無線遙測系統(tǒng)

無線遙測系統(tǒng)分三層結構，如圖1所示：數(shù)據(jù)中心、雙模無線智能儀表、通用無線智能傳感模塊。數(shù)據(jù)中心的計算機連接一個GSM Modem模塊，儀表室的雙模無線智能儀表連接一個GSM Modem模塊和一個無線數(shù)傳模塊，現(xiàn)場的通用無線智能傳感模塊連接一個無線數(shù)傳模塊。數(shù)據(jù)中心和多臺雙模無線智能儀表之間利用公網(wǎng)通過GSM Modem模塊以短消息方式進行無線通訊，實現(xiàn)遠程監(jiān)測。通用無線智能傳感模塊通過無線數(shù)傳模塊向雙模無線智能儀表定時單向地發(fā)送數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場的通用無線智能傳感模塊完成測量功能和數(shù)據(jù)無線傳輸功能。它采集現(xiàn)場輸入信號，經(jīng)信號處理模塊處理之后，輸入單片機進行A/D轉換，變成數(shù)字信號，然后經(jīng)過單片機的一系列智能計算和功能轉換，輸出工程量。通用無線智能傳感模塊不僅可以采集4-20mA電信號和小信號，而且可以采集頻率信號，因此可以進行多種測量，如溫度、壓力、流量等，具有通用性。

現(xiàn)場的測量結果既可以在通用無線智能傳感模塊上顯示，也能在儀表室的雙模無線智能儀表上顯示。通用無線智能傳感模塊和雙模無線智能儀表之間，采用無線數(shù)傳模塊傳輸數(shù)據(jù)。利用無線數(shù)傳模塊傳輸數(shù)據(jù)的方式解決了對于傳輸距離較遠，現(xiàn)場布線困難的問題。數(shù)據(jù)通過串口采用異步傳輸，制定傳輸協(xié)議。數(shù)據(jù)按照傳輸協(xié)議被定時單向地發(fā)送給雙模無線智能儀表。雙模無線智能儀表和數(shù)據(jù)中心之間，通過GSM Modem模塊傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以短消息的方式按照Modbus協(xié)議傳輸；數(shù)據(jù)可以隨機或定時招測雙模無線智能儀表的數(shù)據(jù)，為避免頻繁招測給雙模無線智能儀表的其它工作帶來干擾，雙模無線智能儀表設計成基于數(shù)據(jù)緩沖池的雙CPU結構。

數(shù)據(jù)中心能夠隨機或定時招測雙模無線智能儀表中與測量有關的數(shù)據(jù)，并具有數(shù)據(jù)庫自動備份、用戶數(shù)據(jù)查詢、用戶數(shù)據(jù)修改、清空數(shù)據(jù)庫、參數(shù)曲線顯示、用戶數(shù)據(jù)打印等功能。雙模無線智能儀表和數(shù)據(jù)中心之間一般在1到幾十公里以上，距離很遠，網(wǎng)絡發(fā)達方便，因此可以采用電臺或者GSM網(wǎng)絡或公用電話網(wǎng)構成遙測網(wǎng)絡，手機基站的網(wǎng)絡覆蓋面很廣，在全國范圍內(nèi)都有網(wǎng)絡，傳輸數(shù)據(jù)快，運行費用相對低，將其作為工業(yè)通訊設備，有很強的適應性，所以本系統(tǒng)設計采用基于短消息的GSM網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心對所有雙模無線智能儀表的控制和管理。

無線遙測系統(tǒng)的應用領域很廣，它可以應用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領域。

無線遙測系統(tǒng)是以計算機為基礎的生產(chǎn)過程控制與調度自動化系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調節(jié)以及各類信號報警等各項功能。

由于各個應用領域對無線遙測的要求不同，所以不同應用領域的無線遙測系統(tǒng)發(fā)展也不完全相同，在電力系統(tǒng)以及電氣化鐵道上又稱遠動系統(tǒng)。

在電力系統(tǒng)中，無線遙測系統(tǒng)的應用最為廣泛，技術發(fā)展也最為成熟。它作為能量管理系統(tǒng)(EMS系統(tǒng))的一個最主要的子系統(tǒng)，有著信息完整、提高效率、正確掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢，現(xiàn)已經(jīng)成為電力調度不可缺少的工具。它對提高電網(wǎng)運行的可靠性、安全性與經(jīng)濟效益，減輕調度員的負擔，實現(xiàn)電力調度自動化與現(xiàn)代化，提高調度的效率和水平中方面有著不可替代的作用。

無線遙測在鐵道電氣化遠動系統(tǒng)上的應用也較早，在保證電氣化鐵路的安全可靠供電，提高鐵路運輸?shù)恼{度管理水平起到了很大的作用。在鐵道電氣化無線遙測系統(tǒng)的發(fā)展過程中，隨著計算機的發(fā)展，不同時期有不同的產(chǎn)品，同時我國也從國外引進了大量的無線遙測產(chǎn)品與設備，這些都帶動了鐵道電氣化遠動系統(tǒng)向更高的目標發(fā)展。

自單片機問世以來，單片機技術得到了迅猛的發(fā)展，使得單片機的性能不斷提高，功能越來越強，因其具有功能強大、低功耗、體積小等優(yōu)點，己被廣泛應用于工業(yè)控制、儀器儀表、計算機、家電等許多領域中。本課題就是根據(jù)單片機的以上優(yōu)點將其應用在儀表的智能測量中。

隨著計算機技術的應用和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，計算機遠程監(jiān)測監(jiān)控手段在各行業(yè)中也得到了廣泛的應用，遠程監(jiān)測系統(tǒng)具有信息反饋迅速，便于統(tǒng)一管理、集中調度指揮，有效的提高了管理水平，解決了測量中人工監(jiān)測的弊病。

針對有些地區(qū)現(xiàn)場布線困難、儀表布局分散，不利于集中管理的現(xiàn)狀，作者設計了一套全無線遙測系統(tǒng)，系統(tǒng)基于單片機對現(xiàn)場輸入信號的智能測量，利用無線通訊進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)遠程監(jiān)測，解決以上問題?，F(xiàn)場的測量信息能夠以無線的方式被傳送出去，并且可以在數(shù)據(jù)中心實時集中管理，統(tǒng)一調度，查詢及報表打印等。全無線遙測系統(tǒng)是一種通用的系統(tǒng)，不僅能測量頻率信號，而且能夠測量微小信號和4-20mA的電流信號。

無線遙測系統(tǒng)在不斷完善，不斷發(fā)展，其技術進步一刻也沒有停止過。當今，隨著人們對無線遙測系統(tǒng)需求的提高以及計算機技術的發(fā)展，為無線遙測系統(tǒng)提出新的要求，概括地說，有以下幾點：

無線遙測系統(tǒng)無線遙測系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的廣泛集成

無線遙測系統(tǒng)一般是各工業(yè)系統(tǒng)自動化的實時數(shù)據(jù)源，為系統(tǒng)提供大量的實時數(shù)據(jù)。所以在這今十年來，無線遙測系統(tǒng)系統(tǒng)如何與其它非實時系統(tǒng)的連接成為無線遙測研究的重要課題。無線遙測系統(tǒng)與電能量計量系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)、水調度自動化系統(tǒng)、調度生產(chǎn)自動化系統(tǒng)以及辦公自動化系統(tǒng)的集成成為無線遙測系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。

無線遙測系統(tǒng)專家系統(tǒng)等新技術研究與應用

利用這些新技術模擬系統(tǒng)的各種運行狀態(tài)，并開發(fā)出調度輔助軟件和管理決策軟件，由專家系統(tǒng)根據(jù)不同的實際情況推理出最優(yōu)化的運行方式或處理故障的方法，以達到合理、經(jīng)濟地進行系統(tǒng)網(wǎng)絡的調度，提高運輸效率的目的。

無線遙測系統(tǒng)面向對象技術、Internet技術的應用

面向對象技術(OOT)是網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫設計和市場模型設計的合適工具，將面向對象技術(OOT)運用于無線遙測系統(tǒng)是發(fā)展趨勢。

隨著Internet技術的發(fā)展，瀏覽器界面已經(jīng)成為計算機桌面的基本平臺，將瀏覽器技術運用于SCADA系統(tǒng)，將瀏覽器界面作為系統(tǒng)調度自動化系統(tǒng)的人機界面，對擴大實時系統(tǒng)的應用范圍，減少維護工作量非常有利；在新一代的無線遙測系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的MMI界面將保留，主要供操作人員使用，新增設的Web服務器供非實時用戶瀏覽，以后將逐漸統(tǒng)一為一種人機界面。

JAVA語言綜合了面向對象技術和Internet技術，將編譯和解釋有機結合，嚴格實現(xiàn)了面向對象的四大特性:封裝性、多態(tài)性、繼承性、動態(tài)聯(lián)編，并在多線程支持和安全性上優(yōu)于C ，以及其它諸多特性，JAVA技術將導致無線遙測系統(tǒng)的一場革命。

雖然現(xiàn)有的無線遙測系統(tǒng)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，并逐步被應用到工農(nóng)業(yè)的各個領域中去。但是這些系統(tǒng)一些功能的實現(xiàn)上仍具有明顯的缺陷：

無線遙測系統(tǒng)實時性和精確性差

用現(xiàn)有的無線遙控測試設備組成的系統(tǒng)進行多目標測量和控制時，由于無線傳輸中的干擾及有限的無線資源，系統(tǒng)只能傳輸極少數(shù)的遙測信息和控制信息。這會影響系統(tǒng)工作的實時性和精確性。

無線遙測系統(tǒng)無線遙控測試系統(tǒng)的價格問題尤為突出

對于多目標的遙控測試系統(tǒng)，很大一部分的要求來自于民用方面，如導航、石油/液化氣管道測量、地震監(jiān)測、醫(yī)院監(jiān)護、工廠遠距數(shù)據(jù)采集等民用方面都提出了很大的要求。對于民用，若不考慮價格，就意味著丟掉市場。因此，從整體設計開始，就得從方案、采用的技術、器件、工藝等方面考慮價格問題。

無線遙測系統(tǒng)系統(tǒng)安全性需要提高

無線遙控側試系統(tǒng)由于其通信信道不像有線通信那樣是封閉的，因此它比較容易被侵入或攻擊。如何保證其網(wǎng)絡的安全性無疑也是當今網(wǎng)絡通信發(fā)展的一門重要課題。

無線遙測系統(tǒng)本地化差

同國外系統(tǒng)相比，大部分國產(chǎn)通用系統(tǒng)主要是模仿國外系統(tǒng)開發(fā)的，雖然部分系統(tǒng)已經(jīng)漢化，但是中國市場中某些行業(yè)規(guī)范，他們很難滿足。而且人力資源以及資金限制使得它們可能在很長時間內(nèi)只能維持對現(xiàn)有系統(tǒng)功能的維護和補充。

無線通信新技術的不斷涌現(xiàn)，推動了遙測技術的發(fā)展。在國際遙測會議 (ITC)中，關于 OFDM,MIMO,MIMO-OFDM 的論文逐年增多。2003 年，加拿大太平洋微波研究中心 Durso報告了他們實驗室的研究成果，他們將 OFDM 技術應用于戰(zhàn)術無人機遙測鏈路，采用編碼 OFDM(COFDM)技術，子載波采用 QPSK 或者16-QAM，信號帶寬 8 MHz，根據(jù)不同的編碼效率與子載波調制方式，傳輸速率為 5 Mbps~20 Mbps，該系統(tǒng)可以有效地對抗多徑干擾，而且可以進行非視距通信。2005 年，國際遙測會議專門設立一個議題討論提高遙測頻譜效率(T&E/S&T Spectrum Efficient Technology)，在這個議題中，美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)Darden認為在遙測鏈路中，OFDM 是一種先進的技術。Tian 等人將 OFDM 技術用于飛行器電力線高速數(shù)據(jù)傳輸，可以節(jié)約飛行器儀器之間電纜的數(shù)量。2008 年，Lu 與 Roach 等人分析了物理層采用 OFDM 的iNET (增強遙測綜合網(wǎng))性能，并對系統(tǒng)進行了實驗室的測試。2009 年，Ehichioya 與Kamirah研究 OFDM 在航空遙測信道的性能，說明 OFDM 在航空遙測中具有優(yōu)勢。

對于 MIMO 技術的關注，是從 2002 年開始，Jensen 等人研究了空時編碼，并針對航空遙測信道進行了分析。在后面的幾年里，越來越多的遙測研究人員開始關注 MIMO。在 2006 年遙測會議上，組委會專門設計一個議題，交流 MIMO 技術，在 2007 年、2009 年都專門設置分會場討論 MIMO 技術。在 2006 年，美國密蘇里州科技大學遙測學術中心 Chris Potter 等人就開始研究 MIMO 技術，在隨后的幾年中，他與自己導師 Kosbar 每年都在遙測會議上展示他們的研究成果。到 2009 年，他們成功地將 MIMO 應用于航空遙測中，開發(fā)了 1 套 2×2 的MIMO 系統(tǒng)，機上 2 個天線，地面 2 個天線。對于 MIMO，就技術而言，主要集中在信道估計、空時編碼。

從已有的報道來看，目前 OFDM、MIMO 技術在遙測領域的研究和應用主要集中在航空遙測。在航空信道下，當飛行器距離較遠時，受到地球曲率半徑的影響，導致天線仰角很低，此時，地面與山體等反射都進入天線的主波束內(nèi)，形成多徑干擾，而且飛行器需要傳輸大量視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)率高。另外航空信道下的飛行器能源是可以補給的，可采用功率較大的發(fā)射功率。所以在航空遙測領域，OFDM 技術有著廣泛的應用前景。在衛(wèi)星、飛船等遙測中，OFDM、MIMO 的研究和應用還未見報道。這些飛行器能量由電池提供，發(fā)射功率非常有限，功率放大器為非線性，況且衛(wèi)星、飛船基本上不存在多徑干擾，是一個理想的加性高斯白噪聲(Additive White Gaussion Noise，AWGN)信道，就目前而言，不宜采用 OFDM 技術。但是不論是航空遙測，還是衛(wèi)星遙測，使用 MIMO 技術都可以提高信道容量，節(jié)約功率，提高傳輸?shù)目煽啃?，所?MIMO 在遙測領域的應用具有很大潛力。對于 SC-FDE技術，在遙測會議中未見報道，但是根據(jù)它的特點以及優(yōu)異的抗多徑性能，在航空遙測、導彈遙測等存在嚴重多徑干擾的信道下，是一種魯棒的遙測體制，很有必要深入研究。

據(jù)記載，1812年為了遠距離試驗地雷，遙測技術即應運而生。隨著工業(yè)的發(fā)展，遙測技術逐漸發(fā)展起來。真空三極管的發(fā)明，從而出現(xiàn)了調頻式遙測設備。應用于測候氣球上使用無線電通道進行遙測的系統(tǒng)在1930年試驗成功，這是世界上第一部比較完善的遙測設備。

第二次世界大戰(zhàn)以后，無線電遙測得到了很大的發(fā)展。特別是對于軍用飛機的試驗，大容量的多路無線電遙測系統(tǒng)開始研制，40年代以后開始實際采用。

隨著火箭、導彈、宇宙飛船、人造衛(wèi)星等先進宇航技術的發(fā)展，更進一步促進了遙測技術的的飛快發(fā)展，當前遙測技術已向深空宇宙發(fā)展。我國1970年成功地發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，以后又多次發(fā)射并使衛(wèi)星成功地返回地球，這標志著我國無線電遙測技術得到了很大的發(fā)展。特別是我國在1984年4月8日發(fā)射的試驗通訊衛(wèi)星，于4月16日18時27分57秒成功地定點于東徑125度赤道上空，星上儀器設備工作良好，通信、廣播和電視傳輸?shù)仍囼炦M行正常。這是我國航天技術的新飛躍的標志，也說明了我國的遙測遙控技術達到一個嶄新的階段。

無線電遙測技術已是一門比較成熟的技術。但就兵器無線電遙測技術來說，還是一門正在發(fā)展中的技術。隨著兵器技術的發(fā)展，特別是末制導技術用于炮彈、戰(zhàn)術火箭和航彈．以及新型戰(zhàn)車的發(fā)展，遙測技術在兵器研制中將顯得更加重要。它是縮短新型兵器研制周期不可缺少的手段，也是提高靶場試驗效率的關鍵和得到試驗數(shù)據(jù)的一種重要方法。特別是對于引信技術而言，由于引信是一次性使用產(chǎn)品，引信在自由空間以及在遇目標時的工作狀態(tài)如何等等，而這些參數(shù)的測試用模擬或仿真的方式實在難以獲得。要了解這些情況，無線電遙測就尤為重要了。