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无线通信监控系统研究

摘要:应用无线通信网络进行远程数据传输,实现现场无线监控系统,用于改变传统游乐设施监控系统有线布置方式,有利于节约资源和时间以及日后的维护保养,保障游乐设施的安全运行。

关键词:无线通信;GMSK

大型游乐设施逐渐朝着“更快、更高、更刺激”的方向发展。而随之带来的危险性也在逐渐增加。目前大型游乐设施上都布满了各种传感器,用于游乐设施的实时检测监控。在游乐设施信号测量系统中,以往的数据传输方式常常采用有线传输方式,以保证数据的准确性、可靠性、稳定性。然而在一些特殊的场合,高温、野外及条件比较恶劣的环境中,待测系统中的某些参数(如温度、压力、电压、电流等)需要实时传输出来给控制中心,传统有线方式的应用受到限制。在对大型游乐设施运行过程进行分析的基础上,提出基于无线数据传输单元的游乐设施远程安全监控预警系统,结合PLC与GSM网络等手段,系统多个监控单元分工合作,实现对游乐设施的安全监控与安全预警功能。该系统能够有效预报设备故障,减少事故发生率,提高设备的安全运行水平。

1系统组成

无线通信系统由发送单元与接收单元两部分组成,如图1所示。在发射单元,传感器采集到得模拟量数据(电压、电流、温度、压力等)传递给A/D转换器,数据处理模块将A/D转换器转换后的数字信号编码得到字节序列,再经过发射模块形成调制信号并送入信道,然后通过无线模块发送出去。在接收端,首先接收模块对接受到的调制信号进行解调,在数据处理模块恢复出字节序列,在电平转换模块中进行数据分析储存,并转化为系统参量在显示模块中实时显示出来。当系统参量超过正常范围时,中心通讯管理软件发出报警信号,现场工作人员通知操作员进行检修或停止工作。传感器测得的模拟信号经过A/D转换器转换为8位数字信号,在数据处理模块中,经FIR数字滤波器滤掉其中高频分量,然后将8位数字量作为直接数字频率合成器DDS相位累加器的输入信号,用DDS来产生高分辨率、载频可编程、频偏可调的频率时变信号,传输给发送模块通过差分编码,单边带调制器进行GMSK正交调制,实现调频基带信号向高频的搬移,搬移后携带信息高频向空间辐射,进行无线通信。数据处理模块如图2所示。采用ALTERACycloneIIEP2C5T144C8芯片,CycloneII系列FPGA支持Altera公司的NiOSII嵌入式软核处理器。该芯片具有40万系统门,8064个逻辑单元内嵌18K位块RAM,包含4个时钟管理模块和8个全局时钟网络,配置芯片(EPCS1),有源晶振及下载调试接口。整个芯片划分为FIR滤波器模块、DDS(直接数字频率合成器)模块、时钟逻辑模块、采样控制模块、储存控制模块等电路。时钟模块单元提供时序工作节拍,设计中采用100MHz的频率输出,以保证测控中同步脉冲的实时性。存储单元完成数据的暂存与管理,采用“乒乓原理”实现大批量数据的写入、读出及管理功能。数据处理模块中的FPGA芯片是发射单元的核心,用FPGA实现软件无线电发射机,不仅降低了产品成本,减少了设备体积,满足了系统的需求,而且比专用芯片具有更大的灵活性和可控性。由于FPGA芯片不能处理模拟量信号,来自传感器的模拟量经A/D转换芯片转换成相应的数字量才能输入到FPGA中进行处理。该系统采用AD公司的AD9283芯片,AD9283是8位的A/D转换器,输入为-0.5~0.5V的模拟信号,内部采用流水线结构,工作电压为3.3V,A/D转换器的时钟由系统时钟分频电路提供。经过编辑的数字量信号送入发射模块进行GMSK(高斯滤波最小相移键控)编码,GMSK具有良好的频谱特性以及误码性能,目前已广泛应用于GSM在内的众多无线通信系统中。发送模块与接收模块原理如图3所示。发送模块主要由并串转换、差分编码和GMSK调制三个子模块组合而成,首先将输入的字节序列经过并串转换变为比特序列,再经过差分编码以及GMSK调制,形成GMSK调制信号。接受模块主要由GMSK解调、差分解码和串并转换以及帧同步三个子模块组成,分别实现发送端GMSM调制和并串转换的逆过程。

2无线系统的软件设计

系统软件设计包括发射机通讯软件和接收机FPGA的实时控制软件。硬件描述采用VHDL语言,其主要特点在于,能形式化抽象表示电路的行为和结构,支持逻辑设计中层次与范围的描述,可借用高级语言的精巧结构来简化电路行为的描述,具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确性,支持电路描述由高层到底层的综合转换,硬件描述与实现工艺无关,便于文档管理,易于理解和设计重用。上位机通讯管理软件设计主要实现对数据的处理及管理。下位机软件是一个实时控制程序,每秒采集新的数据,并将其发送出去。控制程序流程如图4所示。无线数据传输系统可以连接不同的传感器,远距离接受测试信号。以江苏省特种设备安全监督检验研究院真空造浪系统为例,由于油温、油压力、电压、电流直接影响液压系统的工作,开环系统对油温变化非常敏感,为提高系统性能,设置传感器监控系统,采集到的信号通过无线传输给计算机,通过显示界面将系统测量到的参数显示出来,如图5所示。

3结语

本文完成了基于无线通信的远程游乐设施监控系统设计,以无线的方式将传感器采集的数据实时显示在监控系统中,便于对运行的游乐设施的技术状态进行分析,以判断其运行是否正常,并可对异常情况进行追踪,确切掌握设备的实际特性,有助于判断需要修复或更换的零部件和电子元器件,充分利用设备和零件的潜力,节约维修费用,减少停机损失。

作者:司晓霞 韩喆 单位:1.江苏省特种设备安全监督检验研究院 2.中国船舶科学研究中心

参考文献

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