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根据铁水运输系统的特点，设计了一种采用扩频通信的无线数据通信网络，比采用窄带无线电的gps车辆监控系统和gsm公用电话网实时传输位置数据要好得多。所设计的无线通信网络可以管理更多的车辆，并具有进一步的容量扩展。

宝钢集团有限公司是中国一家非常大的钢铁企业。随着宝钢三期工程的实施，传统的铁水运输调度系统已经不能满足生产规模扩大的需要。建立新的铁水运输动态监控系统对提高生产调度的安全性、生产效率、自动化和经济效益具有重要意义。

铁水运输动态监控系统采用了先进的dgps定位技术、组合定位技术、地图匹配技术、扩频通信技术、计算机和网络技术、地理信息系统技术、电子大屏幕技术等。解决了钢铁厂恶劣工业环境下铁水运输车辆在铁路线上的定位和跟踪问题，使调度管理人员能够在中心站的电子大屏幕上实时观察铁水运输车辆的动态位置和状态等相关信息，方便及时合理的生产和运输调度。

无线通信网络作为铁水运输动态监控系统的重要组成部分，主要完成中心站与车辆之间的信息传输，其性能直接影响整个系统的正常运行。本文介绍的无线通信网络已在宝钢铁水运输动态监控系统中得到应用。通信系统工作正常，稳定可靠，效果良好。

1无线通信网络设计

1.1系统要求

(1)在1.8公里×2.3公里范围内，保证厂区内外车辆与中心站的实时通信；

(2) 85辆监控车；

(3)每辆车的信息更新率最高每秒可更新一次；

(4)车辆设备由电池供电。为了延长电池更换周期，应采用低功耗设备；

(五)具有良好的电磁兼容性，不会干扰其他正在使用的通信设备；

(6)抗干扰能力强，能保证钢铁厂恶劣工业环境下的可靠通信，误码率小于10-6。

(7)中心站与车辆之间采用双向通信。

1.2方案选择

在目前的全球定位系统车辆定位和跟踪系统中，无线数据传输通常使用模拟无线电台和调制解调器自行组网或通过公共手机完成数据交换。在模拟无线自组网的数据传输系统中，由于切换时间长(约200毫秒)，数据传输速率低(通常为1200bps)，单位时间传输的车辆位置数据较少，当车辆较多时，车辆位置更新的实时性会大大降低。利用gsm公共手机网络传输数据，虽然可以扩大系统容量，快速提高数据传输速率，但运营成本高，并且受公共手机网络工作状态的影响很大，难以满足安全性、可靠性、连续性和经济性的要求。如果使用gsm短消息发送位置数据，数据传输的实时性将得不到保证。

根据实际情况和系统要求，扩频通信技术是一种理想的解决方案。扩频通信的主要特点如下:(1)抗干扰能力强，能够抑制单频和多频载波信号、其他伪随机调制信号和脉冲正弦信号的干扰，提高输出信号的信噪比。(2)发射功率小，一般小于1w，设备功耗低，不会干扰其他通信系统。(3)可以实现码分多址，频带利用率很高。(4)抗多径干扰可以克服钢铁厂环境中严重的多径干扰对无线数据通信可能产生的影响。(5)无线数据传输速率高，可达19200bps以上，误码率小于10-6，具有信息传输快速可靠的优点。

1.3无线通信网络的组成

铁水运输动态监控系统占地约1.8km×2.3km，区域内有高大的钢结构建筑，难以保证视线通讯。车辆工作区域相当大的一部分在车间内，受通信屏蔽的影响很大，有些车间甚至不能直接与外界通信。另外，为了保证车载设备的低功耗，延长车载设备的电池供电时间，车载设备使用较小的传输功率进行通信。为了保证系统中心站和车辆之间无线数据通信的可靠性，在工作区域内有五个中断站，负责车辆和中心站之间的信息转发。三个通信屏蔽车间有三个中间转台，负责车间车辆与中断站之间的信息转发。

中心站位于生产控制中心，通信天线约45m高，采用全向高增益天线。五个中断站与中心站之间的通信采用高增益定向天线，天线方向指向中心站。中继站与车辆之间的通信采用高增益全向天线。车载设备和转台采用3db全向天线。

系统的无线通信网络由中心站、中继站、转台和车载设备组成，如图1所示。

2设备选择和设计

2.1扩频通信机的选择

在铁水运输动态监控系统中，根据不同的使用方式，采用了空中链路和wit915两种扩频通信机组成无线通信网络。空中链路通信器用于中心站和中继站之间的通信，而wit915通信器用于完成中继站和移动车辆之间的通信。

Airlink19mp是美国锡林公司生产的L波段无线扩频调制解调器数据通信机。它可以在点对点和点对多点模式下工作，也可以用作中继器或集线器。主要技术指标如下:

(1)工作频段:902 ~ 928 MHz，16路可选；

(2)采用直接序列扩展工作模式，pn序列长度为32位；；

(3)调制方式为bpsk(双相移键控)，数据速率可达38400bps，信道带宽为1.5mhz；

(4)系统增益(不包括天线增益)为130分贝。其中扩频增益是12db；

(5)最大传输功率为800毫瓦(29dbm)，可通过dip开关选择不同的传输功率；

(6)采用时分双工技术，可实现全双工通信，视距传输可达50公里。

Wit915是美国digtalwireless公司的扩频通信收发器。Wit915采用组合扩频技术，能够抵抗噪声和多径衰落，同时支持csma通信协议和点对点通信。Wit915扩频通信机功耗低，体积小，非常适合车载站使用。其技术指标如下:

(1)工作频带:903 ~ 907兆赫，21个频道，具有自动寻找干净频道的能力；

(2)四电平可调发射功率，从1 MW到1 W，最大功率要求符合美国fcc标准，功率可自适应调节；

(3)全双工数据速率可达19200bps，半双工数据速率可达51200bps；

(4)射频带宽:700千赫，信道间隔:1.2兆赫；；

(5)采用0db天线，传输距离可达1.8公里；在视线条件下；

(6)在半双工的情况下，数据发送和接收转换时间小于0.5毫秒

2.2通信控制器的设计

在无线通信数据传输网络的设计中，通信控制器的设计非常重要。因为扩频通信机的控制和无线通信网络通信协议的实现必须由通信控制器来实现。在铁水运输动态监控系统中，采用pc/104作为通信控制器，与以单片机为核心的通信控制器相比，可以降低开发成本，降低开发风险，缩短开发周期，提高产品性能。Pc/104具有超小尺寸(90毫米×96毫米)、低功耗(通常为1 ~ 2瓦/模块)和独特的堆叠总线，消除了背板、插座和空.的成本pc/104的cpu系列产品为嵌入式应用提供高度集成的模块，并与ibmpc/at兼容。在pc机上调试的程序可以直接移植到pc/104上使用。

Pc/104cpu模块是core module ECM/486-2。Cm/486模块提供pc/at主板和一线附加卡的所有功能，并具有与cp/at和ms-dos兼容的标准硬件和软件资源。其主要指标如下:

(1)cpu为cx486slc-2，内部时钟频率为50mhz

(2)在板存储器中可以选择2m、4m或16m字节；

(3)七个直接存储器存取通道(相当于8237)；

(4)15个中断通道(相当于8259)；

(5)三个可编程计数/计时器；

(6)16位扩展总线；

(7)两个串口和一个并口，与pc机完全兼容；

(8)具有可引导系统的固态盘；

(9)带有pc没有的看门狗定时器。

2.3通信控制器与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一个与pc机兼容的异步串行rs-232接口。因此，由pc/104和扩频通信机airlink组成的通信控制器与wit915之间的硬件连接非常简单方便。只需将扩频通信器的外部数据控制接口直接连接到pc/104的串口，pc/104中运行的软件就可以控制扩频通信器的数据发送和接收。

图2和图3示出了通信控制器和扩频通信器的两种连接模式。图2示出了中继站的连接模式，图2示出了移动车辆的连接模式。

无线通信模式的设计与实现

3.1中继站和中心站

在中心站的空中链路扩频通信器和每个中继站的空中链路扩频通信器之间形成星形网络通信模式。中心站的空中链路扩频通信器被设置为主模式。中继站的空中链路扩频通信机设置在从机模式，采用半双工通信方式，中心站的通信控制器控制空中链路扩频通信机以轮询方式与各中继站交换数据。中心站收集每个中继站从每个中断站接收到的车辆信息，然后以一定间隔向所有中继站广播车辆dgps定位所需的差分数据。每个中断站都设置有不同的代码。每个中继站的通信控制器收到中心站发送的信息后，首先判断中心站是否接收到车辆信息。如果是，则判断中心站发送的站码是否与预设的站码一致；如果它们一致，由中断站接收的车辆位置数据将被发送到中心站。如果它们不一致，将不会被处理。如果中断站的通信控制器判断广播差分数据是从中心站发送的，数据将通过wit915扩频通信机转发给车载设备。由于各中继站和中心站的空中链路扩频通信器的接收电平已经调整到空中链路扩频通信器手册所要求的电平，可以传输10-8比特差错率的数据，中心站和中继站可以采用简单的arq方式和crc校验来保证可靠的数据传输和交换。

中心站通信控制器通过空中链路扩频通信机发送给中继站的数据格式如下:

查询信息格式:

同步头开始标记站生成号结束标记crc校验码

广播差分全球定位系统差分信息格式:

同步报头开始符号广播码dgps差分数据crc校验码结束符号

中继站响应信息格式:

同步头开始标志站生成号车辆信息crc校验码结束标志

中心站和中继站的数据传输速率为19200bps。

3.2中继站和移动车辆

中继站通信控制器通过中继站的wit915扩频通信器和车载设备的wint915扩频通信器交换数据。如果中继站的通信控制器和移动车载设备的通信控制器以查询的方式交换车辆位置数据，由于铁水运输动态监控系统监控的车辆较多(约85辆)，一次查询所有车辆位置数据需要很长时间。其次，在铁水运输过程中，移动的车辆较少，同时停止的车辆较多，但停止的车辆位置不变。控制中心只需保留最后传输的车辆位置数据，而无需更新车辆位置。为了在有限的信道中传输有效的位置数据，采用了根据车辆的行驶速度动态控制车辆信息上报的时间间隔的通信方式，即根据车辆的动态调整车辆信息的传输频率。当车辆处于停止状态时，每隔一分钟发送一次车辆信息，以保持与控制中心的数据联系。当车辆处于行驶状态时，车辆信息的报告频率随着速度的增加而增加，最新的车辆信息被及时发送到中继站。车辆信息的传输时间完全由车载通信控制器根据车辆的运行情况决定，节省了查询模式下下行数据链路占用的传输时间，提高了车辆有效信息的传输效率和信息的实时性。

为了确保自主发送车辆信息时不会发生数据传输冲突，采用了半双工模式下的wit915扩频通信机的csma通信协议进行数据传输。Csma通信协议是ieee802.3协议中的一种数据传输方式，广泛应用于计算机局域网，在数据传输中实现载波侦听和多址接入。当需要发送车辆位置数据时，车载通信控制器首先读取由wit915扩频通信机发送的载波检测dcd电平指示。当载波检测的dcd级别较高时，意味着当前信道中的其他通信器正在发送数据。此时，车载通信控制器随机等待几毫秒，并再次读取通信机的载波检测dcd电平。如果此时载波检测dcd电平低，这意味着此时信道中没有wit915扩频通信机发送数据，并且信道空空闲并可以发送数据，则车辆通信控制器提高wit915扩频通信机的rts电平。此时，wit915扩频通信器切换到传输状态，同时，载波信息被传输以占用信道，然后车载通信控制器通过wit915扩频通信器传输数据。当车辆的位置数据被发送时，车载通信控制器将wit915扩频通信机的rts电平设置为低，使得通信机停止发送载波和数据，并放弃信道给其它的wit915扩频通信机发送数据。

利用csma通信协议发送车辆位置数据，可以使任意时刻只有一台wit915扩频通信机处于传输状态，从而避免碰撞干扰，使车辆信息传输更加可靠。wit915扩频通信机的收发切换时间很短，最大不超过400μs，数据传输速率可高达38400bps，压缩后的车辆信息很短(约40位)，因此每辆车通过控制器发送车辆位置数据占用的时间很短，可以保证数据传输的实时性。当然，在极端情况下，两个wit915扩频通信器可能会同时检测到信道空并发送数据，从而导致冲突。然而，由于发送的车辆信息量小，数据传输速率高，碰撞概率很低。即使发生冲突，通信器仍有可能在扩频通信中解调正确的数据。如果扩频通信机发生解调错误，将通过crc校验消除，车辆信息将在下次传输车辆信息时更新。

中继站转发的中心站的dgps差分数据也由中继站的通信控制器通过中继站的wit915扩频通信器以csma的通信模式广播发送给各车载设备。Crc校验用于csma通信协议，以确保数据的可靠性。

通信控制器在csma模式下发送数据的程序框图如图4所示。

发送数据时，会检测到通道。如果通道繁忙，随机延迟一段时间，将计数器增加1，然后检测通道。这样，当计数器累计到m次时，通道检测周期退出。此时，信道被认为是忙的，信道忙标志被相信，数据传输被放弃。设置通道繁忙标志后，车辆停止时发送数据的时间间隔从1分钟增加到10秒。这样做是为了确保在频道阻塞干扰消失后，所有车辆位置的更新时间最长不超过10秒。

3.3转台的数据传输

在铁水运输过程中，车辆有时会进入钢结构车间。为了使车辆在进入厂房时能够将车辆信息发送到中继站，在厂房内设置了一个转盘。通信转发如图5所示。

转台内有两台wit915扩频通信机，一台位于厂房内，另一台位于厂房外。转发通信控制器通过厂房内的wit915扩频通信器接收厂房内车辆发送的信息，然后通过厂房外的wit915扩频通信器以csma模式转发。转发数据时，通信控制器应禁止厂内的wit915扩频通信机接收数据，以防止厂外的wit915扩频通信机转发的数据被厂内的wit915扩频通信机接收，形成循环转发状态。

4性能分析

在铁水运输动态监控系统中，车辆最高运行速度不超过15公里/小时，即最快移动速度为4.1米/秒(可按5米估算)。如果当车辆位置改变时，每5米发送一次更新的位置数据，则车辆位置更新的速度最早将是每秒一次。车辆位置数据连同同步码和校验码共有10个字符(每个字符是一个8位二进制数)。如果车载通信控制器以19200bps(一个起始位、一个停止位和八位数据)的异步方式向中继站发送数据，则所需时间为100/19200 = 5.2毫秒；如果使用csma通信协议在同一个信道中进行通信，在理想条件下(不考虑闪烁等待和碰撞)，每秒可以传输不同位置数据的车辆数量为1000/5.2=192。如果考虑诸如延迟等各种缺点，并且时间消耗加倍，则在一秒钟内可以传输不同位置数据的车辆数量是192/2=96。由于中继站和中心站之间的数据交换速率是异步的19200bps，因此可以保证所有车辆的位置数据在一秒钟内传输到中心站。因此，所设计的无线通信网络能够每秒钟实时传输和更新96辆车的信息，满足铁水运输动态监控系统管理85辆车的要求。由于crc校验，整个系统的误码率低于10-6，满足了车辆信息传输的误码率要求。

在铁水运输动态监控系统的实际运行中，车内所有的wit915扩频通信器和中继站的wit915扩频通信器工作在同一个信道上，车辆位置可以及时更新。没有通道堵塞，车辆位置不能实时传输，达到了设计目的。如果需要管理的车辆数量增加，只需根据中继站的通信范围将中继站的wit915扩频通信器设置到不同的信道，车载通信控制器会根据车辆的位置自动将车载wit915扩频通信器的信道切换到与该区域中继站一致的信道，这样可以成倍增加需要管理的车辆数量。