远程无线监测网的设计与应用

一、前言

　　随着通信和网络技术的迅猛发展，现有的监测网因其传输速率小、不能连续监测、使用成本昂贵等特点已不能满足人们的需求。这就迫切需要对现有监测网进行技术革新，开发出新型的具有小型化、大数据量的采集分析和传输、连续性监测、移动性好等特点的远程监测网，以满足人们的需求。为此，国外许多公司投入巨大的财力和人力，致力于此类产品的研制开发，使该项技术成为当今IT领域的一大热点。

二、总体设计

　　远程无线监测网是运用先进的信息处理技术和网络通信技术，对现场信息进行远程采集处理的监控系统。包括视、音频的网络传输;监控设备的远程控制;报警事件的实时处理等。监测网的设计分为三个部分，即监测站的设计、无线通信网(包括天线系统)的设计和监控中心的设计。监测站是分布于监测范围内的各信息采集点，它负责实时响应监控中心发出的控制命令，完成现场信息的采集及处理。无线通信网主要用于实现监测点与监控中心相关数据的双向通信。监控中心负责发送各种操作命令控制各监测站，并收集、处理和分析监测站传来的监测信息。其中无线通信网的设计影响整个监测网通信距离、传输速率、实时性、可靠性等技术指标，是整个监测网设计的重点。

三、无线通信网的设计

　　我们在设计中首先要根据监测网的环境、目的、通信指标、建设和使用成本等因素选择合适的通信网。目前可采用的通信技术有公共移动通信、卫星通信、短波通信和无线局域网。

　　利用公共移动通信(GSM，GPRS， CDPD，CDMA)组建的监测网方框图如图1所示。它覆盖面广，可利用现有网络但传输速率低、使用费用昂贵、安全性差，不适合连续监测的系统。

　　利用卫星通信组建的监测网方框图如图2所示。它覆盖面广，但传输速率低、安全性差、信道租费昂贵，不适合连续监测的系统。

　　利用短波通信组建的监测网方框图如图3所示。它通信距离较远、移动性强、成本低但通信质量不稳定、通信速率小、与计算机网络连接较为困难，不适合大数据量传输的系统。

　　以上各种无线技术虽通信距离远，但传输速率小不能满足人们对监测网大数据量、连续监测的要求，这就迫切需要采用新的无线技术。无线局域网技术的出现解决了这一问题。

　　无线局域网技术有多种标准，目前较为流行的是IEEE802.11系列标准。

　　(1) IEEE802.11b标准

　　IEEE802.11b工作在2.4GHz频段，最高传输速率达11Mbit/s，并可根据无线信道状况的变化在11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s、1Mbit/s之间进行动态速率调整。目前，IEEE802.11b由于价格低廉、技术完善，很好的满足了用户对无线网络高性能、较低价格的要求，已成为WLAN市场上的主流标准。

　　(2) IEEE802.11a标准

　　IEEE802.11a工作在5GHz频段，物理层最高速率达54Mbit/s，传输层最高达32Mbit/s。它传输速率较高，工作频段的干扰和信号争用情况较少，但成本高于802.11b/g，且与它们不兼容。

　　(3) IEEE802.11g标准

　　IEEE802.11g工作在2.4GHz频段，最高传输速率达54Mbps，并与802.11b兼容。它传输速率较高，工作频段的干扰和信号争用情况较少，但开发时间较短，技术不太完善、价格高于802.11b，是目前较有前景的无线局域网新标准。

　　利用802.11系列无线网桥组建的监测网方框图如图4所示，它传输速率大、建设成本低、安全性好、组建灵活、与有线网联网方便，适合大数据量、连续监测的监测网。

　　综上考虑，采用802.11系列无线网桥可弥补其他无线传输方式的不足，很好的满足了用户对监测网大数据量和连续监测的要求。由于一般的无线网桥通信距离较近(仅为几百米)，因此如果要实现远距离的无线监测网，必须通过提高发射功率、天线增益和接收灵敏度来增加传输距离。我们在实验中，移动通信双方均采用无线网桥和全向天线，通信距离可达10公里以上。

四、天线系统的设计与安装

1. 天线系统总体设计

　　在远程无线监测网设计中，天线系统的设计非常重要。与近距离传输相比，远程传输易受噪声、天气、电台、多径效应等干扰，如设计不当，会造成通信效果和距离的降低，甚至通信中断。远程无线网的天线传输系统如图5所示。

　　图中的避雷器、馈线都要根据使用频段，选用低损耗产品，这样才能使天线发射功率不致损耗过多。此外，避雷器要选择防锈性能好的产品并保证它能够很好的接地，否则将会影响无线网桥及计算机甚至操作人员的安全。

2. 天线增益与距离

　　电磁波在空间中传播会产生一定的损耗，就是自由空间的路径损耗，其公式为:

　　LS(dBi)=32.45+20lg(fMHz)+20lg(dKm) (1)f为工作频率 d为传输距离

　　为实现远距离传输，首先应计算整个传输链路的接收功率Pr(dBm) 其公式为:

　　Pr=Pt+(Gt+Gr)-(Lft+Lfr)-20lg(dKm)-20lg(fMHz)-32.45 (2)

　　其中，Pt为发射功率(dBm)，Gt、Gr分别为发送和接收天线的增益(dBi)，Lft、Lfr分别为发送和接收天线馈线的损耗(dB)。

　　整个无线链路的功率余量△为△=Pr-Ps (3)

　　其中，Pr为整个通信链路的接收功率，Ps为接收灵敏度。工程上为适应传输环境的变化，保证正常通信，一般要求功率余量△在15～20dB左右。

　　由(2)式可得，要实现远距离传输，除了提高发射功率和接收灵敏度外，最主要的方法就是提高天线的增益。同样的发射功率，采用不同增益的天线，其最远传输距离可相差几百倍甚至几千倍。例如工作在2.4GHz频率，发射功率1W，接收灵敏度-93dB，两端天线馈线损耗6dB，采用12dBi天线，传输距离达11Km，采用9dBi 天线，传输距离5.5Km，仅为12dBi天线传输距离的二分之一。综上可得通信双方天线增益每增加3dBi，传输距离可增加一倍。

　　在天线位置完全固定的场合，我们应选用定向天线。常用的定向栅格型抛物面天线增益达24dBi，收发两端总增益达48dBi，采用它和中功率无线网桥可使传输距离达到20～30公里。这是因为48dBi的增益相当于在采用0增益天线的情况下把发射功率提高了几万倍。

　　当通信双方都处于移动状态，就无法使用高增益的定向天线，只能使用全向天线。一般采用6～12dBi的杆状全向天线。它并不是真正的“全向”，只是在水平方向为360°，而垂直方向的夹角依然很小，其波瓣的形状类似于一个压扁了的轮胎。从产品资料及实践经验可得，当驻波比一定时，增益越高的全向天线，其垂直方向上的主瓣宽度越小。如工作频率为2.4GHz的全向天线，在驻波比<1.5的条件下，增益为9dBi时，垂直波瓣宽度为13°左右，当增益达12dBi时，其垂直波瓣宽度仅7°左右(具体产品略有不同)。因此在设计天线时，如果倾斜不严重，可采用12dBi杆状天线，当出现较大倾斜时，应选用9dBi，甚至更低增益的天线，这样才能保证正常通信。要注意的是，倾斜的方向不同，对通信距离的影响也不一样，当天线左右倾斜时，对通信距离几乎没有影响，而当天线前后方向倾斜时，则会明显缩短其通信距离甚至通信中断。

3. 菲涅尔半径

　　由于我们使用的无线网桥一般工作在2.4～5.8GHz频段，电磁波具有类似光波的特性。近距离传输时，由于功率余量大，即使中间有阻挡也能通过反射波或天线旁瓣进行通信。但远距离时，一定要求收发天线之间实现“视线无阻挡”(clear line of sight)，其含义是，在收发天线之间连一条线，以这条线为轴心，以R为半径的一个类似于管道的区域内，没有障碍物的阻挡。如图5所示，这个管道称为菲涅尔区(Fresnel Zone)，菲涅尔区是一个椭球体，收发天线位于椭球的两个焦点上，图5中R为第一菲涅尔半径，计算公式如下:

　　R=0.5(λD)0.5(4) λ为波长，D为两天线的距离λ=3*108/f m

　　从(4)式可得当频率固定时，菲涅尔半径随着传输距离的增加而增大。

　　例: 当D=10Km，f=2.4GHz时

　　λ=0.125m　　R=17.678m

　　f＝5GHz时 λ=0.06m　R=12.247m

　　从上式比较中可得当距离固定时，频率越高，其菲涅尔半径越小。这表明在低频段通信中影响通信的某些障碍物，在高频段可能不再影响通信。

　　为保证系统正常通信，收发天线架设的高度要满足使它们之间的障碍物尽可能不超过其菲涅尔区的20％，否则电磁波多径传播就会产生不良影响，导致通信质量下降，甚至中断通信。例如在海上通信，通信双方高度相同，频率为2.4GHz，通信距离7Km，海浪的高度为2米，那么天线架设的高度要大于 L=2+14.790=16.790m。

4. 分集接收

　　分集接收技术是指在多重接收的基础上，利用接收到的多个信号的适当组合或选择，来减小信号电平在门限电平以下的时间百分比，从而达到提高通信质量和接通率的技术。近年来设计的802.11a/b/g芯片集的射频部分大多都能支持天线分集。

　　对于远距离移动通信，一般采用空间分集。空间分集是采用两副或两副以上的接收天线来接收相同的传输信息。当两副天线的距离逐渐增大到与接收信号的衰落成为不相关事件时，就能起到空间分集的效果。在相同天线间隔的条件下，通信距离增加，相关系数减小，这说明空间分集较适应于远距离移动通信。

五、监测站的设计

　　监测站处于工作现场，完成数据的采集、处理和控制，同时考虑到节能和布放方便，多为嵌入式系统。它一般有两种设计方式，采用DSP＋CPLD的嵌入式系统设计和采用嵌入式主板的嵌入式系统设计。

1. 基于DSP＋CPLD的嵌入式系统设计

　　基于DSP＋CPLD的嵌入式系统框图如图6所示，DSP进行数据的处理和分析，CPLD完成对A/D采集电路的控制，对DSP时序的控制及对无线模块接口的控制等功能。

　　DSP软件的实现有两种:C语言或汇编语言直接编写和在操作系统上开发应用软件，CPLD的实现用Verilog和VHDL等可编程逻辑器件语言。

2. 基于嵌入式主板的嵌入式系统设计

　　考虑系统的性能及快速实现等因素，监测站较好的设计方案是采用嵌入式主板和专门的采集处理模块。其框图如图7所示，嵌入式主板作为系统的主体，进行整个系统的控制和通信。采集处理模块作为系统的前端部分，完成现场信息的采集和分析处理。两部分之间通过总线接口进行信息交互。此设计使监测站分为两个部分，互不干扰，可以针对某一部分进行相应改进，适合数据处理量大、实时性要求高的系统。

　　对于嵌入式主板，其软件实现相对于DSP较为简单，一般是在实时操作系统上开发应用级软件。采集处理模块一般采用单片机，其程序可直接用C语言或汇编语言编写。

六、远程无线监测网的海上应用

　　我们研制的远程无线水声监测网实现了对远距离水上信号、GPS定位信号等原始信息的实时采集及宽带传输，在基站实时显示波形、频谱和移动通信距离等信息。此系统已成功通过海上实验。

　　整个系统通信双方均采用802.11b协议的特殊中功率无线网桥和全向天线;监控中心采用双天线分集接收;传输速率11Mbps;通信距离最远达到10公里;实现了原始信号宽带高速率的远程无线移动传输。系统具有很好的抗干扰性和保密性，采用电池供电节能管理，可遥控系统休眠和无线唤醒。监控中心实时显示包括波形、频谱、通信双方的GPS数据及运动轨迹、电池电压、远端硬盘剩余容量等数据信息。监测站采用嵌入式主板和自行设计的数据采集卡，进行12位A/D数据采样和分析处理，其采样率和放大倍数等参数可自行调节设置或通过监控中心进行遥控设置。

七、总结

　　新型的远程无线监测网采用802.11系列无线网桥和嵌入式主板，对远距离监测站实现大数据量的采集分析和实时连续监测。它满足了人们对一般监测网的需求，具有小型化、传输数据量大、连续监测、移动性好等特点，有着巨大的应用前景。