无线数传技术在远距离数据通信中的应用

兰奇发，马小照，麻荣武

（国家管网集团深圳天然气有限公司，广东 深圳518120）

1 立项背景

国家管网集团深圳LNG接收站位于深圳东部迭福片区，占地面积约27公顷。该项目是深圳市“十二五”能源基础设施重点建设项目，其建成和投产运营对保障深圳市长期稳定安全的天然气供应、优化能源结构和布局、推进节能减排、改善生态环境具有重要意义。

深圳LNG接收站中压气态外输管道通过深圳燃气迭福门站连通至下游城市燃气用户和下游工业用户，从接收站计量区至迭福门站计量区界墙管线直线距离不远，沿天然气管线采用直埋方式布设专用通信光纤，两站控制室间的控制系统通过光纤传输共享数据。2018年5月30日，为贯彻全国天然气“一张网”的结构布局及冬季保供期国家“南气北送”国家保供应急重点工程，新建深圳LNG至大鹏LNG联通线工程启动。工程项目起点为深圳燃气迭福门站，终点为大鹏LNG福华德支线，由于工程项目迭福门站外管线走向重叠，施工作业面狭窄，又恰逢施工期间恶劣天气引发滑坡等，导致原接收站至迭福门站所用的数据通信光缆遭到破坏，被损坏的光缆短期无法修复，急需考虑其他方式维持两个站点间控制室的通信数据传输，特别是接收站和下游管线不断变化的用气调度下，保障接收站BOG外输和迭福门站气源调配的正常生产尤其重要。

2 主要目标

鉴于天然气外输上下游站点直线距离较短，控制室之间处于空旷环境中，经调研采用当前低成本、易于实现、成熟可靠无线传输方案，不需要增加管线开挖施工工作量，解决接收站工艺仪表间和深燃迭福门站控制系统通信问题，采用成本低廉的无线数传电台方式传输成为首要选择。在正常通信设计中，将现有通信架构通过485串口通信接入接收站控制系统串口服务器，迭福门站的隔离RTU控制器单元作为MODBUS串口通信从站设备，接收站控制系统为主设备，采用沿管线铺设的单模光纤作为传输媒介，光端两侧配置485通信光电转换器。

接收站工艺仪表间和迭福门站控制室机房直线距离约为500m，接收站内工艺仪表间建筑物为两层楼高的钢筋混凝土结构，机房处于二楼；深圳燃气迭福门站机房为三层楼建筑结构，机房位于一楼位置，两个控制室直线距离无遮挡。接收站还有周界实体围墙和迭福门站周界实体围墙高度均不大于3m，中间被市政S30省道公路和排水沟阻断，在两边机房无线数传电台除受墙体遮挡外没有其他障碍物。鉴于通过修复有效有线数据通信线缆铺设工期较久，而且该区域为新建工程和已投用管线的复杂施工交叉作业面，并且处于南方区域雨季，易发泥石流地质灾害，修复管线及光纤作业难度非常大，因此为及时解决光纤信号衰减和远距离传输稳定性问题，采用无线数传电台的传输方式为最佳方案。

3 主要研究内容

3.1 无线传输技术现状

近年来，无线传输技术随着社会的日益发展不断进步，无线传输技术应用越来越广泛。短距离无线传输技术包括WIFI、蓝牙、UWB、MTC、ZigBee、NFC、GPRS、NB-IoT、Lora，信号覆盖范围则一般在几十厘米到几百米之间。近距离无线传输技术主要应用在局域网，比如家庭网络、工厂车间联网、企业办公联网。

在解决用户无法通过有线传输的技术难题上，无线通信技术在工业控制行业逐渐被推广应用，现有的无线传输方案特点如下：

第一，高功耗、高速率的广域网传输技术，如2G、3G、4G蜂窝通信技术，这类传输技术适合于GPS导航与定位、视频监控等实时性要求较高的大流量传输应用。

第二，低功耗、低速率的广域网传输技术，如Lora、Sigfox、NB-IoT等，这类传输技术适合于远程设备运行状态的数据传输、工业智能设备及终端的数据传输等。

第三，高功耗、高速率的近距离传输技术，如WIFI、蓝牙，这类传输技术适合于智能家居、可穿戴设备以及M2M之间的连接及数据传输。

第四，低功耗、低速率的近距离传输技术，如Zig－Bee，这类传输技术适合局域网设备的灵活组网应用，如热点共享等。

综合以上特点，当前无线传输技术的发展趋势是以低功耗广域网络为主，采用低速率的广域网技术将是解决接收站工艺仪表间和迭福门站机房间的首选应用，综合当前数据传输类型和数据量，Lora技术可以作为重点研究应用方向。

Lora是LPWAN（Low-power Wide-Area Network，低功耗广域网）通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的、能实现远距离传输、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。目前，Lora主要在全球免费频段运行，包括433/868/915MHz等。

3.2 无线传输频段简介

在无线通信领域中，电磁波的频率范围的单位为Hz，按照频率的大小，全球通信频率应用可以分为如下频率：

3.2.1 2.4G/5.8G家用路由器频段

2.4G，全球免费通用频段，家用路由器，无线模块，数传电台，实时遥控；

915M，北美免费通用频段；

868M，欧盟免费通用频段；

780M，中国新开物联网频段；

470M，中国国家电网计量频段，无线抄表；

433M，中国免费通用频段；

315M，遥控器使用频段；

230M，中国电力系统专用频段；

169M，欧盟无线抄表频段。

3.2.2 4G、3G与2G/GSM/GPRS频段

（1）4G频段：1800～2700MHz（1.8～2.7GHz）。中国移 动 ：1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz；中国联通：2300-2320MHz、2555-2575MHz；中国电信：2370-2390MHz、2635-2655MHz。

（2）3G频段：1800～2200MHz（1.8～2.2GHz）。中国移动：1880-1900MHz；中国联通：1940-1955MHz(上行)、2130-2145MHz(下行)；中国电信：1920-1935MHz(上行)、2110-2125MHz(下行)。

（3）2G/GSM/GPRS频段：800～1900MHz。

3.2.3 中国三大运营商频段

中国移动：890-909MHz（上行）、935-954MHz（下行）、1710-1725MHz（上行）、1805-1820MHz（下行）。

中国联通：909-915MHz（上行）、954-960MHz（下行）、1745-1755MHz（上行）、1840-1850MHz（下行）。

中国电信：825-840MHz（上行）、870-885MHz（下行）。

根据以上不同频率功能划分，无线传输技术应用频率为170MHz、230MHz、433MHz、780MHz、915MHz、2.4GHz等免费频段，不同频段适用不同场景对于数据传输的要求，比如数据量大小、功耗要求、传输距离及安全性要求等。低功耗远距离通信技术具有远距离、低功耗、低成本、覆盖容量大等优点。远距离和覆盖容量大意味着可以覆盖的面积更大，服务更多的用户；低功耗可以延长电池寿命及保证更小的维护成本，而低成本收发器芯片可以有效减少部署成本，基于特定应用特性。低功耗远距离无线通信及网络技术适合于物联网终端设备，包括常见的长距离收发数据量少的军事应用场景。Lora是发展较快、相对较成熟的技术，目前成为物联网应用的重要基础技术。

3.3 远距离无线传输频率需求

根据现有接收站和门站机房之间空间距离现状，采用无线通信技术。通信存在相应技术问题，如电磁波容易出现衰减、抗干扰性差等。针对衰减问题，由于电磁波具有波粒二象性，而且使用的频率范围从几百兆到几千兆，所对应的波长范围也很广，所以电磁波在自然和人文环境中传播时，遭遇的场景有绕射、反射、折射和衍射等，因此电磁波特性决定了所应用场景局限性。

当电磁波遇到尖角或薄边的阻挡物会发生绕射。也就是说当电磁波躲不过这个障碍物但是不至于被反弹回来的时候，就从这个阻挡物旁边绕过去。这种行为称之为电磁波的绕射。

当无线电磁波遇到远大于波长的障碍物表面的时候会发生反射，这种反射的现象跟我们拿着镜子把光线反射回去的原理是一样的，这种反射一般都是建筑物间的反射。

当电磁波从一种介质斜射入另一种密度不同的介质时，它不会完全反射，而是传播方向发生变化，这时候就会发生电磁波的折射。在无线通信里，这种现象一般出现在电磁波的大气折射中，因为从地面到天空上的空气是越来越稀薄的，空气密度也会呈现一定的梯度变化，所以电磁波在空气中传播时会有大气折射现象的产生。

当电磁波波长大于或等于障碍物尺寸时会发生电磁波衍射现象，波长越大则衍射现象就越显著。如果用于短距离传输，电磁波频率选择低频为主，波长较长可以避免较多障碍物情况下的衍射，而且绕射效果较好，可以达到较稳定网络电磁波的传输效果。当相比之下较低频率电磁受干扰较多，应用于抗干扰要求不高的场合。

当前无线通信技术主要有两类：一类是Zigbee、WIFI、蓝牙、Z-wave等短距离通信技术；另一类是LPWAN，即广域网通信技术，包括LPWAN通信中授权频谱（2、3、4G蜂窝通信技术）和未授权频谱（Lora、Sigfox通信技术）等。

经现场勘察，接收站工艺仪表间和迭福门站机房距离约500m左右，以接收站工艺仪表间为起源中间障碍物结构依次为：仪表间机房墙体、接收站围墙、门站围墙、门站机房墙体，除机房墙体距离机柜较近外，各建筑物围墙相隔较远，影响电磁波因素较小。

因此，接收站和迭福门站的控制室机房的无线传输通信技术应用，根据数据通信频率优缺点对比，以及应用可靠性和安全性，可采用低频433MHz频段，可在此频段选择最佳最优应用无线技术产品。

3.4 无线传输应用方案

现有接收站和迭福门站上下游数据传输的网络中，双方控制系统均为独立不同的控制系统，并且属于不同企业主体，网络安全和数据安全尤其重要，因此无法进行直连传输。经双方讨论优化技术方案，采用增加中间数据隔离单元，防止直接访问对方系统，因此增加支持多协议接口RTU控制器单元作为隔离单元，兼顾实现双方系统现有接口，确定采用RS485串口通信为最合适协议方式，基本满足传输两百多个实时数据量的应用需求，RS485通信为所需按RTU控制器和双方控制系统接入网络硬件兼容性最好的应用协议，因此在原来有线连接采用的485串口通信协议，如采用无线数传电台也将继续采用支持RS485协议的无线数据传输模块。经过市场调研应用，评估现有应用场景，选用成都亿佰特电子科技有限公司的E90-DTU（433C37）型工业级无线数传电台，其符合双方应用需要，该产品应用场景如图1所示。

图1 E90-DTU无线数传电台应用场景

该产品技术特点如下：

支持高速连续不间断传输、数据不分报，适配Modbus协议；

发射功率最大达5W，所有技术指标达到欧洲工业标准；

采用温度补偿电路，频率稳定度优于±1.5ppm；

工作温度范围:-40℃～+70℃，适应各种严酷的工作环境，是真正的工业级产品；

全铝合金外壳，体积紧凑，安装方便，散热性好；完美地屏蔽设计，电磁兼容性好，抗干扰能力强；

电源逆接保护、过接保护、天线浪涌保护等多重保护功能，大大增加了电台可靠性；

强大的软件功能，所有参数可通过编程设置:如功率、频率、空中速率、地址ID等；

超低功耗，守候电流仅为50mA（节电模式及睡眠模式功耗更低），发射电流≤1.2A（5W时）。

内置看门狗，并进行精确时间布局，一旦发生异常，模块将自动重启。

在无线数传方案应用中，该产品也体现出较好功能配置应用，E90-DTU无线数传电台产品配置如图2。

图2 E90-DTU数传电台连接编程示意图

4 研究成果介绍

4.1 操作维护成本低

基于接收站和迭福门站采用无线数传电台应用方案，现有设备无线传输通信运行稳定，操作维护成本非常低，数据传输通信质量较好。

由于当前Lora技术采用简单的点对点通信网络架构，两个站点间一个发起另外一个接收，数据传输模式单一，网络架构优势成本较低，网络实时性较高，在现有通信设置模式不变的情况下，在两地控制室机房将RS485光电转换器更换为E90-DTU模块后，将模块通电而实现经专用配置软件设置通信完成后即可正常工作，外置增益天线可实现稳定可靠传输，操作应用简单可靠。

4.2 网络传输可靠安全

在使用无线模块时，考虑到无线数据传输信号强度的要求，E90的理想传输距离为20km，发射功率为5W；为保障更好的效果，结合现有控制室机房距离等实际应用环境特点，采用天线增益的方式，将天线引出至控制室房顶，保持和迭福门站机房处的接收天线具有直线无遮挡效果，传输信号非常强。并经过信号测试，附近没有存在相应频段信号，提高了网络通信质量和安全。

5 经济效益与社会效益

5.1 物联网推广

本项目选用适合接收站和迭福门站的特定应用环境需求的物联网无线通信技术，解决了连接出站管线光纤网络中断，无法实现数据传输的难题。改用无线数据传输方案的网络建设成本低廉，且完美实现生产共享数据实时传输。

Lora技术因为低功耗、深度覆盖、容易部署等优势，使得其非常适用于功耗低、距离远、大量连接及定位跟踪等的物联网应用。结合改善城市管理有效性，其给建设综合物联网带来了可能性，并在智慧城市建设中起到越来越重要的作用。

5.2 创新技术应用

现有接收站内的控制系统和可编程控制器（PLC）单元等第三方设备采用有线485串口通信协议。对于改扩建新增设备通信方式，除了采用有线数据传输选项外，也可采用无线方式进行数据通信。本文探索了新的创新应用，为后期控制系统设备功能扩展、设备联网接入及功能改造提供一种全新应用解决方案，将物联网技术逐渐融入工业控制系统应用中，从而提供了良好的实践和新尝试。