無線通信技術(shù)在遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)中的應(yīng)用

朱蓬勃

（中興通訊股份有限公司，陜西 西安 710114）

1 無線通信在遠(yuǎn)程系統(tǒng)中的發(fā)展和現(xiàn)狀

通信技術(shù)對測量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和有效性具有重要影響。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇樵絹碓蕉?，這些新技術(shù)在很大程度上推動了無線測量的發(fā)展。無線通信技術(shù)廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程測量中，主要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚、設(shè)備、安防等場景的遠(yuǎn)距離監(jiān)測和采集，從而及時(shí)了解農(nóng)作物的生長狀況。早期遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)的美國，采用的是控制網(wǎng)絡(luò)和有限傳感器結(jié)合的方式。目前，遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)，通過家庭網(wǎng)絡(luò)形成智能家居系統(tǒng)，發(fā)揮安防和便利生活的作用，同時(shí)廣泛應(yīng)用于樓宇對講等領(lǐng)域。應(yīng)用遠(yuǎn)程測量監(jiān)測設(shè)備，可以避免損失，防范損壞。遠(yuǎn)程監(jiān)測利用因特網(wǎng)和攝像頭等實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備、采集數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。設(shè)備的遠(yuǎn)程測量和監(jiān)測建立在工業(yè)發(fā)展的背景下，由于部分設(shè)備所運(yùn)轉(zhuǎn)的環(huán)境惡劣，人員難以進(jìn)入，無法通過人工的方式實(shí)時(shí)掌握設(shè)備狀況，因此形成了可以應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的測量系統(tǒng)[1]。遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)降低了工業(yè)成本，提高了設(shè)備的可靠性和效率。以無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程測量，相比于傳統(tǒng)的有線測量系統(tǒng)，具有安裝靈活、安裝成本低的特點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)用過程中，無線測量系統(tǒng)能根據(jù)具體情況進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展。擴(kuò)展能力讓無線測量系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種應(yīng)用場景，如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的實(shí)際數(shù)據(jù)測量和現(xiàn)場情況監(jiān)測，對提高社會生產(chǎn)效率具有積極意義。同時(shí)，無線測量系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用會從另一方面促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，從而使無線測量系統(tǒng)逐漸成為人們生活中不可或缺的部分。

2 測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)的比較

遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)可以將工作現(xiàn)場的圖文聲像等數(shù)據(jù)急性采集，通過網(wǎng)絡(luò)途徑傳輸給專業(yè)人員，經(jīng)專業(yè)人員匯總研究數(shù)據(jù)之后，遠(yuǎn)程傳達(dá)到工作現(xiàn)場的系統(tǒng)。遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)包括兩大部分，即采集端和遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)。采集端包括傳感器和無線模塊，運(yùn)行過程中，采集端可以將采集到的實(shí)際信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，利用無線方式與計(jì)算機(jī)相連，將傳感數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)將接收到的信息發(fā)送到分析端，形成無線遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)。本地測量系統(tǒng)中，需要借助無線模塊傳輸傳感器采集到的數(shù)據(jù)，無線模塊還具有接收指令完成反饋的功能。遠(yuǎn)程測量端涵蓋的內(nèi)容有現(xiàn)場工程師和GPRS模塊等。遠(yuǎn)程測量端的主要功能是評估數(shù)據(jù)，處理和診斷現(xiàn)場情況，形成數(shù)據(jù)結(jié)果，并將結(jié)果以GPRS模塊發(fā)送到遠(yuǎn)端，利用遠(yuǎn)端資源結(jié)合現(xiàn)場情況提出解決方案。

測量系統(tǒng)構(gòu)建過程中，傳感器所需要的短距離無線傳輸可以借助藍(lán)牙技術(shù)、WiFi技術(shù)、ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)，這些技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。WiFi技術(shù)能夠替代有線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)辦公室、建筑物內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，且傳輸速度快，傳輸效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸，但WiFi技術(shù)的缺點(diǎn)功耗較高。藍(lán)牙技術(shù)的傳輸距離更短，所能覆蓋的區(qū)域有限，僅能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)等小范圍覆蓋，比WiFi技術(shù)功耗低；藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)勢在于組網(wǎng)方便，資源成本消耗低。ZigBee技術(shù)的傳輸距離短，傳輸數(shù)據(jù)量小，覆蓋范圍相對較大，能夠覆蓋居住區(qū)域；ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于功耗低，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠，具有良好的擴(kuò)展性。數(shù)據(jù)短距離傳輸過程中，需要針對實(shí)際情況選擇具體技術(shù)，例如WiFi技術(shù)易受到實(shí)際環(huán)境，包括地形、墻壁等因素的影響，不適合運(yùn)用于系統(tǒng)前端；藍(lán)牙技術(shù)雖然具有穩(wěn)定、快速、方便等優(yōu)點(diǎn)，且可以替代有線網(wǎng)絡(luò)，但其擴(kuò)展性差，難以形成傳感器的大規(guī)模組網(wǎng)；ZigBee技術(shù)是眾多短距離傳輸技術(shù)中較為均衡的一項(xiàng)，在網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展能力和穩(wěn)定性上具有優(yōu)點(diǎn)，且具有比較廣的覆蓋面積，能夠使測量系統(tǒng)形成大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]。

數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸需要通過GPRS網(wǎng)絡(luò)或因特網(wǎng)傳輸，這兩種遠(yuǎn)距離通信技術(shù)是數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)年P(guān)鍵。在其優(yōu)劣勢方面，因特網(wǎng)的應(yīng)用范圍廣泛，能夠覆蓋部分偏遠(yuǎn)地區(qū)外的大部分地區(qū)，具有兼容性高、帶寬大、傳輸正確率高的特點(diǎn)。因特網(wǎng)常見帶寬最大可達(dá)到100 Mb/s，且具有高帶寬的傳輸能力，GPR傳輸方式無法比擬。由于GPRS網(wǎng)絡(luò)的帶寬為115～170 kb/s，因此能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小且傳輸過程中誤碼率較高；但是，其優(yōu)勢在于靈活、方便，可以使數(shù)據(jù)傳輸通過GPRS模塊和手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)。GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋率很高，能夠兼容到因特網(wǎng)中，這些特點(diǎn)使GPRS可以在對數(shù)據(jù)誤碼率要求不高的遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)中應(yīng)用。無線測量系統(tǒng)在以GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)倪^程中，因?yàn)镚PRS網(wǎng)絡(luò)普遍適用于手機(jī)，數(shù)據(jù)的接收終端常為GPRS模塊或手機(jī)，所以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換為適用于手機(jī)的數(shù)據(jù)；因此，傳輸過程中可以選用MMS作為數(shù)據(jù)載體，從而讓數(shù)據(jù)從測量系統(tǒng)傳輸?shù)绞謾C(jī)終端。無線測量系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，充分發(fā)揮了個(gè)各技術(shù)的特點(diǎn)，有效提高了無線測量系統(tǒng)的工作效率，發(fā)揮系統(tǒng)的各項(xiàng)應(yīng)用功能。

3 遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 基于GPRS的遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)優(yōu)勢及構(gòu)建

實(shí)際應(yīng)用過程中，相較于其他技術(shù)，基于GPRS的遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)擁有能夠遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)的能力。GPRS傳輸在GMS網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)建，覆蓋面積較大，并且具有不依賴于因特網(wǎng)的特點(diǎn)，能夠進(jìn)入因特網(wǎng)無法進(jìn)入的環(huán)境。實(shí)際應(yīng)用過程中，針對GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控的特點(diǎn)，其常應(yīng)用于惡劣環(huán)境，比如采礦和工程車輛中。作業(yè)過程中，GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控可以將現(xiàn)場情況和數(shù)據(jù)利用遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)秸{(diào)度和控制中心，交由后方專業(yè)人員評估、診斷數(shù)據(jù)，達(dá)到監(jiān)測的目的。

GPRS遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)的構(gòu)建方式是系統(tǒng)通過現(xiàn)場的傳感器獲得現(xiàn)場溫度、濕度等數(shù)據(jù)，采用與GSM模塊通信的方式編碼、傳輸數(shù)據(jù)，或者在數(shù)據(jù)采集完成后利用MMS進(jìn)行傳輸。遠(yuǎn)距離傳輸實(shí)際應(yīng)用中，具體的傳輸方式有三種。第一，GPRS與因特網(wǎng)結(jié)合的方式，即通過與因特網(wǎng)通信的方式，傳輸獲取到的數(shù)據(jù)和信息；第二，數(shù)據(jù)采集完成后，采用GPRS模塊登錄GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)；第三，采用MMS方式完成數(shù)據(jù)交互。第一種采用GPRS與因特網(wǎng)結(jié)合的方式可以傳輸較大數(shù)據(jù)量，網(wǎng)絡(luò)利用率更高；在IP一直存在的情況下，GPRS網(wǎng)絡(luò)可以直接傳輸數(shù)據(jù)和通信。如果采用MMS的傳輸方式，需要建立撥號連接，通過WAP網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)。

3.2 基于ZigBee的遠(yuǎn)程無線測量系統(tǒng)

由于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)具有功耗低、擴(kuò)展性好的特點(diǎn)，因此在短距離數(shù)據(jù)傳輸方面具有很大優(yōu)勢。ZigBee可以基于其優(yōu)點(diǎn)構(gòu)建大型傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee采用與傳感器通信的方式，將現(xiàn)場實(shí)際狀況通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到協(xié)調(diào)器，并將數(shù)據(jù)傳送至后方實(shí)現(xiàn)具體的測量工作。構(gòu)建ZigBee無線遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)，需要利用ZigBee模塊構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，還需要ZigBee與傳感器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信兩部分完成具體搭建。無線傳感器是遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)中最基本的節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建無線傳感器測量節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要保證其處于正常工作狀態(tài)。構(gòu)建過程中，需要選用適合具體工作環(huán)境和符合測量目的的傳感器，確保ZigBee模塊與傳感器之間正確連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。

無線測量傳輸過程中，由于測量目的不同，可能會引起傳輸數(shù)據(jù)量大的情況，而數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸量過大會影響網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致系統(tǒng)功耗增加或網(wǎng)絡(luò)阻塞。這一過程中，需要通過建立相應(yīng)的機(jī)制進(jìn)行防范，例如將高頻信號數(shù)據(jù)分割成多個(gè)數(shù)據(jù)包，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包，由協(xié)調(diào)器收集數(shù)據(jù)。這個(gè)過程中，可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟包的情況，則需要對相關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送重傳請求，重新發(fā)送數(shù)據(jù)包[3]。此外，可以采取簡化數(shù)據(jù)的方法，通過簡化處理數(shù)據(jù)，利用最基本和最重要的數(shù)據(jù)推測現(xiàn)場狀況。數(shù)據(jù)重傳和數(shù)據(jù)簡化各有其優(yōu)缺點(diǎn)，數(shù)據(jù)重傳需要多次傳輸數(shù)據(jù)，可能會對無線網(wǎng)絡(luò)造成負(fù)擔(dān)，而數(shù)據(jù)簡化處理難以保存原始數(shù)據(jù)。針對數(shù)據(jù)傳輸過程中可能面臨的情況，對以ZigBee為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程無線測量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)切分和簡化，可以提高遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)的整體運(yùn)營效率。

4 結(jié) 論

無線測量系統(tǒng)在采礦、工業(yè)環(huán)境等場景下，無法進(jìn)行有線網(wǎng)絡(luò)介入的環(huán)境中。無線測量系統(tǒng)在實(shí)際構(gòu)建過程中，需要綜合考慮實(shí)際情況，通過合理選用藍(lán)牙技術(shù)、WiFi技術(shù)、ZigBee技術(shù)和GPRS等，掌握現(xiàn)場實(shí)際情況，對規(guī)避可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)和解決實(shí)際問題具有重要意義。