吳杰1, 馮冬青2 （1合肥供水集團，合肥，230011；2鄭州大學電氣工程學院，鄭州，450002）

摘要：本文介紹了數字電臺在自來水管網監測調度系統中的設計、安裝和使用。數字電臺利用數字信號處理、糾錯編碼和數字調制解調等技術，克服了模擬電臺在使用中出現的丟失數據包頭、誤碼率高以及通信經常中斷等缺點。實際應用表明用數字電臺代替模擬電臺的方案可大大提高系統的通信的穩定性和可靠性，為管網壓力監測系統提供了一種較好的選擇方案。
關鍵詞：數據采集;數字電臺;數字信號處理;數據通信;管網監測調度系統
Application of Digital Radio in Tap Water pipe-network Detection Dispatcher System
WU Jie1, FENG Dongqing2
（1Hefei water supply company, Hefei, China, 230011; 2College of Electrical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou, China ,450002）
【Abstract】In this paper, the design , installment and application of digital broadcasting station in tap water pipe network detection dispatcher system are narrated. The shortcomings of analog broadcasting station such as losing heads of data frames, high error rate , frequent communication interrupt and so on are overcome by digital broadcasting stations which make use of the technology of digital signal processing, error correction code and digital modulation or demodulation. Practical application indicates the design which replaces analog broadcasting stations with digital one has enhanced the stability and reliablity of the correspondence of the system greatly and offered a better choice for pipe-network pressure monitoring system.
【Keywords】data sampling; digital broadcasting station; digital signal processing; data communication; pipe network detection dispatcher system


1 緒論
數傳電臺是無線數據傳輸電臺的簡稱[1]。用無線數傳電臺方式實現遠程數據采集、監視與控制，相對于架設專用電纜（或光纜）、租用電信專線等，具有造價低廉、施工快捷、運行可靠、維護簡單、適應性強、擴展方便等優點。數傳電臺分為模擬數傳電臺和數字數傳電臺。現在國內大部分自來水公司的遙控遙測電臺使用的是模擬數傳電臺。模擬數傳電臺價格便宜，應用較廣。但是在實際應用中，它的通信很不穩定，經常丟失數據包頭，誤碼率高，有時甚至造成通訊中斷。分析其原因，模擬數傳電臺是用調頻模擬車載電臺加MODEM芯片改制的，不是專業的數據傳輸產品，而是工作于230MHz數傳頻段的對講機。用這種電臺傳輸數據確實不可靠，原因是有二個根本性的問題不能解決：PTT控制發射時延（100ms以上）帶來前導數據字符丟失和調頻靜尾噪聲帶來的多余字符干擾，特別是在高速數據傳輸或收發轉換快的應用中，如接PLC等，經常發生故障。針對上述問題，本文研究利用數字電臺代替模擬電臺進行遠程傳輸，為解決上述問題提供了一個較好的選擇方案。數字電臺是數字式無線數據傳輸電臺的簡稱。即采用數字信號處理、數字調制解調，具有前向糾錯、均衡軟判決等功能的無線數據傳輸電臺。數字電臺選用的是深圳華夏盛WDS系列產品，該系統已經在合肥供水集團應用，效果很好。經過一年多運行，沒有發現任何故障。

2 無線數傳系統的設計要求
自來水調度部門對無線數傳系統提出了下列四項要求:：（1）自動巡檢多子站的水壓數據。（2）向水司調度中心實時傳送管網水壓運行參數。（3）對采集的數據進行加工，并送入相應的數據庫進行保存。（4）對過去的數據進行統計、分析，并以報表、曲線等方式進行顯示和分析。

3 數字電臺的特點及主要技術指標
3.1 數字電臺的特點
(1) 采用了DSP技術，自適應均衡，前向糾錯技術，速率達到19200bps。電臺在工作穩定性、傳輸可靠性、抗干擾性、傳輸速率和傳輸距離遠遠超過模擬數傳電臺。
(2) 無線系統的安裝實施快,投資見效快。電臺無需特別編程設置,任何常見異步通信協議都可以使用。
(3) 適宜在惡劣的環境條件下使用。電臺要求溫度、電源工作范圍寬，尤其是在干擾嚴重,傳輸路徑阻擋的環境下表現優異。
(4) 具備網管功能:實現空中遠程設置系統內其它電臺參數如串口格式、發射功率、工作頻率等，也可以實現空中遠程監測系統內其它電臺狀態如工作電壓、工作溫度、接收信號強度、信噪比、誤碼率、狀態告警等。

3.2 數字電臺技術指標
1、工作頻段[2]：130~174MHz(1710型)/220~240MHz(2710型)/330~512MHz(4710型)/800~960MHz(9710型)/2.4~2.4835GHz(24810 型)。頻段選擇原則是：低頻段繞射能力強，通訊距離遠，如果頻率允許的話，盡量選擇低頻段產品；高頻段抗干擾能力強，繞射能力弱，適宜電磁干擾復雜而較平坦的地區。當低頻段較擁擠時，選擇高頻段。
2、系統結構：支持點對點或點對多點傳輸，一級或多級中繼組網。
3、工作方式：支持單工,半雙工,全雙工等方式,話音和數據兼容,提供對講通話。
4、傳輸距離：50公里以上(開闊無阻擋)。
5、傳輸速率：19200bps。
6、物理接口：標準EIA-232，通信速率可從300到38400bps可調，完全透明傳輸，無需RTS、CTS等流控信號，無需專用的通信軟件。
7、調制方式：CPFSK。
8、信道間隔：12.5KHz/25KHz。
9、發射功率：100mW~5W連續可調/25W選配。
10、誤碼靈敏度：-111dBm以上（誤碼率BER≤10E-6）。
11、收發轉換時間：3ms。
12、休眠電流：小于18mA。
13、頻率穩定度：±1.5ppm。
14、狀態和錯誤指示：LED狀態指示，包括電源，載波，發射數據，接收數據和各種故障報警。
15、短路保護：有。
16、工作溫度：-30℃~+60℃，工作時：-40℃~+70℃。
17、相對濕度：95%，40℃，無冷凝。
18、供電方式：電臺工作時電壓為10.5~16VDC,發射電流為1.5A,接收電流為125mA。
19、尺寸:5.08*14.29*18.4CM。
20、重量:約1公斤。
21、提供電臺參數設置軟件和網管軟件。
4 無線數傳系統組成
本系統由遠端數據采集終端（RTU）、無線通訊電臺和監測調度中心三個部分組成。其組成框圖如圖1所示。圖中TXD表示數據發送（數據離開功能塊）的端子，RXD表示數據接收（數據進入功能塊）的端子，GND表示地。

圖1 數傳系統組成
數字電臺為無線數據傳輸提供雙向透明通道,電臺一般為標準RS232接口，支持300~38400bps速率，可以設置各種校驗方式和數據長度的異步格式。對于新使用的電臺,一般只需設置收發頻率、發射功率及串口速率。
5 無線數據傳輸的組網方式
本系統的通訊原則是主站通信覆蓋范圍以內的采用主站直接與從站通信，即點對點通信方式，這是最基本的通訊方式，如圖1所示，相當于將一條上位機與終端之間的連接線用兩臺無線電臺替代。實際應用中最常用的組網方式是點對多點組網方式，如圖2所示，主站以輪詢（Polling）方式依次向RTU1,RTU2,……發命令。RTU接收到命令后開始采集數據，數據采集結束后，立即把數據發向主站。主站以輪詢方式接收來自RTU的數據。當時間超過某設定時間后，RTU仍未收到主站命令，RTU自動將采集到的數據存放于自身的存儲器中，以便以后補采。由于存儲器容量不大，所以數據存放時間有限，一般不超過七天。


圖2 點對多點通訊示意圖
需要說明的是，主站使用輪循方式時，輪循周期T（秒）或系統容量N（個）取決于單點的數據量D(bit)、電臺傳輸速率S(b/s)和電臺收發轉換時間t(秒)，它們之間有如下關系：
T≈N*（D/S+t）
在本系統的設計過程中，還采用了一種組網方式即中轉（一級或多級）。這是因為無線電波的傳播基本為直線傳播，低頻段有一定繞射能力。電波在傳播過程中會引起損耗，在無阻擋情況下，主要是自由空間的傳播損耗，但通信路徑上有障礙物時，還會引起阻擋損耗，嚴重阻擋時（如遇山脈或天線附近有高大建筑物），接收端將無法正常接收，所以應盡量避免在山丘和高大建筑物背后設站；如遇該情況，可采用中轉方法解決，如圖3所示。在這種通訊方式中，中轉站起到橋梁溝通的作用，主站命令通過中轉站傳達到分站，分站采集的數據通過中轉站回饋給主站。


圖3 中轉通訊示意圖

6 天線
對于數傳電臺通信來說，天線的選擇和安裝顯得尤為重要[3]。主站為全向天線，以覆蓋各方向分布的子站。子站為定向天線，對準主站天線。通過計算確定中心站和各遠方站天線高度。確定適當的天線高度就是要保證中心站對各遠方站有良好的通信效果。最理想的情況是，收發之間直視傳輸，但站距較長或有障礙物的站段，勢必存在困難，那就要通過測試和計算來確定最佳天線高度。做到既節省建設投資，又滿足傳輸要求。一般情況下，應力求不在負余隙情況下傳輸，但特殊站段，傳輸受障礙物輕度阻擋也可允許，原則是保證足夠的收信電平。

7 中心調度室設備配置及功能
中心調度室是本系統的關鍵部位，它包括一臺主計算機和兩臺服務器。主計算機自動巡回監測各測壓點的水壓[4]。對采集到的各子站數據進行整理、加工，并送到相應主數據庫進行保存，對數據進行統計、分析，并以報表、曲線、文字等方式進行顯示打印。主機管理兩&