无线数据传输系统的应用研究

董雪

摘 要：由于某石油化工厂需求大量的工业用水，针对该厂的供水问题，文章提出了采用无线数据传输技术，在远用的流量变送器上安装无线网关，通过设备的RS485接口，采用MODBUS协议将流量计的累计流量数据接入无线电台，从而获取数据。最终达到提高供水效率，集中管理的目的。

关键词：无线数传；无线网关；天线；协议转换

引言

某石油化工厂属于大型工业生产企业，工业用水量非常大。企业所用工业水采集点远在数公里之外，通过输水线路传输至厂区、生活区等30个用水点处，各用水点分布在东西约长10公里，南北约5公里范围内。现在各用水点采用电磁流量计计量用水量，建设初期考虑到电缆敷设路径较远， 信号衰减大，而且电缆在野外也容易遭到破坏， 所以未敷设信号电缆，没有实现集中管理，由工人定时到各计量站人工抄表，极大的增加了工人的劳动强度，也非常不利于时监控用水量的变化，不利于厂区自动化管理。现今，无线技术已经广泛应用于各种远距离传输系统中，为了减轻工人劳动强度，实现数据的实时无线传输，随时掌握用水动态，达到提高供水效率，集中管理的目的。

1 总体设计方案

流量信号无线数传系统由前端设备和后台接收设备组成。前端采用专为高效的无线波段而设计的EP105H-G无线网关（包括完整的收发射装置）、通过天线将信号发射至后台接收设备。后台设备安装在控制室内，采用与之相匹配的EP105H-G中心调度机进行接收、通过交换机将信号在操作站上进行监控.国家信息产业部无线电管理局专门给此类无线系统辟出了223～235 MHz的无线数据通信专用频段。传输速率可在1200/2 400/4 800/9 600 b/s之间调整[2]，如图1所示。

2 无线网关的工作原理

无线网关接收流量变送器输出的流量信号，信号形式可为4～20mA模拟信号，也可为RS485信号。考虑到模拟信号在传输中会产生偏差，我们采用RS485通讯方式，通讯协议采用标准MODBUS协议。再将信号完成调制，由无线发射端将信号发射出去。使用EP105H无线端口允许EP105H-G与其它EP105H-G和/或EP105H模块进行通讯。从EP105H 模块中发出的信息被无线端口接收并刷新EP105H-G无线接口的输入数据库。无线端口同时也可以将主设备的控制信号通过无线方式输出到远程的EP105H模块。只要输入信号发生改变就会立刻发送信号。也可组态按设定时间定时发送，每一个发送的信息都包括错误检测以确认信息的准确性。如未收到确认信息则该信息将重发5 次[3]。

EP105H-G单元可以作为“数据中心”单元，此单元从EP105H 无线输入/输出（I/O）模块的局域网收集输入/输出（I/O），并且把这些输入/输出（I/O）作为一组传输到另一个EP105H-G如图2所示。

此种类型的网络可以避免无线通信信道的拥挤，适合有大量输入/输出（I/O）模块的系统采用。这一系统被分成局部分支网络，每一网络都有一个EP105H-G单元。EP105H模块传输输入/输出（I/O）值到这些EP105H-G。然后EP105H-G使用成组转换器把这些值发送到“中心”EP105H-G。比起大多数单个的输入/输出（I/O）传输，成组转换器效率更高。

EP105H-G 模块可以可靠地完成远距离的通讯。不同的应用，影响通讯距离的因素也会不同，主要由天线型号和安装位置、无线干扰程度，以及路径中的障碍物（如小山或树林）等来决定。请咨询当地经销商了解符合当地无线电规则的期望的距离。如果两个EP105H-G模块之间不能进行可靠通讯，就需要使用第三个EP105H-G作为中继先接收然后再转发信号。此中继器也有输入/输出（I/O）信号，是输入/输出（I/O）网络的一部分[4]。

3 天线的设置

数据通过天线载体进行无线发射，为了取得最大通讯距离，天线应当高于通讯路径中的障碍物的高度，达到无线路径真正的“可视”。由于地球表面本身的曲度，通讯距离要超过5千米（3英里）。天线至少要高于地面5米。对于短距离通讯，即使路径中有障碍物，EP105H 模块也能可靠通讯。当然，靠近天线的障碍物对通讯的影响远远大于通讯路径中的障碍物。比方：天线附近的一排树是很大的障碍物，天线必须要架设得比树高。如果在100米外，那这排树对通讯的影响就很小了[5]。

天线可以用50欧姆的同轴电缆连接到模块的同轴电缆连接盒的公口上。天线安装得越高，传送距离越远，然而同轴电缆长度的增加同时也增加了电缆的损耗。天线应该严格挑选，避免超过其允许的最大功率。一般情况下，天线/馈线系统的净增益不应超过2dB。

4 对原流量变送器的改造

原区域范围内的流量变送器已经配有RS485接口，在安装无线网关之前，我们对数据传输进行了实验性测试。

室内测试设备：105-G-MD1无线电台一台，IFC300流量计一台。

调试的目的：通过两台设备的RS485接口，采用MODBUS 协议将流量计的累计流量数据接入无线电台。

实验结果如下：

截获的串口码为：主机发送代码：（皆为十六进制数）

0x04 Modbus 功能码 04 代表读寄存器数据0x08 代表字节数，此处为08，即后面有8个数据字节0x40 B0 40 C3 CD 0E 2C A2代表数据区，即计数器1值

0x19 31代表循环冗余码校验（CRC）从截获的串口数据来看，流量计的累计数据可以读回，该设备遵循Modbus RTU slave 的协议工作模式。发现问题：流量计把流量的累计数据存放到了30020号的地址中，这个地址号偏大， 也就是说，虽然流量计与数传电台均使用的是Modbus RTU slave 的协议，但两者之间寄存器地址并不相同， 从电台配置的30021号地址读到的流量计的中20号寄存器的数据，并不是我们期望的流量累计数据，两台设备之间主要存在寄存器地址不兼容的问题。

为了解决这个矛盾，我们在这两台设备间加装了一个协议转换装置（起到地址变换的功能），鉴于流量计产品的特殊性（寄存器号过大），市场不易买到现成的转换产品，我们对这种协议转换装置进行了特殊定制。最终试验： 将定制好的协议转换器与数传电台重新进行匹配，结果，读数一致。将此问题圆满解决。

5 结束语

系统采用无线传输管理系统之后降低了综合成本，即只需一次性投资，无须挖沟埋管，且维护费用低。系统经过调试运行，保证了在厂区内的水表数据的无线传输，且运行稳定、实时性强、误码率低，满足全部生产要求。上位系统功能齐全，能够保存历史数据长达1a，为生产的成本分析提供了强大的保障，降低了清水用量和生产开支，同时降低了生产劳动强度，提高了管理水平。

参考文献

[1]许辉，王永添，陈多芳.现代通信网技术[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2]OSGI.Open Services Gateway Initiative Specification Overview.2000.

[3]曾鹏，徐皑冬.工业无线通讯技术 仪器仪表标准化与计量，2007，（1）：21-23.

[4]刘元安，叶靓，邵谦明，等.无线传感器网络与TCP/IP网络的融合[J].北京邮电大学学报，2006，12（6）：8-10.