無線遙測系統(tǒng)基本概念

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

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

由于各個應(yīng)用領(lǐng)域?qū)o線遙測的要求不同，所以不同應(yīng)用領(lǐng)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(yuǎn)動系統(tǒng)。

在電力系統(tǒng)中，無線遙測系統(tǒng)的應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)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(yùn)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(diào)度不可缺少的工具。它對提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)效益，減輕調(diào)度員的負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)電力調(diào)度自動化與現(xiàn)代化，提高調(diào)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(yuǎn)動系統(tǒng)上的應(yīng)用也較早，在保證電氣化鐵路的安全可靠供電，提高鐵路運(yùn)輸?shù)恼{(diào)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(jī)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(jìn)了大量的無線遙測產(chǎn)品與設(shè)備，這些都帶動了鐵道電氣化遠(yuǎn)動系統(tǒng)向更高的目標(biāo)發(fā)展。

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

隨著計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控手段在各行業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用，遠(yuǎn)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(diào)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(shè)計了一套全無線遙測系統(tǒng)，系統(tǒng)基于單片機(jī)對現(xiàn)場輸入信號的智能測量，利用無線通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，解決以上問題。現(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(diào)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)分三層結(jié)構(gòu)，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(jī)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(jìn)行無線通訊，實現(xiàn)遠(yuǎn)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(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號，然后經(jīng)過單片機(jī)的一系列智能計算和功能轉(zhuǎn)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(jìn)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(jié)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(yuǎn)，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(jī)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(shè)計成基于數(shù)據(jù)緩沖池的雙CPU結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)中心能夠隨機(jī)或定時招測雙模無線智能儀表中與測量有關(guān)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(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)方便，因此可以采用電臺或者GSM網(wǎng)絡(luò)或公用電話網(wǎng)構(gòu)成遙測網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)基站的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面很廣，在全國范圍內(nèi)都有網(wǎng)絡(luò)，傳輸數(shù)據(jù)快，運(yùn)行費(fèi)用相對低，將其作為工業(yè)通訊設(shè)備，有很強(qiáng)的適應(yīng)性，所以本系統(tǒng)設(shè)計采用基于短消息的GSM網(wǎng)絡(luò)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)在不斷完善，不斷發(fā)展，其技術(shù)進(jìn)步一刻也沒有停止過。當(dāng)今，隨著人們對無線遙測系統(tǒng)需求的提高以及計算機(jī)技術(shù)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(diào)度自動化系統(tǒng)、調(diào)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(shù)研究與應(yīng)用

利用這些新技術(shù)模擬系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀態(tài)，并開發(fā)出調(diào)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(yùn)行方式或處理故障的方法，以達(dá)到合理、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度，提高運(yùn)輸效率的目的。

無線遙測系統(tǒng)面向?qū)ο蠹夹g(shù)、Internet技術(shù)的應(yīng)用

面向?qū)ο蠹夹g(shù)(OOT)是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫設(shè)計和市場模型設(shè)計的合適工具，將面向?qū)ο蠹夹g(shù)(OOT)運(yùn)用于無線遙測系統(tǒng)是發(fā)展趨勢。

隨著Internet技術(shù)的發(fā)展，瀏覽器界面已經(jīng)成為計算機(jī)桌面的基本平臺，將瀏覽器技術(shù)運(yùn)用于SCADA系統(tǒng)，將瀏覽器界面作為系統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的人機(jī)界面，對擴(kuò)大實時系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，減少維護(hù)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(shè)的Web服務(wù)器供非實時用戶瀏覽，以后將逐漸統(tǒng)一為一種人機(jī)界面。

JAVA語言綜合了面向?qū)ο蠹夹g(shù)和Internet技術(shù)，將編譯和解釋有機(jī)結(jié)合，嚴(yán)格實現(xiàn)了面向?qū)ο蟮乃拇筇匦?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(shù)將導(dǎo)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(yīng)用到工農(nóng)業(yè)的各個領(lǐng)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(shè)備組成的系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)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(biāo)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(dǎo)航、石油/液化氣管道測量、地震監(jiān)測、醫(yī)院監(jiān)護(hù)、工廠遠(yuǎn)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(shè)計開始，就得從方案、采用的技術(shù)、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(cè)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(luò)的安全性無疑也是當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)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(hù)和補(bǔ)充。

無線通信新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，推動了遙測技術(shù)的發(fā)展。在國際遙測會議 (ITC)中，關(guān)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(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)遙測鏈路，采用編碼 OFDM(COFDM)技術(shù)，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(diào)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(jìn)行非視距通信。2005 年，國際遙測會議專門設(shè)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(jìn)實驗室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)Darden認(rèn)為在遙測鏈路中，OFDM 是一種先進(jìn)的技術(shù)。Tian 等人將 OFDM 技術(shù)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(qiáng)遙測綜合網(wǎng))性能，并對系統(tǒng)進(jìn)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(shù)的關(guān)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(jìn)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(guān)注 MIMO。在 2006 年遙測會議上，組委會專門設(shè)計一個議題，交流 MIMO 技術(shù)，在 2007 年、2009 年都專門設(shè)置分會場討論 MIMO 技術(shù)。在 2006 年，美國密蘇里州科技大學(xué)遙測學(xué)術(shù)中心 Chris Potter 等人就開始研究 MIMO 技術(shù)，在隨后的幾年中，他與自己導(dǎo)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(yīng)用于航空遙測中，開發(fā)了 1 套 2×2 的MIMO 系統(tǒng)，機(jī)上 2 個天線，地面 2 個天線。對于 MIMO，就技術(shù)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(shù)在遙測領(lǐng)域的研究和應(yīng)用主要集中在航空遙測。在航空信道下，當(dāng)飛行器距離較遠(yuǎn)時，受到地球曲率半徑的影響，導(dǎo)致天線仰角很低，此時，地面與山體等反射都進(jìn)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(bǔ)給的，可采用功率較大的發(fā)射功率。所以在航空遙測領(lǐng)域，OFDM 技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。在衛(wèi)星、飛船等遙測中，OFDM、MIMO 的研究和應(yīng)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(shù)。但是不論是航空遙測，還是衛(wèi)星遙測，使用 MIMO 技術(shù)都可以提高信道容量，節(jié)約功率，提高傳輸?shù)目煽啃裕?MIMO 在遙測領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大潛力。對于 SC-FDE技術(shù)，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(dǎo)彈遙測等存在嚴(yán)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(yuǎn)距離試驗地雷，遙測技術(shù)即應(yīng)運(yùn)而生。隨著工業(yè)的發(fā)展，遙測技術(shù)逐漸發(fā)展起來。真空三極管的發(fā)明，從而出現(xiàn)了調(diào)頻式遙測設(shè)備。應(yīng)用于測候氣球上使用無線電通道進(jìn)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(shè)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(jī)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(dǎo)彈、宇宙飛船、人造衛(wèi)星等先進(jìn)宇航技術(shù)的發(fā)展，更進(jìn)一步促進(jìn)了遙測技術(shù)的的飛快發(fā)展，當(dāng)前遙測技術(shù)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(biāo)志著我國無線電遙測技術(shù)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(shè)備工作良好，通信、廣播和電視傳輸?shù)仍囼炦M(jìn)行正常。這是我國航天技術(shù)的新飛躍的標(biāo)志，也說明了我國的遙測遙控技術(shù)達(dá)到一個嶄新的階段。

無線電遙測技術(shù)已是一門比較成熟的技術(shù)。但就兵器無線電遙測技術(shù)來說，還是一門正在發(fā)展中的技術(shù)。隨著兵器技術(shù)的發(fā)展，特別是末制導(dǎo)技術(shù)用于炮彈、戰(zhàn)術(shù)火箭和航彈．以及新型戰(zhàn)車的發(fā)展，遙測技術(shù)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(guān)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(shù)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(biāo)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。