鄭健兵，藍(lán) 彥，黃華東，占亮亮

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院大壩及工程監(jiān)測研究所，江蘇 南京 210003）

0 引 言

隨著工程安全監(jiān)測日益受到重視，安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)也得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)據(jù)通信是工程安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)的主要功能之一。由于工程安全監(jiān)測系統(tǒng)擁有眾多監(jiān)測儀器和監(jiān)測站，地域分布廣、種類多、運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜、自然環(huán)境惡劣，因此，工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)必須滿足下述要求：（1）高可靠性：監(jiān)測設(shè)備大多安裝在室外，自然環(huán)境惡劣，高溫、低溫、日曬、雨淋、風(fēng)雪、冰雹和雷電等自然侵襲以及射頻、工頻等強(qiáng)電磁干擾時(shí)時(shí)發(fā)生。因此要求監(jiān)測通信系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定可靠地工作，并在線路停電時(shí)仍能正常工作；（2）良好的經(jīng)濟(jì)性：通信系統(tǒng)的投資不能過大，并要能充分利用已有的各種通信資源；（3）低運(yùn)行維護(hù)成本：要易于建設(shè)、易于使用、易于維護(hù)；（4）結(jié)構(gòu)靈活、擴(kuò)展方便：工程安全監(jiān)測系統(tǒng)在不斷發(fā)展，速率、容量等不僅要滿足目前需要，還要考慮未來升級擴(kuò)容的需要。通信系統(tǒng)要能方便地覆蓋到新的監(jiān)測區(qū)域并兼容新的監(jiān)測裝置和通信手段。

安全監(jiān)測系統(tǒng)中，通信方式分為有線和無線兩種，有線包括現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)、有線電話網(wǎng)等；無線包括微波、超高頻無線電通信、移動(dòng)通信(CDMA／GPRS，GSM 撥號)、ZigBee通信等。 數(shù)據(jù)通信的可靠性、先進(jìn)性和靈活性是安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要組成部分。

無線通信作為一種傳統(tǒng)的通信技術(shù)，由于其具有可靠性、先進(jìn)性和靈活性，正在越來越多的行業(yè)和領(lǐng)域中得到使用。目前，無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)在安全監(jiān)測系統(tǒng)中正作為一種新型的數(shù)據(jù)通信手段，逐漸被廣泛采用。

各種通信方式擁有不同的特性，適用于不同的場合。根據(jù)監(jiān)測環(huán)境的要求和實(shí)際條件狀況,應(yīng)因地制宜優(yōu)化選擇。

1 移動(dòng)通信技術(shù)

1.1 移動(dòng)通信技術(shù)特點(diǎn)

CDMA和GPRS都有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）永遠(yuǎn)在線：只要激活 CDMA／GPRS應(yīng)用就永遠(yuǎn)保持在線，將一直保持在線狀態(tài)，相當(dāng)于一種高速無線專線網(wǎng)絡(luò)；

（2）按量計(jì)費(fèi)：按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量收取費(fèi)用，沒有數(shù)據(jù)流量傳遞時(shí)，不收費(fèi)用,它是一種面向使用的計(jì)費(fèi)方式，更加科學(xué)合理；

（3）自如切換：支持話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，隨時(shí)切換、交替使用；

（4）高速傳輸：網(wǎng)絡(luò)傳輸速度遠(yuǎn)高于撥號上網(wǎng)及一般無線電臺(tái),GPRS的峰值速率為115.2 kbit／s，CDMA 1X 系統(tǒng)的峰值速率為 153.6 kbit／s；

（5）組網(wǎng)簡單、迅速、靈活；

（6）穩(wěn)定性高：CDMA／GPRS基站采用軟切換技術(shù)，當(dāng)用戶移動(dòng)到基站覆蓋范圍的邊緣時(shí)，基站將自動(dòng)“切換”來保障用戶上網(wǎng)通道。 CDMA／GPRS系統(tǒng)切換時(shí)的基站覆蓋是“單獨(dú)覆蓋-雙覆蓋-單獨(dú)覆蓋”，而且是自動(dòng)切換到相鄰較為空閑的基站上，也就是說，在確認(rèn)用戶已移動(dòng)到另一基站單獨(dú)覆蓋地區(qū)時(shí)，才與原先的基站斷開，這樣就保障了線路的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)不掉線。

（7）網(wǎng)絡(luò)覆蓋全面：在候機(jī)大廳、港口碼頭、野外勘測、施工現(xiàn)場、行駛的車輛中，在CDMA／GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋的任何地方都可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地上網(wǎng)，接通率在99.9%以上。

1.2 CDMA（GPRS）無線通信應(yīng)用舉例

圖1 CDMA DTU應(yīng)用于工程監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Network of the safety monitoring system with CDMA DTU

（1）測量現(xiàn)場

測量現(xiàn)場安裝一臺(tái)采集單元，內(nèi)裝NDA數(shù)據(jù)采集模塊，1個(gè)CDMA通信模塊和1個(gè)NDA5200直流電源(配12V／24AH免維護(hù)蓄電池)，采用太陽能電池板供電。

（2）監(jiān)控中心

監(jiān)控中心設(shè)置1臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，配USB口CDMA上網(wǎng)卡，CDMA上網(wǎng)卡負(fù)責(zé)現(xiàn)場采集單元與計(jì)算機(jī)間的通信。同時(shí)監(jiān)控計(jì)算機(jī)上安裝了安全監(jiān)測系統(tǒng)軟件、動(dòng)態(tài)域名客戶端軟件和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)程序。

動(dòng)態(tài)域名客戶端軟件應(yīng)用的是花生殼動(dòng)態(tài)域名客戶端軟件。由于當(dāng)前計(jì)算機(jī)是通過CDMA上網(wǎng)，所以IP是動(dòng)態(tài)的，客戶端登錄后可以將本機(jī)當(dāng)前的IP與域名進(jìn)行綁定，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)域名連接訪問。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)程序負(fù)責(zé)與現(xiàn)場模塊建立連接并轉(zhuǎn)發(fā)通信數(shù)據(jù)。

1.3 幾種移動(dòng)通信方式在工程安全監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

（1）監(jiān)測計(jì)算機(jī)上如果有固定的公網(wǎng)IP地址（如圖2），只需安裝安全監(jiān)測系統(tǒng)軟件和無線數(shù)據(jù)服務(wù)中心程序，就可以通過現(xiàn)場的DTU和采集裝置通信。

圖2 移動(dòng)通信應(yīng)用于安全監(jiān)測系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖（監(jiān)測主機(jī)有公網(wǎng)IP地址）Fig.2 Network of the safety monitoring system with mobile communication(the host computer in the system has an ip address of public network)

（2）如果監(jiān)測計(jì)算機(jī)沒有固定的公網(wǎng)IP地址（如圖3），可以通過ADSL或CDMA上網(wǎng)卡等方式上公網(wǎng)，那么需要安裝安全監(jiān)測系統(tǒng)軟件、動(dòng)態(tài)域名解析軟件和無線數(shù)據(jù)服務(wù)中心程序。由于當(dāng)前計(jì)算機(jī)是通過CDMA上網(wǎng)，所以IP是動(dòng)態(tài)的，動(dòng)態(tài)域名解析客戶端軟件可以將本機(jī)當(dāng)前的IP與固定域名進(jìn)行綁定，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)IP連接訪問。動(dòng)態(tài)域名解析客戶端軟件如：花生殼動(dòng)態(tài)域名客戶端軟件等。

圖3 移動(dòng)通信應(yīng)用于安全監(jiān)測系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖（監(jiān)測主機(jī)無公網(wǎng)IP地址，但可上網(wǎng)）Fig.3 Network of the safety monitoring system with mobile communication(the host computer in the system has no ip address of public network,but could go online)

（3）第三種方式（如圖 4）是通過 GSM／CDMA Modem撥號，此種方式在需要通信時(shí)進(jìn)行撥號，撥通以后一直在線，通信結(jié)束就可以掛斷。

圖4 移動(dòng)通信應(yīng)用于安全監(jiān)測系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖 （監(jiān)測主機(jī)連接裝有SIM卡的MODEM）Fig.4 Network of the safety monitoring system with mobile communication(the host computer connected to the MODEM with SIM card inside)

（4）第四種方式（如圖 5）是通過 GPRS／CDMA DTU通信，此種連接方式的DTU分為主從方式，在上電以后，從DTU會(huì)主動(dòng)和主DTU通信，連上以后就一直在線，按通信流量收費(fèi)。

圖5 移動(dòng)通信應(yīng)用于安全監(jiān)測系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖（監(jiān)測主機(jī)連接裝有SIM卡的DTU）Fig.5 Network of the safety monitoring system with mobile communication (the host computer connected to the DTU with SIM card inside)

移動(dòng)通信技術(shù)為安全監(jiān)測系統(tǒng)提供了一種交換可靠、擴(kuò)展方便、建設(shè)方便、節(jié)省投資、維護(hù)量小的通信手段。隨著第三代移動(dòng)通信技術(shù)3G時(shí)代的來臨，移動(dòng)通信技術(shù)將有更大的發(fā)展，同時(shí)會(huì)具有更廣闊的應(yīng)用前景，移動(dòng)通信技術(shù)將為安全監(jiān)測系統(tǒng)通信提供更新的平臺(tái)選擇。

2 無線電臺(tái)的應(yīng)用

工程安全監(jiān)測系統(tǒng)在測站分布廣、通信距離長、電纜敷設(shè)和保護(hù)困難等情況下，可以因地制宜，采用特高頻（UHF／VHF）頻段無線通信，其具有投資少、維護(hù)方便、建設(shè)速度快、便于翻山過水和穿越建筑物等優(yōu)點(diǎn)，無疑是一種較好的工程實(shí)施方案。針對工程安全監(jiān)測的通信傳輸特點(diǎn)，南瑞研發(fā)的新型數(shù)據(jù)采集模塊 （NDA1712）和無線通信模塊（NDA3300）設(shè)計(jì)了多種通信接口，以方便與多種通信設(shè)備相聯(lián)。FSK接口可與各無線電臺(tái)相聯(lián)，組成無線通信網(wǎng)絡(luò)。

采用新型數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成的超短波通信網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

如圖6所示，使用新型數(shù)據(jù)采集模塊及新型無線通信模塊可以靈活配置成各種無線通信網(wǎng)絡(luò)，點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)、多點(diǎn)對多點(diǎn)、近距離、遠(yuǎn)距離…充分考慮了工程的需求，可以滿足絕大多數(shù)工程安全無線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成。

根據(jù)用戶需求，在調(diào)度中心設(shè)置計(jì)算機(jī)1臺(tái)、新型無線通信模塊NDA3300一個(gè)以及配套電臺(tái)、電源、機(jī)箱1套，用來與遙測站通信，接收各遙測站的數(shù)據(jù)，發(fā)送指令至各遙測站；在中繼站設(shè)置新型無線通信模塊NDA3300一個(gè)以及配套電臺(tái)、電源、機(jī)箱1套作為中繼，中轉(zhuǎn)調(diào)度中心與調(diào)度分中心間的通信；在調(diào)度分中心設(shè)置計(jì)算機(jī)1臺(tái)、新型無線通信模塊NDA3300一個(gè)以及配套電臺(tái)、電源、機(jī)箱1套，新型數(shù)據(jù)采集模塊NDA1712一個(gè)，其中NDA3300作為中繼，負(fù)責(zé)中轉(zhuǎn)遙測站與中繼站之間的通信，同時(shí)作為調(diào)度分中心無線通信終端；在遙測站 （從站）設(shè)新型數(shù)據(jù)采集模塊NDA1712若干、新型無線通信模塊NDA3300一個(gè)以及配套電臺(tái)、電源、機(jī)箱1套，NDA1712負(fù)責(zé)采集，NDA3300負(fù)責(zé)無線通信。

圖6 無線電臺(tái)應(yīng)用于安全監(jiān)測的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Network of the safety monitoring system with radio

整個(gè)系統(tǒng)采用主從和自報(bào)混合方式工作，所有新型數(shù)據(jù)采集模塊按定時(shí)周期采集，并上報(bào)至調(diào)度分中心和調(diào)度中心，如數(shù)據(jù)上報(bào)不成功，將被存貯在采集模塊中，由調(diào)度中心或調(diào)度分中心在適當(dāng)時(shí)間主動(dòng)收取。

因?yàn)樾滦蛿?shù)據(jù)采集模塊及新型無線通信模塊在系統(tǒng)構(gòu)成上的靈活性、可接傳感器的多樣性以及在使用過程中表現(xiàn)出的免維護(hù)性和可靠性，組網(wǎng)能力更強(qiáng)。

采用微波通信網(wǎng)或超高頻無線電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)簡單靈活、投資成本低，組網(wǎng)靈活。但前者局限于微波通信網(wǎng)覆蓋區(qū)域，后者傳輸距離有限并受周圍地理環(huán)境影響較大。

3 ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)

無線ZigBee技術(shù)是近來興起的一種新型無線通信技術(shù)，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。它采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，具有擴(kuò)頻技術(shù)自身的優(yōu)點(diǎn)。ZigBee主要應(yīng)用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，典型的數(shù)據(jù)傳輸類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)。

由于ZigBee具有上述的特點(diǎn)，通常，符合如下條件之一的就可以考慮采用ZigBee技術(shù)做無線傳輸：

①需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點(diǎn)多，鋪設(shè)電纜困難、施工難度大、人工費(fèi)用高、安裝完畢后維護(hù)不便等；②要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，數(shù)據(jù)傳輸速率低，要求設(shè)備成本低；

③要求數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、安全性高；

④設(shè)備體積很小，不便放置較大的充電電池或電源模塊；

⑤電池供電、地形復(fù)雜、監(jiān)測點(diǎn)多，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋；

⑥現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)，使用現(xiàn)存移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪b測遙控系統(tǒng)；

⑦使用GPS效果差或成本太高的局部區(qū)域移動(dòng)目標(biāo)的定位應(yīng)用。

3.1 ZigBee技術(shù)在工程安全監(jiān)測中的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要點(diǎn)，南京南瑞集團(tuán)公司大壩工程監(jiān)測分公司研制出一套基于ZigBee技術(shù)的低功耗無線數(shù)據(jù)采集裝置。系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖7 ZigBee技術(shù)應(yīng)用于安全監(jiān)測的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Network of the safety monitoring system with ZigBee technology

在低功耗無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)裝置中，主要有三種功能模塊：

（1）ZigBee數(shù)據(jù)采集單元：本單元直接與傳感器相連，具有數(shù)據(jù)采集、處理及發(fā)送功能。模塊采用2節(jié)五號堿性干電池供電，模塊具備低功耗特性，大部分處于休眠狀態(tài)，可被監(jiān)控主機(jī)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)喚醒。本單元可通過路由單元與網(wǎng)絡(luò)管理單元通信，也可直接與網(wǎng)絡(luò)管理單元通信。

（2）ZigBee路由功能單元：本單元具備數(shù)據(jù)路由功能，承擔(dān)數(shù)據(jù)路由和下級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理功能，可將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有限的點(diǎn)對點(diǎn)通信距離進(jìn)行多級擴(kuò)展，從而滿足工程應(yīng)用的需要。因模塊一般處于工作狀態(tài)，故采用有線電源供電，或者太陽能電池配合鉛酸蓄電池供電。通過合理的設(shè)計(jì)，本單元亦可以具備數(shù)據(jù)采集功能。

（3）ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理單元：本單元負(fù)責(zé)一個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)信息的管理。監(jiān)控主機(jī)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理單元對網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，可喚醒無線ZigBee數(shù)據(jù)采集單元。模塊一般與監(jiān)控主機(jī)連接，可從后者直接獲取電源。此外，ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理單元還可以與網(wǎng)關(guān)相連，通過網(wǎng)關(guān)將圖1所示的ZigBee區(qū)域網(wǎng)絡(luò)連接至公網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

3.2 ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)前測量系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的比較

（1）ZigBee和現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)（GPRS，CDMA）的比較

①無網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)：使用移動(dòng)網(wǎng)需長期支付網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)，而且是按節(jié)點(diǎn)終端的數(shù)量計(jì)算，而ZigBee沒有這筆費(fèi)用。

②設(shè)備投入低：使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)，不僅ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊（相當(dāng)于基站）費(fèi)用比使用移動(dòng)網(wǎng)需要購買的移動(dòng)終端設(shè)備便宜，而且，主要使用的網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)（相當(dāng)于手機(jī)）的價(jià)格也要低得多。

③通信更可靠：由于現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)主要為手機(jī)通信設(shè)計(jì)，盡管CDMA-1X和GPRS可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，但實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，不僅通信速率比設(shè)計(jì)速率低很多，而且數(shù)據(jù)通信的可靠性也存在一定的問題。而ZigBee網(wǎng)絡(luò)則專門為控制數(shù)據(jù)的傳輸而設(shè)計(jì)，因而控制數(shù)據(jù)的傳輸具有相當(dāng)?shù)谋ＷC。

④高度的靈活性和低成本：首先，通過使用覆蓋距離不同、功能不同的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以及其它非ZigBee系統(tǒng)的低成本的無線收發(fā)模塊，建立起一個(gè)ZigBee局部自動(dòng)化控制網(wǎng) （這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以是星型、樹狀、網(wǎng)狀及其共同組成的復(fù)合網(wǎng)結(jié)構(gòu)），再通過互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)網(wǎng)與遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)相連，從而實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的工業(yè)自動(dòng)化遙測遙控。

⑤比起現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)來，盡管ZigBee僅僅只是一個(gè)局域網(wǎng)，覆蓋區(qū)域有限，但它卻可以與現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和其它通信網(wǎng)絡(luò)相連接，將許多ZigBee局域網(wǎng)相互連成一個(gè)整體。有效解決移動(dòng)網(wǎng)的覆蓋盲區(qū)問題：現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在許多地方存在盲區(qū)，特別是鐵路、公路、油田、礦山等野外更是如此。增加一個(gè)移動(dòng)基站或直放站的費(fèi)用相當(dāng)高，此時(shí)使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行盲區(qū)覆蓋不僅經(jīng)濟(jì)有效，而且往往是唯一可行手段。

（2）ZigBee與現(xiàn)有數(shù)傳電臺(tái)的比較

①可靠性高：由于ZigBee模塊的集成度遠(yuǎn)比一般數(shù)傳電臺(tái)高，分離元器件少，因而可靠性更高。

②使用方便安全：因?yàn)榧啥雀?，比起一般?shù)傳電臺(tái)來，ZigBee收發(fā)模塊體積可以做得很小，而且功耗低。例如成都西谷公司遠(yuǎn)距離傳輸模塊（2～5 km），最大發(fā)射電流比一個(gè)CDMA手機(jī)還要小許多，因而很容易集成或直接安放到設(shè)備中，不僅使用方便，而且戶外使用時(shí)不易受到破壞。

③抗干擾力強(qiáng)，保密性好，誤碼率低：ZigBee收發(fā)模塊使用的是2.4G直序擴(kuò)頻技術(shù)，比起一般FSK、ASK和跳頻的數(shù)傳電臺(tái)來，具有更好的抗干擾能力和更遠(yuǎn)的傳輸距離。

④免費(fèi)頻段：ZigBee使用的是免費(fèi)頻段，而許多數(shù)傳電臺(tái)使用的頻段不僅需要申請，且每年都要向國家無線電管理委員會(huì)交納相當(dāng)?shù)念l率使用費(fèi)。

⑤價(jià)格低：ZigBee數(shù)傳模塊的價(jià)格只有具有類似功能的數(shù)傳電臺(tái)的幾分之一。

4 結(jié)語

各種無線通信方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用最合適的通信方式，從而達(dá)到最經(jīng)濟(jì)、最實(shí)用、最可靠的目的。

[1]CDMA 2000-1X網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2005.

[2]GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2005.

[3]ZigBee技術(shù)在工程安全監(jiān)測中的研究與應(yīng)用[C].2009年大壩安全監(jiān)測信息網(wǎng)會(huì)議.2009.