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1、基于无线通信的测试技术 无线通信的必要性 v 塔吊群防碰撞智能测控系统 有线通信的局限性： 线路庞杂、不方便安 装和维护、限制测控 系统的应用范围。 无线通信的优点： 系统简洁、便于安装 与维护、拓宽系统的 适用范围，生产活动 更加高效、安全。 v 抽油机冲次最优节能测控系统 无线通信的必要性 通过无线通信技术的应用： 1. 实现上位机和下位机数据 的无线传输； 2. 实现抽油机的节能运行和 控制系统的自动化； 3. 实现多口油井的统一化实 时远程监控与管理。 无线通信基本原理 单工通信系统 半双工通信系统 全双工通信系统 两点通信系统 网络通信系统（星型网络） 信号的调制方式 v 所谓调制，
2、是指对一个适宜在信道传播的射频载波，用所 要发送的信号按一定规律去控制载波的某个参数，从而把 要发送的信号寄托在所选定的参数上，然后发送已调制载 波，达到传送消息的目的。 模拟信号调制、数字信号调制； 连续载波调制、脉冲载波调制； 幅度调制、频率调制、相位调制。 二进制数字调制电路原理及波形 信号的解调 v 解调也叫“检波”，是调制的逆过程，其目的是从已调信号 中恢复出原始的基带信号。不同的调制方式对应不同的解 调方式，对应同一种调制可以有多种解调方式。 幅值解调：包络检波器、同步解调等； 频率解调：鉴频器等； 信号的发射与接收 v 发射设备主要包括发送终端、发射机（Transmitter）和
3、发射天 线（Antenna）三部分。发送终端将待发送的消息变换为电信号 后，发射机对该信号进行放大、变换，使其功率足够大、频率 适合信道传输，即成为射频（Radio Frequency）已调波信号， 再由发射天线将射频已调波信号变换为电磁波向外辐射。 v 接收设备主要由接收天线、接收机和接收终端三部分组成。接 收天线将空间传播的电磁波变换为电信号，接收机对该信号进 行滤波、放大、变换，将其还原为与发射端相一致的基带信号 ，由接收终端恢复成消息。 多路复用与多址 v 多路复用技术允许在一个传输信道或介质上传送多个信号 。当有待进行多路复用的信号产生于不同的地点时，则把 这样的系统称为多址。这两种
4、技术可以使多个用户共享有 限无线频谱资源，提高系统容量。 v 多路复用技术泛指多路信号的合并与分离技术，多址接入 技术是利用信号的正交特性，即信号某个参量的正交性来 区分无线电信号的目的地址。 信号可以表示为时间、频率 、码型和空间的函数。 v 以传输信号的载波频率不同建立多址方式，称为频分多址 （Frequency Division Multiple Access，FDMA）； v 以传输信号的时间不同建立多址方式，称为时分多址（ Time Division Multiple Access，TDMA）； v 以传输信号波形的时域编码建立多址方式，称为码分多址 （Code Division M
5、ultiple Access，CDMA）； v 以传输信号在空间的导向波束建立多址方式称为空分多址 （Space Division Multiple Access，SDMA）。 多路复用与多址 无线通信系统 发展阶段系统普通业务注释 第1代 （1G） AMPS、 TACS、 NMT 语音 传统的模拟蜂 窝系统部署方 案 第2代 （2G） GSM、 TDMA、 CDMA 语音业务和短 消息业务 实现了数字调 制方式 过渡代 （2.5G ） CDMA、 GPRS、 EDGE 语音业务和新 引入的分组数 据业务 在现有2G运 营商的网络中 引入分组数据 业务 第3代 （3G） CDMA2000 /
6、WCDMA TD-SCDMA 为高速多媒体 数据和语音设 计的分组数据 业务和语音业 务 由IMT-2000 定义，在现有 2G/2.5G网络 上采用覆盖方 法实现 GSM的参考体系结构 SMS短消息业务 v GSM的增值业务，类似于Internet中的对等实体间的立即消息 业务，用户可以通过GSM网络即时交换长达160个字符的消息 。 v 完全采用GSM的基础结构，使用相同的网络实体，只增加了一 个SMS中心SMSC。 v SMS在目标MS处于激活状态时，几乎立即传送业务，而在MS 关机时，则存储并转发业务。 v SMS有两种类型：小区广播服务和点到点（PTP）服务。 v 近来，SMS消息也
7、可以通过拨号服务中心和Internet发送。 短距离无线通信系统 v 无线局域网（WLAN） 相对于LAN，WLAN具有以下优点：1）用户可移动；2）便 捷，建网速度快；3）组网灵活；4）成本低。 WLAN中比较流行的技术或标准有美国IEEE提出的802.11 标准、欧洲电信标准协会（ETSI）提出的HiperLAN标准、 家用射频工作组提出的HomeRF标准以及红外数据协会提出 的IrDA标准等。 WLAN的应用主要有两类，一类是传统有线LAN的延伸和扩 展，另一类是作为一种新的无线接入手段，共享传统移动通 信系统的业务与市场。 v 蓝牙无线通信 正式的蓝牙无线通信标准颁布于2001年，是一
8、种用于短距离通信 的使用非许可证频段的通用无线技术，目的是通过合理的选择链 路的传输速度、通信距离和传输功率来实现一种低成本、功效高 、使用单芯片的通信收发设备。 蓝牙技术具有功耗低、体积小、抗干扰能力强等一些特有优势， 目前的应用主要是替代电缆、无线联网和无线上网等，已经开发 出来的产品有蓝牙手机、蓝牙无线打印机、蓝牙笔记本电脑等。 蓝牙的创新型应用则更具有想象力和市场前景，如用于集装箱或 行李跟踪的蓝牙标签、儿童监护跟踪设备、移动支付（无线电子 钱包）、电子病历以及自动抄表系统等。 短距离无线通信系统 v 移动自组织网络 简称Ad Hoc网络或MANET。是由一系列无线移动节点动态 组成的
9、临时性网络，其节点是任意分布的，网络中除了用户 节点外，没有任何其他中继或路由节点。所有节点必须协调 一致，除了完成自身的计算和通信外，还要充当传统网络中 的路由器、交换机和服务器等。 无线传感器网络是Ad Hoc网络的一个重要应用和研究方向 ，它是利用廉价的、低功耗的、智能的传感器设备组成一个 覆盖范围广、互相之间能够协调一致工作的分布式网络。它 目前和潜在的应用包括：军事侦测、交通管制、工业自动化 、环境检测、灾害预警及抢险救灾应急通信系统等。 短距离无线通信系统 无线传感器网络 系统结构和节点构成 v 超宽带（UWB）无线通信 UWB无线通信技术是一种用极低的功率（约20mW）、在 极宽
10、的频谱范围内（可高达7.5GHz）以极高的速度（可高 达500Mbit/s）传输信息的无线通信技术。 UWB技术通过在时间上顺序发送一系列非常窄、功率非常 低的脉冲实现信号传输。使用这样的宽频谱、低功耗、脉冲 型的信号意味着比传统窄带技术产生更低的信号干扰，在室 内等环境可以提供与有线通信相比拟的通信质量。 是未来短距离无线通信最理想的技术，可以广泛用于家庭、 工业、医疗、军事等领域。 短距离无线通信系统 塔吊防碰撞系统总体设计 v 塔吊防碰撞系统采用的主要技术是实时动态位置计算和风 险预估机制。 塔吊几何尺寸计算：塔吊坐标，塔高，吊臂长度等。 塔吊实时位置计算：实时测量每台塔吊的实际工作位置
11、，以 及塔吊间、塔吊与障碍物的相对位置。 风险识别分析：掌握塔吊的惯性和制动性能，预测工作中塔 吊发生碰撞的可能性。 塔吊运行动作切断：当有相互碰撞危险时，切断塔吊运行控 制电路，降低塔吊的运行速度或停止塔吊危险动作倾向。 为司机提供塔吊工作信息：通过显示装置为塔吊司机提供塔 吊工作状态的信息，如塔吊幅度、位置、角度等。 v 处理器速度快：数据运算量庞大，处理器速度够快。 v 实时性能好：处于高速运动的塔吊自身状态非常快，需要实时 操作系统调度。 v 多任务管理：塔吊防碰有多个任务，比如数据采集，数据通信 ，防碰计算，数据显示等。操作系统进行多任务管理。 v 可以组网通信：塔吊群之间信息的交换
12、需要无线网络的支持。 v 测控接口丰富：塔吊的数据采集设备多样，执行控制回路多样 ，需要处理器的I/O接口适应现场要求。 v 人机交互友好：塔吊信息输入，给操作员的信息反馈要求有良 好的人机交互支持。 v 体积小，功耗低。 v 可进行远程监控：在地面实时监控塔吊运行信息。 塔吊防碰撞系统设计要求 塔吊防碰撞系统硬件结构 塔吊防碰撞问题分类 塔吊防碰撞算法 v 以最典型的高塔吊小车碰低塔吊吊臂问题为例，简单介 绍防碰算法： 塔吊防碰系统应用程序流程 图 塔吊防碰撞系统组网结构 令牌环的建立、维护 v 通过在逻辑环上的有序站点间传递令牌的方式，来管理站 点共享的无线信道资源。接入逻辑令牌环上的各个
13、站点通 过分时获得令牌，在发送和接收模式下转换，实现数据通 信。 站 点 后 继 18 25 312 56 63 82 121 塔吊防碰撞系统通信任务 v 系统中包含两类通信站点，分别为数个现场测控站点和一 个地面监控站点。其通信内容包括3类数据： 塔吊的静态参数信息（Info），如塔吊坐标、塔臂高度、前 桥长度等； 现场测控站点实时测量的塔吊工作状态信息（Status），如 回转角度、小车位移、吊钩高度等； 现场测控站点的工作状态信息（Output），如继电器的开合 状态、指示灯的明暗状态等。 v 现场测控站点间应传输： 现场存储的本机Info，以进行塔吊群防碰撞模型设置； Status，以
14、实现塔吊群防碰撞功能。 v 地面监控站点应接收由现场测控站点发送的： Status，以实现塔吊运行情况的监测； Output，以实现对塔吊防碰撞装置的运行情况监测。 v 地面监控站点应向现场测控站点发送： 地面存储的各塔吊Info，以实现塔吊静态参数的远程设置； 由地面人员设定的任一塔吊防碰撞装置的Output，通过远 程控制塔吊防碰撞装置，以实现塔吊群工作的人工调度。 塔吊防碰撞系统通信任务 塔吊防碰撞系统 实物图和地面监控界面 塔吊防碰撞系统 防碰系统运行界面 现场实时监测画面 塔吊防碰撞系统 主机 吸盘天线 角度传感器 幅度传感器 高度传感器 连接线 系统最大控制塔吊数：16台。 响应时间：主动响应0.2s，被动响应0.15s 台数 测量精度：角度2，幅度2%，高度5% 抽油机节能测控系统结构 各井场抽油机的结构 抽油机监控管理系统 电台通讯流程 SMS通讯流程 故障短信通信程序 发送短消息 子程序 抽油机和控制器连接实物图
