测DCD电平指示。当载波检测DCD电平为高时，表示目前信道中有别的通信机正发送数据。此时车载通信控制器随机延时等待数毫秒，再次读取通信机的载波检测DCD电平。若此时载波检测DCD电平为低，表示此时信道中没有WIT915扩频通信机发送数据，信道空闲，可以发送数据，则车载通信控制器将WIT915扩频通信机的RTS电平抬高。此时，WIT915扩频通信机切换到发送状态，同时发出载波信息占据信道，车载通信控制器随后将数据通过WIT915扩频通信机发出。当车辆的位置数据发送完毕后，车载通信控制器将WIT915扩频通信机的RTS电平置低，使通信机停止发送载波和数据，让出信道，供其它WIT915扩频通信机发送数据。

采用CSMA通信协议发送车辆位置数据，可以使每一时刻只有一台WIT915扩频通信机处于发射状态，从而可以尽量避免碰撞干扰，使车辆的信息传送可靠。WIT915扩频通信机的收发切换时间很短，最大不超过400μs,且WIT915扩频通信机的数据传输率可高达38400bps，经过压缩后的车辆信息又很短（约40bit），因而每个车载通过控制器发送车辆位置数据时占用信道的时间很短，可以保证数据传输的实时性。当然，在极端情况下，有可能两台WIT915扩频通信机同时检测信道空、同时发送数据，发生碰撞。但因所发送的车辆信息量较小，数据传输率很高，发生碰撞的概率很低。即使发生碰撞，在扩频通信中，通信机仍有可能解调出正确的数据。若扩频通信机解调出错，通过CRC校验进行剔除，通过下一次车辆信息发送对车辆信息进行更新。

中继站转发的中心站DGPS差分数据，也由中继站的通信控制器通过中继站的WIT915扩频通信机以CSMA的通信方式向各个车载设备广播发送。CSMA通信协议中采用CRC校验，以保证数据的可靠性。

通信控制器以CSMA方式发送数据的程序框图如图4所示。

在有数据发送时，检测信道。若信道忙，则随机延时一段时间，并将计数器加1，再检测信道。如此循环，当计数器累加到M次后，则退出信道检测循环。此时，认为信道忙，并置信道忙标志，此次数据发送放弃。在信道忙标志置位后，将车辆在停止时发送数据的间隔由1分钟提高到10秒钟。这样做是为了保证在信道阻塞干扰消失后，使所有车辆位置的更新时间最长不超过10秒钟。

3.3 中转台数据传输

在铁水运输过程中，车辆有时会进入钢结构的厂房内。为了使车辆在进入厂房内也能够将车辆的信息发送到中继站，因此，在厂房内设置了中转台。通信转发如图5所示。

中转台设有两台WIT915扩频通信机，一台通信机置于厂房内，另一台通信机置于厂房外。转发通信控制器通过厂房内的WIT915扩频通信机，接收厂房内的车辆发送的信息，然后通过厂房外的WIT915扩频通信机以CSMA的方式转发出去。通信控制器在转发数据时，要使厂房内的WIT915扩频通信机处于禁止接收数据状态，以防止厂房外WIT915扩频通信机转发的数据被厂房内WIT915扩频通信机收到，形成循环转发状态。
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4 性能分析

在铁水动输动态监测系统中，车辆的运行速度最高不超过每小时15公里，即最快每秒运动4.1米（可按5米来估算）。车辆的位置每变化5米，发送一次更新的位置数据，则车辆的位置更新速率最快为每秒一次。车辆位置数据连同同步码和校验码在内一共为10个字符（每字符为八位二进制数）。若车载通信控制器以19200bps速率异步方式（一个起始位，一个停止位，八位数据）向中继站发送数据，所需时间为100/19200=5.2ms；若采用CSMA通信协议在同一信道中通信，在理想情况（不考虑眨时等待和碰撞）下，在一秒钟内可传送不同位置数据的车辆数为1000/5.2=192辆。若考虑延时等各种不利怦，按耗时增加一倍考虑，则在一秒钟内可传送不同位置数据的车辆数为192/2=96辆。因为中继站和中心站的数据交换速率为异步19200bps，因此，可以保证所有车辆的位置数据能够在一秒钟内传送到中心站。所以，所设计的无线通信网具有每秒实时传送更新96辆车信息的能力，达到了铁水运输动态监测系统能够管理85辆车的要求。由于采用CRC校验，整个系统的误码率达到10 -6以下，满足了车辆信息传输所需的误码率要求。

在铁水运输动态监测系统实际运行中，所有车载WIT915扩频通信机和中继站的WIT915扩频通信机都工作在同一信道中，车辆的位置能够及时得到更新，没有出现信道拥堵、车辆位置无法实时传送的现象，达到了设计目的。若管理的车辆数目增加，只需按中继站的通信范围，将中继站的WIT915扩频通信机设置到不同的信道，车载通信控制器则根据车辆的位置在不运动区域自动将车载WIT915扩频通信机的信道切换到与此区域中继站一致的信道上，即可使所管理车辆的数目成倍增加。