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水井CDMA監(jiān)控系統(tǒng)通信解決方案
廈門藍(lán)斯通信有限公司

一、需求分析
CDMA是目前解決移動通信信息服務(wù)的一種較完美的業(yè)務(wù),它是以數(shù)據(jù)流量計費(fèi)、覆蓋范圍廣泛、數(shù)據(jù)傳輸速度更快。CDMA的推出,為行業(yè)和企業(yè)用戶開展無線辦公提供了基礎(chǔ)設(shè)施平臺,為推動移動辦公的應(yīng)用和發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。與有線網(wǎng)絡(luò)相比,CDMA網(wǎng)絡(luò)具有租用費(fèi)用低、移動辦公,不受地域制約等優(yōu)點(diǎn)。CDMA的出現(xiàn)為企業(yè)和行業(yè)用戶開展無線辦公提供了一種新的選擇。
在原有水井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中,很多必須無人值守的設(shè)備或采集站,不適合搭建有線通訊網(wǎng)絡(luò)。若采用光纖或電臺的方式實現(xiàn)無線通訊,不僅設(shè)備投入耗資巨大,而且不適應(yīng)移動的需要。
隨著新一代CDMA移動通訊業(yè)務(wù)的產(chǎn)生和全面投入,無線移動數(shù)據(jù)通訊的應(yīng)用也越來越廣泛。高速的數(shù)據(jù)傳輸和永遠(yuǎn)在線特點(diǎn),配合按流量收費(fèi)的資費(fèi)方式,使CDMA通訊在工業(yè)控制、環(huán)境保護(hù)、道路交通、商務(wù)金融、移動辦公、零售服務(wù)等行業(yè)中的應(yīng)用具有無可比擬的性價比優(yōu)勢。采用CDMA無線通訊網(wǎng)絡(luò)的移動IP通訊,既可獨(dú)立作為數(shù)傳通道,也可作為已經(jīng)架設(shè)光纖、數(shù)傳電臺等方式的輔助手段。
三種無線通信方式特點(diǎn)比較
根據(jù)自來水廠監(jiān)控系統(tǒng)分布特點(diǎn),實現(xiàn)站點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)有:無線超短波、GSM短信、CDMA。
無線超短波:可用于點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)的工作環(huán)境,提供標(biāo)準(zhǔn)接口,可直接與計算機(jī)、RTU、PLC 等連接,實現(xiàn)透明傳輸,傳輸速率為1200-19.2K,頻點(diǎn)間隙為25K,采用工業(yè)頻段230MHZ或400MHZ,接收靈敏度較高,技術(shù)成熟.組網(wǎng)時需要根據(jù)實際環(huán)境架設(shè)天線,中心站一般要求20-30米,分站在10米左右,超短波受電臺數(shù)量的限制。采用這種方式時數(shù)據(jù)中心與監(jiān)控點(diǎn)之間需要架設(shè)微波網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)傳輸。
GSM短信:利用GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、手機(jī)終端和監(jiān)控中心之間的通訊接口。采用這種方式,用于數(shù)據(jù)流量較小或只在異常情況下需要告警時,費(fèi)用高,延時大。
CDMA:有實時在線,按量計費(fèi),快捷登錄、高速傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。這種方式傳輸數(shù)據(jù)實時性好,傳輸速率高,不受地形或地域的限制,按數(shù)據(jù)流量計費(fèi),平均費(fèi)率低,適合大規(guī)模應(yīng)用。
保持現(xiàn)有設(shè)備系統(tǒng)中的各終端由工業(yè)PLC執(zhí)行實時控制,循環(huán)檢測各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并向上位機(jī)發(fā)送設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息。以CDMA通訊方式來代替上位機(jī)與PLC間的通訊。
二、CDMA技術(shù)概述
CDMA是碼分多址的英文縮寫(Code Division Multiple Access),它是在數(shù)字技術(shù)的分支擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術(shù)。CDMA技術(shù)的原理是基于擴(kuò)頻技術(shù),即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù)用一個帶寬遠(yuǎn)大于信號帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制,使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴(kuò)展,再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機(jī)碼,與接收的帶寬信號作相關(guān)處理把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴(kuò),以實現(xiàn)信息通信。CDMA多址技術(shù)完全適合現(xiàn)代移動通信網(wǎng)所要求的大容量、高質(zhì)量、綜合業(yè)務(wù)、軟切換等,正受到越來越多的運(yùn)營商和用戶的青睞。
三、CDMA網(wǎng)絡(luò)特性
1)CDMA1X用戶可隨意分布和移動自己的網(wǎng)點(diǎn),無需擔(dān)心線路的維護(hù)或有線在移機(jī)時導(dǎo)致的通訊中斷。建設(shè)新的營業(yè)廳無需進(jìn)行拉線、埋線等工作。較光纖或?qū)>€系統(tǒng)投資較少,設(shè)備安裝方便。
2)CDMA1X資費(fèi)便宜,計費(fèi)合理。CDMA1X資費(fèi)包月比有線電話網(wǎng)絡(luò)資費(fèi)還便宜。銀行聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)沒有大數(shù)據(jù)量的信息傳輸,不必采用資費(fèi)很高的專線(DDN、幀中繼)。CDMA1X還可根據(jù)通信的數(shù)據(jù)量和提供的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行計費(fèi)。在CDMA1X網(wǎng)中,用戶只需與網(wǎng)絡(luò)建立一次連接,就可長時間的保持這種連接,并只在傳輸數(shù)據(jù)時才占用信道并被計費(fèi),保持時不占用信道不計費(fèi)。這樣,營業(yè)廳既不用頻繁建立連接,也不必支付傳輸間隙時的費(fèi)用。
3)CDMA1X能最好地支持頻繁的、少量突發(fā)型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠,永不掉線。
4)CDMA1X網(wǎng)絡(luò)接入速度快,提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接。由于CDMA1X網(wǎng)本身就是一個分組型數(shù)據(jù)網(wǎng), 支持TCP/IP、X.25協(xié)議,因此無需經(jīng)過PSTN等網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)接,直接與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)(IP網(wǎng)或X.25網(wǎng))互通,接入速度僅幾秒鐘,快于電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。采用TCP/IP協(xié)議,較以前的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(集群,雙向傳呼,GSM短信息)而言,網(wǎng)絡(luò)接入更加直接方便。
5)覆蓋較好。比較很多無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(集群,雙向傳呼,CDPD)而言,其網(wǎng)絡(luò)覆蓋是最好的。
四、水井生產(chǎn)監(jiān)控應(yīng)用解決方案
以一般水井生產(chǎn)監(jiān)控為例,監(jiān)控的參數(shù)有:水井液位、電壓、電流及狀態(tài)??梢詫z測參數(shù)在相應(yīng)畫面和報表中顯示出來,并根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行諸如最大值、最小值、平均值、累加值、定時值等的計算處理,并分類進(jìn)行存儲,接受各種形式的查詢功能。根據(jù)預(yù)先設(shè)置的報警限值,在實測值超限時發(fā)出報警信息,以便及時采取措施。
數(shù)據(jù)中心站組建
數(shù)據(jù)中心站通過專線(VPDN)方式直接接入CDMA移動基站,并獲得一個固定的IP地址。采集站數(shù)據(jù)無需路由到Internet網(wǎng)絡(luò),采集站DTU也采用固定IP地址的UIM卡。采用這種方式組成點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)具有實時性好、安全性高的特點(diǎn),但接入費(fèi)用相對較高。
工控機(jī)和網(wǎng)關(guān)組成LAN局域網(wǎng),接入CDMA網(wǎng)絡(luò)以作為PLC的上位機(jī),采用組態(tài)軟件充當(dāng)人機(jī)界面。根據(jù)工藝要求預(yù)置幾套工藝流程,用戶可根據(jù)實際需要加以選擇設(shè)備運(yùn)行狀況、儀表檢測參數(shù)可顯示在顯示器上,顯示方式多樣,有指示燈狀態(tài)顯示、虛擬儀表數(shù)碼顯示、光棒圖模擬顯示、動態(tài)曲線跟蹤、歷史曲線查詢、形象動畫顯示等。人機(jī)界面友好,操作方便,關(guān)鍵控制點(diǎn)密碼保護(hù),系統(tǒng)安全可靠。計算機(jī)參與設(shè)備管理,累計設(shè)備運(yùn)行時間,計算電能消耗。并可根據(jù)事先設(shè)定的監(jiān)控范圍、對流量、液位、PH值等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控,一旦超出設(shè)定范圍,計算機(jī)立即啟動聲光報警,并將這一時刻的有關(guān)數(shù)據(jù)、工況記錄下來,以供分析、決策。計算機(jī)所測數(shù)據(jù)可按一定時間間隔記錄在硬盤上,用戶可根據(jù)需要隨時將有關(guān)數(shù)據(jù)打印出來。
遠(yuǎn)端采集站組建
在采集站處加裝工業(yè)PLC,采集所有子系統(tǒng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行整合處理。PCL串口掛接LZ CDMA DTU,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一收發(fā)。
可編程控制器PLC接受控制中心站程控指令,執(zhí)行實時控制,循環(huán)檢測各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),及時向數(shù)據(jù)中心站發(fā)送設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息。各儀表間采用模擬隔離,以減少相互干涉,提高系統(tǒng)精度。
在設(shè)計中,通過選擇具備高可靠性設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,減少設(shè)備故障率,提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。設(shè)備本身的可靠性是決定整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性的主要因素。特別是采集點(diǎn)的CDMA DTU,更是整個系統(tǒng)業(yè)務(wù)正常運(yùn)行的重要保障。本次選取廈門藍(lán)斯通信公司的LZ系列的CDMA DTU設(shè)備具有高可靠性,通過了國家標(biāo)準(zhǔn)的EMC抗干擾測試,在設(shè)備級充分保障了網(wǎng)絡(luò)可靠性。
CDMA DTU根據(jù)預(yù)先設(shè)定在其內(nèi)部的IP地址和端口(例如:59.57.95.36:1099)來主動訪問數(shù)據(jù)中心站,并建立TCP/IP鏈路。監(jiān)控中心主站本身維護(hù)接入的每個CDMA DTU的IP地址和ID號,當(dāng)主站要向某個PCL提出數(shù)據(jù)請求時,它會根據(jù)IP地址和ID號來找到對應(yīng)的CDMA DTU,將命令下發(fā)到該P(yáng)LC,PLC響應(yīng)后通過CDMA DTU把數(shù)據(jù)發(fā)到數(shù)據(jù)中心站,即完成了一個應(yīng)答式的通訊流程。
控制中心站組建
控制中心站的主要功能是負(fù)責(zé)向遠(yuǎn)端采集站發(fā)送控制信令,讓采集站執(zhí)行實時控制,循環(huán)檢測各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),及時向數(shù)據(jù)中心站發(fā)送設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息。
工作原理:控制中心站和遠(yuǎn)端采集站不直接建立連接,而是掛接LZ CDMA DTU,通過CDMA網(wǎng)絡(luò)將控制信令發(fā)送至數(shù)據(jù)中心站,數(shù)據(jù)中心站接收到信令后再轉(zhuǎn)發(fā)至各個遠(yuǎn)端采集站,實現(xiàn)信令交互。
控制中心站的DTU內(nèi)部設(shè)置的端口應(yīng)和遠(yuǎn)端采集站所訪問的端口區(qū)分開。LZ CDMA DTU根據(jù)預(yù)先設(shè)定在其內(nèi)部的IP地址和端口來主動訪問數(shù)據(jù)中心站(例如:59.57.95.36:1099),并建立TCP/IP鏈路。
五、系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)




六、所需二次開發(fā)
1.軟件底層通訊收發(fā)、中轉(zhuǎn)部件
以西門子PLC所采用的組態(tài)軟件為例,用戶原有的人機(jī)界面、處理程序無需太大改動??梢杂煤唵蔚腟ocket編程并加上相應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)控制功能,來代替原有的有線Modem拔號通訊部件。
2.模塊在線數(shù)據(jù)監(jiān)測程序及遠(yuǎn)程復(fù)位
在電路交換數(shù)據(jù)環(huán)境中,連接是端到端的,所以用戶能夠知道連接是否完成,以及數(shù)據(jù)傳遞的情況,但在CDMA環(huán)境中,附屬于CDMA承載體的終端是“永遠(yuǎn)在線”的,它在任何時候都準(zhǔn)備透明地(相對于用戶而言)傳送或接收數(shù)據(jù),這樣一來,檢查數(shù)據(jù)包是否發(fā)送成功的任務(wù)就落到了用戶頭上。鑒于可能出現(xiàn)的無線網(wǎng)絡(luò)堵塞、模塊斷電等突發(fā)情況,用戶可根據(jù)需要設(shè)置相應(yīng)的傳遞確認(rèn)機(jī)制。例如,掛接LZ CDMA DTU的終端定時向中心點(diǎn)發(fā)送“呼叫”,中心點(diǎn)收到后返回給該終端“回復(fù)”,以確定模塊傳輸是否正常。LZ CDMA DTU提供強(qiáng)制復(fù)位管腳,用戶可提取該管腳,在模塊不能正常工作時進(jìn)行遠(yuǎn)程復(fù)位。
同時,需要預(yù)設(shè)在其它通訊方式失效情況下,實時切換到CDMA通訊的切換條件。
3.模塊的初始化
客戶端的模塊所需要的初始化信息包括:遠(yuǎn)程服務(wù)器IP地址及端口號(用于連接遠(yuǎn)程服務(wù)器),定時休眠時間/定時上線時間(用于定時更新服務(wù)器最新偵聽的套接字),服務(wù)器端模塊內(nèi)置號碼(用于遠(yuǎn)程喚醒服務(wù)器端模塊),緩沖觸發(fā)條件(保證數(shù)據(jù)包格式統(tǒng)一)。
服務(wù)器端模塊所需要的初始化信息主要是:IP Registration(用于在被喚醒時報告自身IP地址及相關(guān)信息)。
七、系統(tǒng)特點(diǎn)
該系統(tǒng)具有下述特點(diǎn):
1、該系統(tǒng)是國內(nèi)首創(chuàng)和同類產(chǎn)品率先采用CDMA數(shù)據(jù)通信技術(shù)的裝置。它具有CDMA的各種優(yōu)點(diǎn),即:
1.1 永遠(yuǎn)在線:只要激活CDMA后,將永遠(yuǎn)保持在線,不存在掉線問題;類似于一種無線專線網(wǎng)絡(luò)。
1.2 高速傳輸:由于CDMA采取了先進(jìn)的分址通信方式,數(shù)據(jù)傳輸最高理論值可達(dá)171.2kb/s。因此,本系統(tǒng)在一條可移動的信息高速公路上傳輸數(shù)據(jù)。
1.3 按量收費(fèi):CDMA按照本系統(tǒng)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)量來收取費(fèi)用,沒有數(shù)據(jù)流量的傳遞時,即使在線,也不收費(fèi)。因此,它是一種面向使用、科學(xué)合理的計費(fèi)方式。
2、該系統(tǒng)的自動檢測、監(jiān)控功能可使供水公司及時、準(zhǔn)確地掌握水井的運(yùn)行狀況,使供水管理和服務(wù)質(zhì)量水平躍上一個新臺階,有力地促進(jìn)供水公司現(xiàn)代化管理水平的提高。
3、該系統(tǒng)可徹底解決用水的實時管理、實時計量和遠(yuǎn)程控制的問題,為供水公司實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動計量、水損分析管理和用水系統(tǒng)實時遠(yuǎn)程監(jiān)控等現(xiàn)代化供水管理提供了可靠的手段。
4、實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控可減少循監(jiān)和相關(guān)的員工人數(shù)及費(fèi)用開支,降低員工勞動強(qiáng)度,提高監(jiān)控工作效率;該系統(tǒng)的將避免人工疏忽的漏監(jiān)、誤檢、估測;該系統(tǒng)的實時監(jiān)控可減少由于管道破裂漏水、用電失誤等造成的水量損失、水井安全隱患;該系統(tǒng)的應(yīng)用將有效地降低供水管網(wǎng)的運(yùn)行成本。
5、配置大容量非易失存儲器,可存儲大量的監(jiān)控數(shù)據(jù),停電數(shù)據(jù)也可保存10年;密碼保護(hù),非授權(quán)用戶無法操作。
八、系統(tǒng)顯著的經(jīng)濟(jì)效益
1、較低的工程造價
由于城市的自來水供水普及率一般均達(dá)95%以上,多數(shù)水井既分散又遠(yuǎn)離供水公司,多年來供水公司所應(yīng)用的無線遙測系統(tǒng)的通信一般都采用電臺。如采用該種通信方式,供水公司的數(shù)據(jù)中心站均需配置電臺、專用電源和高增益的鐵塔天線,在市區(qū)各處的采集站除配置電臺及專用電源外,還需配置高增益的定向天線。而本系統(tǒng)的通信采用中國聯(lián)通的CDMA網(wǎng)絡(luò),在水司的數(shù)據(jù)中心只需VPDN網(wǎng)絡(luò),遠(yuǎn)端采集站只需配置CDMA DTU,且每臺僅占用一個移動電話號碼,其通信的可靠性與移動電話一樣。因此,本系統(tǒng)的工程造價比應(yīng)用電臺的系統(tǒng)造價至少低10-20萬元以上(采集站數(shù)量越多差價越大)。
2、低廉的運(yùn)行費(fèi)用
2.1、本系統(tǒng)采用中國聯(lián)通的CDMA通信網(wǎng)絡(luò),不需使用電臺、不需架設(shè)鐵塔天線或定向天線等配套設(shè)備,遠(yuǎn)端采集站基本上可免維護(hù)運(yùn)行,不需配備專業(yè)技術(shù)人員維修保養(yǎng),因此維修費(fèi)用低。而采用電臺通訊需向無線電管理部門申請頻道資源,需配備專業(yè)技術(shù)人員維護(hù),那么維修費(fèi)、員工工資和交通費(fèi),加上電費(fèi)和頻道占用費(fèi)等,其綜合運(yùn)行成本開支每個月不少于3000元。
2.2、可與中國聯(lián)通公司簽訂使用其通訊網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議,并按傳輸量計費(fèi)。采用CDMA方式的計費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為:0.01元/1kb,最低收費(fèi)為每月20元。每個采集站傳輸量以2kb/次計,如果每小時傳輸1次數(shù)據(jù),那么1個月的話費(fèi)=2kb×24×31×0.01元/1kb=14.88元;按最低收費(fèi)也就是20元。目前,有些水表生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的通信采用中國電信的電話線傳輸,如果每小時傳輸1次數(shù)據(jù),那么每個測點(diǎn)1個月的話費(fèi)=24×31×0.20元=148.80元;因此,采用有線電話線傳輸?shù)耐ㄐ庞嬞M(fèi)與本系統(tǒng)采用CDMA相比為148.80元÷20元=7.44倍。
九、結(jié)束語
建成后的整個自來水廠水井監(jiān)控系統(tǒng)通信解決方案實現(xiàn)了互聯(lián)互通與共享,為企業(yè)信息管理體系的完善打下了堅實的基礎(chǔ),同時也將在工作效率、高科技現(xiàn)代化管理等諸多方面發(fā)揮著重要的作用。CDMA作為一種新的通訊手段,將更廣泛的應(yīng)用在水廠自動化領(lǐng)域。