摘要：根據(jù)鐵水運輸系統(tǒng)的特點，設(shè)計了擴頻通信無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，其實時傳送車輛位置數(shù)據(jù)的能力大大優(yōu)于窄帶電臺組成無線網(wǎng)和利用GSM公用電話網(wǎng)傳送位置數(shù)據(jù)的GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)，所設(shè)計的無線通信網(wǎng)能管理較多車輛，并具有進一步擴容的能力。

寶山鋼鐵集團公司是我國特大型鋼鐵企業(yè)，隨著寶鋼三期工程的建設(shè)實施，傳統(tǒng)的鐵水運輸調(diào)度系統(tǒng)已不能適應(yīng)生產(chǎn)規(guī)模擴大的需要。建立新的鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，以提高生產(chǎn)調(diào)度的安全性、生產(chǎn)效率、自動化程度和經(jīng)濟效益具有十分重要的意義。

鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用了當今先進的DGPS定位技術(shù)、組合定位技術(shù)、地圖匹配技術(shù)、擴頻通信技術(shù)、計算機及網(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，鐵路線上鐵水運輸車輛的定位跟蹤問題，使調(diào)度管理人員在中心站的電子大屏上能實時觀測到鐵水運輸車輛動態(tài)位置和狀態(tài)以及其他有關(guān)信息，便于及時、合理地進行生產(chǎn)運輸調(diào)度。

作為鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分——無線通信網(wǎng)，主要完成中心站與車輛之間的信息傳輸，其性能的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的正常工作。本文介紹的無線通信網(wǎng)已在寶鋼鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用，通信系統(tǒng)工作正常，穩(wěn)定可靠，效果良好。

1 無線通信網(wǎng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)要求

（1）在1.8km×2.3km的區(qū)域內(nèi)，保證廠房內(nèi)外的車輛與中心站之間實時通信；

（2）監(jiān)測車輛85輛；

（3）每個車輛信息更新率最高可達到每秒更新一次；

（4）車輛設(shè)備采用蓄電池供電，為延長電池更換周期，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，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）中心站與車輛之間為雙向通信方式。

    1.2 方案選擇

在目前的GPS車輛定位跟蹤系統(tǒng)中，無線數(shù)據(jù)的傳輸通常采用模擬電臺加調(diào)制解調(diào)器自行組網(wǎng)或通過公用移動電話來完成數(shù)據(jù)交換。在模擬電臺自行組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，由于模擬電臺的收發(fā)切換時間長（約200ms）、數(shù)據(jù)傳輸率低（通常為1200bps）、單位時間內(nèi)傳輸?shù)能囕v位置數(shù)據(jù)較少，因此，當車輛增多時，車輛位置更新的實時性將大大降低。采用GSM公共移動電話網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)，雖然系統(tǒng)容量可以擴大，數(shù)據(jù)傳輸率增快，但運行成本較高，而且受公共移動電話網(wǎng)工作狀態(tài)影向較大，難以滿足安全性、可靠性、連續(xù)性、經(jīng)濟性的要求。若采用GSM短消息的方式發(fā)送位置數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)傳送的實時性將無法保證。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況和系統(tǒng)要求，擴頻通信技術(shù)是一種理想的解決方案。擴頻通信的主要特點有：（1）抗干擾性強，對單頻及多頻載波信號的干擾、其它偽隨機調(diào)制信號的干擾及脈沖正弦信號的干擾等都有抑制作用，能提高輸出信號的信噪比。（2）發(fā)射功率小，一般小于1W，設(shè)備功耗較低，因此不會對其他通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。（3）可以實現(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)境下嚴重的多徑干擾對無線數(shù)據(jù)通信可能造成的影響。（5）無線數(shù)據(jù)傳輸速率高，可高達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。

1.3 無線通信網(wǎng)組成

鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(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。車輛工作區(qū)域有相當一部分在廠房內(nèi)，受通信屏蔽的影響較大，有些廠房內(nèi)甚至無法直接與外界通信。另外，為了保證車載設(shè)備功耗較低，延長車載設(shè)備蓄電池供電時間，車載設(shè)備通信采用較小的發(fā)射功率。為了保證系統(tǒng)中心站與車輛間無線數(shù)據(jù)通信可靠，在工作區(qū)內(nèi)設(shè)有5個中斷站，負責(zé)車輛與中心站間的信息轉(zhuǎn)發(fā)。在3個通信屏蔽的廠房內(nèi)高有3個中轉(zhuǎn)臺，負責(zé)廠房內(nèi)的車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。中繼站與車輛間的通信采用高增益全向天線。車載設(shè)備和轉(zhuǎn)臺采用3dB全向天線。

系統(tǒng)無線通信網(wǎng)由中心站、中繼站、中轉(zhuǎn)臺和車載設(shè)備構(gòu)成，如圖1所示。

2 設(shè)備選型和設(shè)計

2.1 擴頻通信機選擇

在鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中根據(jù)使用方式的不同，使用了AirLink和WIT915兩種型號的擴頻通信機來組成無線通信網(wǎng)。AirLink通信機用于中心站與中繼站通信，WIT915通信機用來完成中繼站和移動車輛間的通信。

AIRLINK 19MP是美國CYLINK公司的L波段無線擴頻MODEM數(shù)傳通信機，可工作于點對點和點對多點工作方式，也可作為轉(zhuǎn)發(fā)器或hub來應(yīng)用。其主要技術(shù)指標如下：

（1）工作頻段：902～928MHz，16個信道可選；

（2）采用直序擴展工作方式，PN序列長度32bit；

（3）調(diào)制方式為BPSK（Bi-Phase Shift Keying），數(shù)據(jù)速率可達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，擴頻增益為12dB；

（5）發(fā)射功率最大為800mW（29dBm），并且可通過撥碼開關(guān)選擇不同的發(fā)射功率；

（6）采用時分雙工技術(shù)（TDD），可以實現(xiàn)全雙工通信，視距傳輸可達50km。

WIT915是美國DIGTAL WIRELESS公司的擴頻通信收發(fā)機。WIT915采用組合擴頻技術(shù)，能夠抗噪聲和多徑衰落，并且同時支持CSMA通信協(xié)議和點對點的通信。WIT915擴頻通信機的低功耗和小體積很適用于車載臺使用。其技術(shù)指標如下：

（1）工作頻段：903～907MHz，21個信道，具有自動尋找干凈信道的能力；

（2）4級可調(diào)發(fā)射功率，從1mW～1W，最大功率要求符合美國FCC標準，并且功率可自適應(yīng)調(diào)整；

（3）全雙工數(shù)據(jù)速率可達19200bps，半雙工數(shù)據(jù)速率可達51200bps；

（4）射頻帶寬：700kHz，信道間隔1.2MHz；

（5）采用0dB天線，在視距情況下，傳數(shù)距離可達1.8km；

（6）在半雙工情況下，數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換時間小于0.5ms。

    2.2 通信控制器設(shè)計

在無線通信數(shù)傳網(wǎng)設(shè)計中，通信控制器的設(shè)計十分重要。因為對擴頻通信機的控制以及無線通信網(wǎng)通信協(xié)議的執(zhí)行都要通過通信控制器來實現(xiàn)。在鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，采用PC/104作為通信控制器，相對于采用單片機作為內(nèi)核的通信控制器來說，能夠減少產(chǎn)品的開發(fā)費用，降低開發(fā)風(fēng)險，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的性能。PC/104具有超小尺寸（90mm×96mm），較低的功耗（典型為1～2W/模塊），獨有的棧接總線消除了底板與插座的成本和空間。PC/104的CPU系列產(chǎn)品為嵌入應(yīng)用提供了高集成化的模塊，并且與IBM PC/AT休系兼容，在PC上調(diào)試好的程序可以直接移植到PC/104使用。

選用的PC/104 CPU模塊為CoreModule CM/486-2。CM/486模塊提供了PC/AT母板的全部功能和一線附加卡的功能，該模塊具有CP/AT和MS-DOS全兼容的標準硬件和軟件資源。其主要指標如下：

（1）CPU為CX486SLC-2，50MHz內(nèi)部時鐘頻率；

（2）在板內(nèi)存可選為2M、4M或16M字節(jié)；

（3）7個DMA通道（相當于8237）；

（4）15個中斷通道（相當于8259）；

（5）三個可編程計數(shù)/定時器；

（6）16位擴展總線；

（7）和PC完全兼容的兩個串行口和一個并行口；

（8）帶有可啟動系統(tǒng)的固態(tài)盤；

（9）帶有PC所不具有的看門狗定時器。

2.3 通信控制器和擴頻通信機的連接關(guān)系

擴頻通信機AirLink和WIT915的外部數(shù)據(jù)控制接口是與PC兼容的異步串行RS-232接口。因此，由PC/104構(gòu)成的通信控制器與擴頻通信機AirLink和WIT915的硬件連接非常簡單和方便，只需將擴頻通信機的外部數(shù)據(jù)控制接口直接連到PC/104的串行口即可，由在PC/104中運行的軟件控制擴頻通信機的數(shù)據(jù)收發(fā)即可。

圖2、3所示為通信控制器和擴頻通信機的兩種連接方式。其中圖2為中繼站的連接方式，圖2為移動車輛的連接方式。

3 無線通信方式的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 中繼站與中心站

中心站的AirLink擴頻通信機與各個中繼站的AirLink擴頻通信機間構(gòu)成一種星型網(wǎng)絡(luò)通信模式。中心站的AirLink擴頻通信機設(shè)置為主模式。中繼站的AirLink擴頻通信機設(shè)置為從模式，采用半雙工的通信模式，由中心站的通信控制器采用輪詢的方式控制AirLink擴頻通信機和各個繼站進行數(shù)據(jù)傳輸交換。中心站分別從各個中斷站采集各中繼站收到的車輛信息，然后按一定間隔向所有中繼站廣播車輛DGPS定位所需要的差分數(shù)據(jù)。各個中斷站設(shè)置有不同代號。各中繼站通信控制器收到中心站發(fā)出的信息后，首先判斷是否是中心站取車輛信息。若是，再判斷中心站所發(fā)出的站代號是否與事先設(shè)定的本站代號一致；若一致，則將中斷站收到的車輛位置數(shù)據(jù)發(fā)送到中心站；若不一致則不進行處理。若中斷站通信控制器判斷中心站發(fā)出的是廣播差分數(shù)據(jù)，則將此數(shù)據(jù)通過WIT915擴頻通信機轉(zhuǎn)發(fā)到車載設(shè)備。因為各中繼站和中心站的AirLink擴頻通信機接收電平已調(diào)到AirLink擴頻通信機手冊所需求的能夠以10 -8誤碼率傳輸數(shù)據(jù)的電平，因此，中心站和中繼站采用簡單的ARQ方式和CRC校驗就可保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸和交換。

中心站通信控制器通過AirLink擴頻通信機發(fā)到中繼站的數(shù)據(jù)格式如下：

查詢信息格式：

廣播DGPS差分信息格式：

中繼站應(yīng)答信息格式：

中心站和中繼站的數(shù)據(jù)傳輸率為19200bps。

3.2 中繼站與移動車輛

中繼站的通信控制器通過中繼站的WIT915擴頻通信機和車載設(shè)備WINT915擴頻通信機進行數(shù)據(jù)交換。若中繼站通信控制器和移動車載設(shè)備通信控制器之間采用查詢的方式進行車輛位置數(shù)據(jù)的交換，由于鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控車輛較多（約85輛），查詢一遍所有車輛位置數(shù)據(jù)耗時較長。其次，在鐵水運輸過程中，同一時刻移動的車輛較少，停止的車輛較多，而停止車輛的位置沒有變化，控制中心只需保留上次傳過來的車輛位置數(shù)據(jù)即可，無需進行車輛位置更新。為了在有限的信道內(nèi)傳送有效的位置數(shù)據(jù)，采用了根據(jù)車輛運行速度動態(tài)控制車輛信息報告時間間隔的通信方式，即根據(jù)車輛的動動狀態(tài)來調(diào)整車輛信息的發(fā)送頻度。當車輛在停止狀態(tài)時，車輛的信息每隔一分鐘發(fā)送一次，以保持和控制中心的數(shù)據(jù)聯(lián)系。當車輛在移動狀態(tài)時，車輛信息報告頻度隨著速度的增加而提高，及時向中繼站發(fā)送最新的車輛信息。車輛信息的傳送時刻完全由車載通信控制器根據(jù)車輛的運行情況來確定，省去了查詢方式下的下行數(shù)據(jù)鏈路占用的傳送時間，可以提高車輛有效信息的傳送效率和信息的實時性。

為了保證在車輛信息自主發(fā)送時，不生數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐鲎玻肳IT915擴頻通信機在半雙工模式下的CSMA通信協(xié)議來傳送數(shù)據(jù)。CSMA通信協(xié)議是IEEE802.3協(xié)議中的一種數(shù)據(jù)傳送方式，廣泛應(yīng)用于計算機局域網(wǎng)中，在數(shù)據(jù)傳輸中進行載波偵聽和多重訪問。當需要發(fā)送車輛的位置數(shù)據(jù)時，車載通信控制器首先讀取WIT915擴頻通信機送出的載波檢測DCD電平指示。當載波檢測DCD電平為高時，表示目前信道中有別的通信機正發(fā)送數(shù)據(jù)。此時車載通信控制器隨機延時等待數(shù)毫秒，再次讀取通信機的載波檢測DCD電平。若此時載波檢測DCD電平為低，表示此時信道中沒有WIT915擴頻通信機發(fā)送數(shù)據(jù)，信道空閑，可以發(fā)送數(shù)據(jù)，則車載通信控制器將WIT915擴頻通信機的RTS電平抬高。此時，WIT915擴頻通信機切換到發(fā)送狀態(tài)，同時發(fā)出載波信息占據(jù)信道，車載通信控制器隨后將數(shù)據(jù)通過WIT915擴頻通信機發(fā)出。當車輛的位置數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，車載通信控制器將WIT915擴頻通信機的RTS電平置低，使通信機停止發(fā)送載波和數(shù)據(jù)，讓出信道，供其它WIT915擴頻通信機發(fā)送數(shù)據(jù)。

采用CSMA通信協(xié)議發(fā)送車輛位置數(shù)據(jù)，可以使每一時刻只有一臺WIT915擴頻通信機處于發(fā)射狀態(tài)，從而可以盡量避免碰撞干擾，使車輛的信息傳送可靠。WIT915擴頻通信機的收發(fā)切換時間很短，最大不超過400μs,且WIT915擴頻通信機的數(shù)據(jù)傳輸率可高達38400bps，經(jīng)過壓縮后的車輛信息又很短（約40bit），因而每個車載通過控制器發(fā)送車輛位置數(shù)據(jù)時占用信道的時間很短，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。當然，在極端情況下，有可能兩臺WIT915擴頻通信機同時檢測信道空、同時發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)生碰撞。但因所發(fā)送的車輛信息量較小，數(shù)據(jù)傳輸率很高，發(fā)生碰撞的概率很低。即使發(fā)生碰撞，在擴頻通信中，通信機仍有可能解調(diào)出正確的數(shù)據(jù)。若擴頻通信機解調(diào)出錯，通過CRC校驗進行剔除，通過下一次車輛信息發(fā)送對車輛信息進行更新。

中繼站轉(zhuǎn)發(fā)的中心站DGPS差分數(shù)據(jù)，也由中繼站的通信控制器通過中繼站的WIT915擴頻通信機以CSMA的通信方式向各個車載設(shè)備廣播發(fā)送。CSMA通信協(xié)議中采用CRC校驗，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。

通信控制器以CSMA方式發(fā)送數(shù)據(jù)的程序框圖如圖4所示。

在有數(shù)據(jù)發(fā)送時，檢測信道。若信道忙，則隨機延時一段時間，并將計數(shù)器加1，再檢測信道。如此循環(huán)，當計數(shù)器累加到M次后，則退出信道檢測循環(huán)。此時，認為信道忙，并置信道忙標志，此次數(shù)據(jù)發(fā)送放棄。在信道忙標志置位后，將車輛在停止時發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔由1分鐘提高到10秒鐘。這樣做是為了保證在信道阻塞干擾消失后，使所有車輛位置的更新時間最長不超過10秒鐘。

3.3 中轉(zhuǎn)臺數(shù)據(jù)傳輸

在鐵水運輸過程中，車輛有時會進入鋼結(jié)構(gòu)的廠房內(nèi)。為了使車輛在進入廠房內(nèi)也能夠?qū)④囕v的信息發(fā)送到中繼站，因此，在廠房內(nèi)設(shè)置了中轉(zhuǎn)臺。通信轉(zhuǎn)發(fā)如圖5所示。

中轉(zhuǎn)臺設(shè)有兩臺WIT915擴頻通信機，一臺通信機置于廠房內(nèi)，另一臺通信機置于廠房外。轉(zhuǎn)發(fā)通信控制器通過廠房內(nèi)的WIT915擴頻通信機，接收廠房內(nèi)的車輛發(fā)送的信息，然后通過廠房外的WIT915擴頻通信機以CSMA的方式轉(zhuǎn)發(fā)出去。通信控制器在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，要使廠房內(nèi)的WIT915擴頻通信機處于禁止接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，以防止廠房外WIT915擴頻通信機轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)被廠房內(nèi)WIT915擴頻通信機收到，形成循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

4 性能分析

在鐵水動輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，車輛的運行速度最高不超過每小時15公里，即最快每秒運動4.1米（可按5米來估算）。車輛的位置每變化5米，發(fā)送一次更新的位置數(shù)據(jù)，則車輛的位置更新速率最快為每秒一次。車輛位置數(shù)據(jù)連同同步碼和校驗碼在內(nèi)一共為10個字符（每字符為八位二進制數(shù)）。若車載通信控制器以19200bps速率異步方式（一個起始位，一個停止位，八位數(shù)據(jù)）向中繼站發(fā)送數(shù)據(jù)，所需時間為100/19200=5.2ms；若采用CSMA通信協(xié)議在同一信道中通信，在理想情況（不考慮眨時等待和碰撞）下，在一秒鐘內(nèi)可傳送不同位置數(shù)據(jù)的車輛數(shù)為1000/5.2=192輛。若考慮延時等各種不利怦，按耗時增加一倍考慮，則在一秒鐘內(nèi)可傳送不同位置數(shù)據(jù)的車輛數(shù)為192/2=96輛。因為中繼站和中心站的數(shù)據(jù)交換速率為異步19200bps，因此，可以保證所有車輛的位置數(shù)據(jù)能夠在一秒鐘內(nèi)傳送到中心站。所以，所設(shè)計的無線通信網(wǎng)具有每秒實時傳送更新96輛車信息的能力，達到了鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠管理85輛車的要求。由于采用CRC校驗，整個系統(tǒng)的誤碼率達到10 -6以下，滿足了車輛信息傳輸所需的誤碼率要求。

在鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實際運行中，所有車載WIT915擴頻通信機和中繼站的WIT915擴頻通信機都工作在同一信道中，車輛的位置能夠及時得到更新，沒有出現(xiàn)信道擁堵、車輛位置無法實時傳送的現(xiàn)象，達到了設(shè)計目的。若管理的車輛數(shù)目增加，只需按中繼站的通信范圍，將中繼站的WIT915擴頻通信機設(shè)置到不同的信道，車載通信控制器則根據(jù)車輛的位置在不運動區(qū)域自動將車載WIT915擴頻通信機的信道切換到與此區(qū)域中繼站一致的信道上，即可使所管理車輛的數(shù)目成倍增加。