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鐵水運(yùn)輸動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)線通訊網(wǎng)設(shè)計(jì)
摘要：根據(jù)鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了擴(kuò)頻通信無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，其實(shí)時(shí)傳送車(chē)輛位置數(shù)據(jù)的能力大大優(yōu)于窄帶電臺(tái)組成無(wú)線網(wǎng)和利用GSM公用電話(huà)網(wǎng)傳送位置數(shù)據(jù)的GPS車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的無(wú)線通信網(wǎng)能管理較多車(chē)輛，并具有進(jìn)一步擴(kuò)容的能力。寶山鋼鐵集團(tuán)公司是我國(guó)特大型鋼鐵企業(yè)，隨著寶鋼三期工程的建設(shè)實(shí)施，傳統(tǒng)的鐵水運(yùn)輸調(diào)度系統(tǒng)已不能適應(yīng)生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大的需要。建立新的鐵水運(yùn)輸動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以提高生產(chǎn)調(diào)度的安全性、生產(chǎn)效率、自動(dòng)化程度和經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。
鐵水運(yùn)輸動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了當(dāng)今先進(jìn)的DGPS定位技術(shù)、
組合定位技術(shù)、地圖匹配技術(shù)、擴(kuò)頻通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及地理信息系統(tǒng)技術(shù)、電子大屏技術(shù)等，解決了在鋼鐵廠內(nèi)惡劣工業(yè)環(huán)境下，鐵路線上鐵水運(yùn)輸車(chē)輛的定位跟蹤問(wèn)題，使調(diào)度管理人員在中心站的電子大屏上能實(shí)時(shí)觀測(cè)到鐵水運(yùn)輸車(chē)輛動(dòng)態(tài)位置和狀態(tài)以及其他有關(guān)信息，便于及時(shí)、合理地進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)輸調(diào)度。
作為鐵水運(yùn)輸動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分——無(wú)線通信網(wǎng)，主要完成中心站與車(chē)輛之間的信息傳輸，其性能的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。本文介紹的無(wú)線通信網(wǎng)已在寶鋼鐵水運(yùn)輸動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用，通信系統(tǒng)工作正常，穩(wěn)定可靠，效果良好。
1 無(wú)線通信網(wǎng)設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)要求
（1）在1.8km×2.3km的區(qū)域內(nèi)，保證廠房?jī)?nèi)外的車(chē)輛與中心站之間實(shí)時(shí)通信；
（2）監(jiān)測(cè)車(chē)輛85輛；
（3）每個(gè)車(chē)輛信息更新率最高可達(dá)到每秒更新一次；
（4）車(chē)輛設(shè)備采用蓄電池供電，為延長(zhǎng)電池更換周期，需采用低功耗設(shè)備；
（5）具有良好的電磁兼容性，不能對(duì)現(xiàn)在正在使用的其他通信設(shè)備產(chǎn)生干擾；
（6）抗干擾能力強(qiáng)，能夠保證在鋼鐵廠惡劣工業(yè)環(huán)境下的可靠通信，誤碼率小于10 -6。
（7）中心站與車(chē)輛之間為雙向通信方式。
1.2 方案選擇
在目前的GPS車(chē)輛定位跟蹤系統(tǒng)中，無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸通常采用模擬電臺(tái)加調(diào)制解調(diào)器自行組網(wǎng)或通過(guò)公用移動(dòng)電話(huà)來(lái)完成數(shù)據(jù)交換。在模擬電臺(tái)自行組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，由于模擬電臺(tái)的收發(fā)切換時(shí)間長(zhǎng)（約200ms）、數(shù)據(jù)傳輸率低（通常為1200bps）、單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)能?chē)輛位置數(shù)據(jù)較少，因此，當(dāng)車(chē)輛增多時(shí)，車(chē)輛位置更新的實(shí)時(shí)性將大大降低。采用GSM公共移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)，雖然系統(tǒng)容量可以擴(kuò)大，數(shù)據(jù)傳輸率增快，但運(yùn)行成本較高，而且受公共移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)工作狀態(tài)影向較大，難以滿(mǎn)足安全性、可靠性、連續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性的要求。若采用GSM短消息的方式發(fā)送位置數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性將無(wú)法保證。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和系統(tǒng)要求，擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種理想的解決方案。擴(kuò)頻通信的主要特點(diǎn)有：（1）抗干擾性強(qiáng)，對(duì)單頻及多頻載波信號(hào)的干擾、其它偽隨機(jī)調(diào)制信號(hào)的干擾及脈沖正弦信號(hào)的干擾等都有抑制作用，能提高輸出信號(hào)的信噪比。（2）發(fā)射功率小，一般小于1W，設(shè)備功耗較低，因此不會(huì)對(duì)其他通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。（3）可以實(shí)現(xiàn)碼分多址，頻帶利用率很高。（4）抗多徑干擾，可以克服鋼鐵廠環(huán)境下嚴(yán)重的多徑干擾對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)通信可能造成的影響。（5）無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率高，可高達(dá)19200bps以上，而誤碼率小于10 -6，具有信息傳輸快且可靠的優(yōu)點(diǎn)。
1.3 無(wú)線通信網(wǎng)組成
鐵水運(yùn)輸動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)覆蓋范圍約1.8km×2.3km，區(qū)域內(nèi)分布有高大鋼鐵建筑物，難以保證視距通信。車(chē)輛工作區(qū)域有相當(dāng)一部分在廠房?jī)?nèi)，受通信屏蔽的影響較大，有些廠房?jī)?nèi)甚至無(wú)法直接與外界通信。另外，為了保證車(chē)載設(shè)備功耗較低，延長(zhǎng)車(chē)載設(shè)備蓄電池供電時(shí)間，車(chē)載設(shè)備通信采用較小的發(fā)射功率。為了保證系統(tǒng)中心站與車(chē)輛間無(wú)線數(shù)據(jù)通信可靠，在工作區(qū)內(nèi)設(shè)有5個(gè)中斷站，負(fù)責(zé)車(chē)輛與中心站間的信息轉(zhuǎn)發(fā)。在3個(gè)通信屏蔽的廠房?jī)?nèi)高有3個(gè)中轉(zhuǎn)臺(tái)，負(fù)責(zé)廠房?jī)?nèi)的車(chē)輛與中斷站間的信息轉(zhuǎn)發(fā)。
中心站位于生產(chǎn)管制中心，通信天線高度約45m，采用全向高增益天線。5個(gè)中斷站與中心站間的通信采用高增益定向天線，其天線方向指向中心站。
中繼站與車(chē)輛間的通信采用高增益全向天線。車(chē)載設(shè)備和轉(zhuǎn)臺(tái)采用3dB全向天線。
系統(tǒng)無(wú)線通信網(wǎng)由中心站、中繼站、中轉(zhuǎn)臺(tái)和車(chē)載設(shè)備構(gòu)成，如圖1所示。
2 設(shè)備選型和設(shè)計(jì)
2.1 擴(kuò)頻通信機(jī)選擇
在鐵水運(yùn)輸動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中根據(jù)使用方式的不同，使用了AirLink和WIT915兩種型號(hào)的擴(kuò)頻通信機(jī)來(lái)組成無(wú)線通信網(wǎng)。AirLink通信機(jī)用于中心站與中繼站通信，WIT915通信機(jī)用來(lái)完成中繼站和移動(dòng)車(chē)輛間的通信。
AIRLINK 19MP是美國(guó)CYLINK公司的L波段無(wú)線擴(kuò)頻MODEM數(shù)傳通信機(jī)，可工作于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)工作方式，也可作為轉(zhuǎn)發(fā)器或hub來(lái)應(yīng)用。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：
（1）工作頻段：902～928MHz，16個(gè)信道可選；
（2）采用直序擴(kuò)展工作方式，PN序列長(zhǎng)度32bit；
（3）調(diào)制方式為BPSK（Bi-Phase Shift Keying），數(shù)據(jù)速率可達(dá)38400bps，信道帶寬為1.5MHz；
（4）系統(tǒng)增益（不包括天線增益）為130dB。其中，擴(kuò)頻增益為12dB；
（5）發(fā)射功率最
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