无线通信技术在工程安全监测系统中的应用

郑健兵，蓝 彦，黄华东，占亮亮

（国网电力科学研究院大坝及工程监测研究所，江苏 南京 210003）

0 引 言

随着工程安全监测日益受到重视，安全监测自动化系统也得到了广泛的应用。数据通信是工程安全监测自动化系统的主要功能之一。由于工程安全监测系统拥有众多监测仪器和监测站，地域分布广、种类多、运行状态复杂、自然环境恶劣，因此，工程安全监测系统的通信网络必须满足下述要求：（1）高可靠性：监测设备大多安装在室外，自然环境恶劣，高温、低温、日晒、雨淋、风雪、冰雹和雷电等自然侵袭以及射频、工频等强电磁干扰时时发生。因此要求监测通信系统能够长期稳定可靠地工作，并在线路停电时仍能正常工作；（2）良好的经济性：通信系统的投资不能过大，并要能充分利用已有的各种通信资源；（3）低运行维护成本：要易于建设、易于使用、易于维护；（4）结构灵活、扩展方便：工程安全监测系统在不断发展，速率、容量等不仅要满足目前需要，还要考虑未来升级扩容的需要。通信系统要能方便地覆盖到新的监测区域并兼容新的监测装置和通信手段。

安全监测系统中，通信方式分为有线和无线两种，有线包括现场总线、以太网、有线电话网等；无线包括微波、超高频无线电通信、移动通信(CDMA／GPRS，GSM 拨号)、ZigBee通信等。 数据通信的可靠性、先进性和灵活性是安全监测自动化系统性能指标的重要组成部分。

无线通信作为一种传统的通信技术，由于其具有可靠性、先进性和灵活性，正在越来越多的行业和领域中得到使用。目前，无线数据传输业务在安全监测系统中正作为一种新型的数据通信手段，逐渐被广泛采用。

各种通信方式拥有不同的特性，适用于不同的场合。根据监测环境的要求和实际条件状况,应因地制宜优化选择。

1 移动通信技术

1.1 移动通信技术特点

CDMA和GPRS都有以下几个特点：

（1）永远在线：只要激活 CDMA／GPRS应用就永远保持在线，将一直保持在线状态，相当于一种高速无线专线网络；

（2）按量计费：按照接收和发送数据包的数量收取费用，没有数据流量传递时，不收费用,它是一种面向使用的计费方式，更加科学合理；

（3）自如切换：支持话音和数据业务，随时切换、交替使用；

（4）高速传输：网络传输速度远高于拨号上网及一般无线电台,GPRS的峰值速率为115.2 kbit／s，CDMA 1X 系统的峰值速率为 153.6 kbit／s；

（5）组网简单、迅速、灵活；

（6）稳定性高：CDMA／GPRS基站采用软切换技术，当用户移动到基站覆盖范围的边缘时，基站将自动“切换”来保障用户上网通道。 CDMA／GPRS系统切换时的基站覆盖是“单独覆盖-双覆盖-单独覆盖”，而且是自动切换到相邻较为空闲的基站上，也就是说，在确认用户已移动到另一基站单独覆盖地区时，才与原先的基站断开，这样就保障了线路的稳定性，实现上网不掉线。

（7）网络覆盖全面：在候机大厅、港口码头、野外勘测、施工现场、行驶的车辆中，在CDMA／GPRS网络覆盖的任何地方都可实现随时随地上网，接通率在99.9%以上。

1.2 CDMA（GPRS）无线通信应用举例

图1 CDMA DTU应用于工程监测系统组网结构图Fig.1 Network of the safety monitoring system with CDMA DTU

（1）测量现场

测量现场安装一台采集单元，内装NDA数据采集模块，1个CDMA通信模块和1个NDA5200直流电源(配12V／24AH免维护蓄电池)，采用太阳能电池板供电。

（2）监控中心

监控中心设置1台监控计算机，配USB口CDMA上网卡，CDMA上网卡负责现场采集单元与计算机间的通信。同时监控计算机上安装了安全监测系统软件、动态域名客户端软件和数据转发服务程序。

动态域名客户端软件应用的是花生壳动态域名客户端软件。由于当前计算机是通过CDMA上网，所以IP是动态的，客户端登录后可以将本机当前的IP与域名进行绑定，从而实现动态域名连接访问。数据转发服务程序负责与现场模块建立连接并转发通信数据。

1.3 几种移动通信方式在工程安全监测系统中的应用

（1）监测计算机上如果有固定的公网IP地址（如图2），只需安装安全监测系统软件和无线数据服务中心程序，就可以通过现场的DTU和采集装置通信。

图2 移动通信应用于安全监测系统的组网结构图（监测主机有公网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）如果监测计算机没有固定的公网IP地址（如图3），可以通过ADSL或CDMA上网卡等方式上公网，那么需要安装安全监测系统软件、动态域名解析软件和无线数据服务中心程序。由于当前计算机是通过CDMA上网，所以IP是动态的，动态域名解析客户端软件可以将本机当前的IP与固定域名进行绑定，从而实现动态IP连接访问。动态域名解析客户端软件如：花生壳动态域名客户端软件等。

图3 移动通信应用于安全监测系统的组网结构图（监测主机无公网IP地址，但可上网）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）第三种方式（如图 4）是通过 GSM／CDMA Modem拨号，此种方式在需要通信时进行拨号，拨通以后一直在线，通信结束就可以挂断。

图4 移动通信应用于安全监测系统的组网结构图 （监测主机连接装有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）第四种方式（如图 5）是通过 GPRS／CDMA DTU通信，此种连接方式的DTU分为主从方式，在上电以后，从DTU会主动和主DTU通信，连上以后就一直在线，按通信流量收费。

图5 移动通信应用于安全监测系统的组网结构图（监测主机连接装有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)

移动通信技术为安全监测系统提供了一种交换可靠、扩展方便、建设方便、节省投资、维护量小的通信手段。随着第三代移动通信技术3G时代的来临，移动通信技术将有更大的发展，同时会具有更广阔的应用前景，移动通信技术将为安全监测系统通信提供更新的平台选择。

2 无线电台的应用

工程安全监测系统在测站分布广、通信距离长、电缆敷设和保护困难等情况下，可以因地制宜，采用特高频（UHF／VHF）频段无线通信，其具有投资少、维护方便、建设速度快、便于翻山过水和穿越建筑物等优点，无疑是一种较好的工程实施方案。针对工程安全监测的通信传输特点，南瑞研发的新型数据采集模块 （NDA1712）和无线通信模块（NDA3300）设计了多种通信接口，以方便与多种通信设备相联。FSK接口可与各无线电台相联，组成无线通信网络。

采用新型数据采集模块构成的超短波通信网络如图6所示。

如图6所示，使用新型数据采集模块及新型无线通信模块可以灵活配置成各种无线通信网络，点对点、点对多点、多点对多点、近距离、远距离…充分考虑了工程的需求，可以满足绝大多数工程安全无线监测系统的构成。

根据用户需求，在调度中心设置计算机1台、新型无线通信模块NDA3300一个以及配套电台、电源、机箱1套，用来与遥测站通信，接收各遥测站的数据，发送指令至各遥测站；在中继站设置新型无线通信模块NDA3300一个以及配套电台、电源、机箱1套作为中继，中转调度中心与调度分中心间的通信；在调度分中心设置计算机1台、新型无线通信模块NDA3300一个以及配套电台、电源、机箱1套，新型数据采集模块NDA1712一个，其中NDA3300作为中继，负责中转遥测站与中继站之间的通信，同时作为调度分中心无线通信终端；在遥测站 （从站）设新型数据采集模块NDA1712若干、新型无线通信模块NDA3300一个以及配套电台、电源、机箱1套，NDA1712负责采集，NDA3300负责无线通信。

图6 无线电台应用于安全监测的组网结构图Fig.6 Network of the safety monitoring system with radio

整个系统采用主从和自报混合方式工作，所有新型数据采集模块按定时周期采集，并上报至调度分中心和调度中心，如数据上报不成功，将被存贮在采集模块中，由调度中心或调度分中心在适当时间主动收取。

因为新型数据采集模块及新型无线通信模块在系统构成上的灵活性、可接传感器的多样性以及在使用过程中表现出的免维护性和可靠性，组网能力更强。

采用微波通信网或超高频无线电台进行数据传输，其优点是建设简单灵活、投资成本低，组网灵活。但前者局限于微波通信网覆盖区域，后者传输距离有限并受周围地理环境影响较大。

3 ZigBee技术的无线网络

无线ZigBee技术是近来兴起的一种新型无线通信技术，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。它采用直接序列扩频技术，具有扩频技术自身的优点。ZigBee主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，典型的数据传输类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。

由于ZigBee具有上述的特点，通常，符合如下条件之一的就可以考虑采用ZigBee技术做无线传输：

①需要数据采集或监控的网点多，铺设电缆困难、施工难度大、人工费用高、安装完毕后维护不便等；②要求传输的数据量不大，数据传输速率低，要求设备成本低；

③要求数据传输可靠性高、安全性高；

④设备体积很小，不便放置较大的充电电池或电源模块；

⑤电池供电、地形复杂、监测点多，需要较大的网络覆盖；

⑥现有移动网络的覆盖盲区，使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统；

⑦使用GPS效果差或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。

3.1 ZigBee技术在工程安全监测中的实现

根据上述设计要点，南京南瑞集团公司大坝工程监测分公司研制出一套基于ZigBee技术的低功耗无线数据采集装置。系统组成如图7所示。

图7 ZigBee技术应用于安全监测的组网结构图Fig.7 Network of the safety monitoring system with ZigBee technology

在低功耗无线数据采集系统装置中，主要有三种功能模块：

（1）ZigBee数据采集单元：本单元直接与传感器相连，具有数据采集、处理及发送功能。模块采用2节五号碱性干电池供电，模块具备低功耗特性，大部分处于休眠状态，可被监控主机通过ZigBee网络唤醒。本单元可通过路由单元与网络管理单元通信，也可直接与网络管理单元通信。

（2）ZigBee路由功能单元：本单元具备数据路由功能，承担数据路由和下级网络节点的管理功能，可将ZigBee网络中有限的点对点通信距离进行多级扩展，从而满足工程应用的需要。因模块一般处于工作状态，故采用有线电源供电，或者太阳能电池配合铅酸蓄电池供电。通过合理的设计，本单元亦可以具备数据采集功能。

（3）ZigBee网络管理单元：本单元负责一个区域网络的构建和网络中各节点信息的管理。监控主机通过ZigBee网络管理单元对网络中各节点进行通信，可唤醒无线ZigBee数据采集单元。模块一般与监控主机连接，可从后者直接获取电源。此外，ZigBee网络管理单元还可以与网关相连，通过网关将图1所示的ZigBee区域网络连接至公网中，实现远程监测。

3.2 ZigBee技术的无线网络与当前测量系统无线网络的比较

（1）ZigBee和现有移动网（GPRS，CDMA）的比较

①无网络使用费：使用移动网需长期支付网络使用费，而且是按节点终端的数量计算，而ZigBee没有这笔费用。

②设备投入低：使用ZigBee网络，不仅ZigBee网络节点模块（相当于基站）费用比使用移动网需要购买的移动终端设备便宜，而且，主要使用的网络子节点（相当于手机）的价格也要低得多。

③通信更可靠：由于现有移动网主要为手机通信设计，尽管CDMA-1X和GPRS可以进行数据通信，但实践发现，不仅通信速率比设计速率低很多，而且数据通信的可靠性也存在一定的问题。而ZigBee网络则专门为控制数据的传输而设计，因而控制数据的传输具有相当的保证。

④高度的灵活性和低成本：首先，通过使用覆盖距离不同、功能不同的ZigBee网络节点，以及其它非ZigBee系统的低成本的无线收发模块，建立起一个ZigBee局部自动化控制网 （这个网络可以是星型、树状、网状及其共同组成的复合网结构），再通过互联网或移动网与远端的计算机相连，从而实现低成本、高效率的工业自动化遥测遥控。

⑤比起现有的移动网来，尽管ZigBee仅仅只是一个局域网，覆盖区域有限，但它却可以与现有的移动网、互联网和其它通信网络相连接，将许多ZigBee局域网相互连成一个整体。有效解决移动网的覆盖盲区问题：现有移动网络在许多地方存在盲区，特别是铁路、公路、油田、矿山等野外更是如此。增加一个移动基站或直放站的费用相当高，此时使用ZigBee网络进行盲区覆盖不仅经济有效，而且往往是唯一可行手段。

（2）ZigBee与现有数传电台的比较

①可靠性高：由于ZigBee模块的集成度远比一般数传电台高，分离元器件少，因而可靠性更高。

②使用方便安全：因为集成度高，比起一般数传电台来，ZigBee收发模块体积可以做得很小，而且功耗低。例如成都西谷公司远距离传输模块（2～5 km），最大发射电流比一个CDMA手机还要小许多，因而很容易集成或直接安放到设备中，不仅使用方便，而且户外使用时不易受到破坏。

③抗干扰力强，保密性好，误码率低：ZigBee收发模块使用的是2.4G直序扩频技术，比起一般FSK、ASK和跳频的数传电台来，具有更好的抗干扰能力和更远的传输距离。

④免费频段：ZigBee使用的是免费频段，而许多数传电台使用的频段不仅需要申请，且每年都要向国家无线电管理委员会交纳相当的频率使用费。

⑤价格低：ZigBee数传模块的价格只有具有类似功能的数传电台的几分之一。

4 结语

各种无线通信方式各有优缺点，现场应用时应根据实际情况选用最合适的通信方式，从而达到最经济、最实用、最可靠的目的。

[1]CDMA 2000-1X网络技术[M].电子工业出版社，2005.

[2]GPRS网络技术[M].电子工业出版社，2005.

[3]ZigBee技术在工程安全监测中的研究与应用[C].2009年大坝安全监测信息网会议.2009.