無線通信技術(shù)在工程機械上的應(yīng)用

摘要：重點分析了當(dāng)前工程機械領(lǐng)域內(nèi)被廣泛使用的若干類無線通信技術(shù)，通過大量的引證并結(jié)合現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用實例對比總結(jié)各類型通信技術(shù)手段的優(yōu)劣。根據(jù)不同工程項目的應(yīng)用配合相應(yīng)的硬軟件技術(shù)，實現(xiàn)工程機械和無線通信產(chǎn)品的最優(yōu)化組合。
關(guān)鍵詞：藍牙；數(shù)傳電臺；GPRS；無線局域網(wǎng)

0 引言
在鐵路和港口的貨場、建筑生產(chǎn)工地，有很多工程機械設(shè)備交叉作業(yè)，大型戶外工程機械啟動頻繁，工作環(huán)境惡劣，由操作人員現(xiàn)場控制的方式已經(jīng)不適應(yīng)發(fā)展的需要。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，基于對工程機械工作信息資源應(yīng)用和生產(chǎn)管理的需要，決策者需要及時掌握現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況，進行綜合分析，作出準(zhǔn)確、科學(xué)而有效的決策，指揮現(xiàn)場的生產(chǎn)工作。今天，幾乎所有的建筑工程機械設(shè)備通過遙控改造都能實現(xiàn)遙控，開發(fā)一個通用的遠程監(jiān)控系統(tǒng)平臺，可以快速方便的構(gòu)建出符合用戶需要的無線數(shù)據(jù)通信監(jiān)控系統(tǒng)，這必將有良好的應(yīng)用前景。

1 無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展
LMDS是近年來逐漸發(fā)展起來的一種寬帶無線接入技術(shù)，它具有大容量高帶寬和雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，工作在20GHz～40GHz頻段上，可實現(xiàn)從每秒幾千比特到25．6Mbs的用戶接入速率，具有很高的可靠性。相對于目前常見的有線接入方式ADSL、HFC、以太網(wǎng)接入技術(shù)，以及MMDS、衛(wèi)星通信接入技術(shù)和不可見光纖無線系統(tǒng)等常見無線接入方式，LMDS非常適合于用戶數(shù)據(jù)密集的接入環(huán)境，可以充分滿足各種新興的寬帶業(yè)務(wù)，作為一種無線接入方式，順應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)高速化和寬帶化發(fā)展的趨勢。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wire―lms Sensor Network，WSN)是無線技術(shù)領(lǐng)域最新的、最流行的應(yīng)用。正是由于新，所以現(xiàn)在還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，目前全球有許多研究機構(gòu)和組織在進行技術(shù)與規(guī)格的開發(fā)，提出了不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并以ZigBee和Z―Wave最為成熟，基本形成兩大陣營。追求應(yīng)用領(lǐng)域最大化的ZigBee由于自身近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的特點最后很有可能落在工控、醫(yī)療等信息控制傳輸領(lǐng)域。類似新銳技術(shù)的不斷涌現(xiàn)、成熟和應(yīng)用帶動了工程機械生產(chǎn)發(fā)展的新格局。例如建筑施工安裝技術(shù)中的大型構(gòu)件液壓同步提升技術(shù)，采用柔性鋼絞線或剛性立柱承重、提升器集群、計算機控制和液壓同步提升等技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代化施工方法，將上萬噸的構(gòu)件在地面拼裝后整體提升到預(yù)定高度安裝就位。但在大多數(shù)工程中，液壓提升器都處于高空位置，若就地控制對操作人員存在一定安全問題；而且控制系統(tǒng)所處的高空環(huán)境和溫度氣候條件都不利于工作，分析和排除故障都很不方便。無線遙控液壓同步提升技術(shù)通過位于100m外的中央控制室遠程控制，將龍門起重機的剛性腿和主梁順利提升到位，大大的提高了現(xiàn)代化生產(chǎn)質(zhì)量。

2 無線通信技術(shù)在工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用
2．1 筑路機械短程無線監(jiān)控中的藍牙技術(shù)
當(dāng)前筑路機械的發(fā)展方向是開發(fā)各種智能化的筑路工程裝備，傳統(tǒng)的在線狀態(tài)監(jiān)測，無論主動式還是微機自動監(jiān)控系統(tǒng)，均需要將各傳感器提供的在線信號實測值通過相應(yīng)的有線電纜傳輸至微機，與微處理器內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)值相比較。由于各種工況條件的局限，機載設(shè)備需盡量做到高可靠性和簡單，這樣僅能對在振動壓實、攤鋪找平中監(jiān)測到的信號進行簡單處理，無法進行較全面系統(tǒng)的分析，可能誤檢、漏檢各種潛在的故障隱患；另一方面，現(xiàn)行的作業(yè)管理缺少統(tǒng)一的施工工藝模式，路面路基質(zhì)量完全由駕駛員的熟練程度決定，無完整的施工操作記錄，不能很好地控制施工進度和質(zhì)量。藍牙技術(shù)以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)，通常作用距離為10cm～10m，如果加大發(fā)射功率作用距離可達100m，完全可以達到筑路機械在線監(jiān)控的要求。由于藍牙技術(shù)特有的抗干擾性能，在一個工區(qū)利用一個中心控制監(jiān)測單元可以有效地對七臺(點)設(shè)備進行監(jiān)控，達到實時監(jiān)控的目的。作為一種沒有完全成熟的技術(shù)，藍牙還有待于實際使用的嚴格檢驗；其通訊速率也不是很高，可能會限制它在其他工程機械上的推廣。目前主流的軟件和硬件平臺均不提供對藍牙的支持，這使得藍牙的應(yīng)用成本升高，普及難度增大。類似的Z―Wave傳輸率僅有9．6kbps，以ZigBee來相對比較，即便不去談?wù)?．4GHz頻段的250Kbps傳輸率，在915MHz頻段上也至少有40Kbps(868MHz頻段上有20Kbps)，雖然WSN不強調(diào)數(shù)據(jù)的傳輸速度、傳輸量，但也不至于過低。由于藍牙芯片已多年大量生產(chǎn)，組件的量價均已達高度成熟，ZigBee當(dāng)初設(shè)定以更低價格取代藍牙在控制領(lǐng)域應(yīng)用，實現(xiàn)難度也日益增高，現(xiàn)今ZigBee只有把握自身傳輸距離及組網(wǎng)優(yōu)勢尋求最佳的使用定位。
2．2 塔吊無線遙控系統(tǒng)中的微功率通信技術(shù)
微功率短距離無線通信技術(shù)作為無線通信實用技術(shù)，一般使用單片射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無線通信模塊。nRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻收／發(fā)器，工作于433/868／915 MHz 3個ISM頻道。nRF905提供了強大的跳頻機制，可以應(yīng)用于許多特殊的場合。
在德國，幾乎所有的20t以上的移動式吊車都裝上了比例無線電控制系統(tǒng)。通常，遙控裝置還配置了數(shù)據(jù)反饋設(shè)備，發(fā)射機上可配置大平面的LCD顯示屏，不斷的向吊車司機報告負荷、起重臂長、負荷力矩、油溫、壓力等其它重要的運行參數(shù)。目前國內(nèi)建筑工程等行業(yè)使用的塔吊多屬控制室形式，控制室束縛、視線不清、環(huán)境惡劣或指揮配合不當(dāng)?shù)纫蛩亟钥尚纬墒鹿孰[患。我國大量的建筑施工中小型企業(yè)所使用的塔吊型號多，所以在現(xiàn)有塔吊控制室控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合微型計算機控制技術(shù)，開發(fā)出低功耗且具有高抗干擾能力和高可靠性的塔吊無線遙控系統(tǒng)：以MSP430超低功耗16位微控制器和無線收發(fā)芯片nRF905為核心，采用軟件編碼和硬件譯碼的方式提高系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)發(fā)射器采用定時掃描、接收器采用無記憶輸出控制方式，既保證了安全操作可靠性又大幅度提高了生產(chǎn)效率，可廣泛應(yīng)用于塔吊等一般的工業(yè)遙控系統(tǒng)中。
2．3 軍用工程機械領(lǐng)域中的無線數(shù)傳技術(shù)
傳統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸電臺應(yīng)用在大的SCADA遙控遙測系統(tǒng)，適用于各類點對點、一點對多點的無線數(shù)據(jù)傳輸，如電力負荷監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、鐵路信號監(jiān)控等工業(yè)自動化系統(tǒng)。短波通訊與GSM移動通訊等方式相比具有發(fā)射功率小、傳輸距離遠、建站迅速、機動性好等特點，其通訊范圍半徑可達十幾千米至幾十千米，是軍用工程機械無線電通信的主要方式之一。
利用軍用工程機械車載短波電臺和監(jiān)控中心無線電基站建立無線通信網(wǎng)，可實現(xiàn)工程機械作業(yè)的遠程監(jiān)控。軍用工程機械遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要由車載狀態(tài)監(jiān)測模塊、無線自組網(wǎng)(由車載短波電臺和監(jiān)控中心無線電基站組建的非民用信道通訊網(wǎng)絡(luò))和遠程監(jiān)控中心3部分組成。車載狀態(tài)監(jiān)測模塊主要完成信號采集、信號分析、狀態(tài)顯示、故障報警和人機交互等功能：首先對采集到的機械狀態(tài)信息進行分析顯示，而后通過無線自組網(wǎng)將該信息傳輸給監(jiān)控中心并據(jù)此分析機械狀態(tài)；遇有操作故障或下達指令時，監(jiān)控中心通過無線網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)命令信息傳遞給工程機械車載狀態(tài)監(jiān)測模塊，再由該模塊指示操作手執(zhí)行相應(yīng)動作。
專業(yè)級別的無線數(shù)傳電臺組網(wǎng)費用都較高，并且通訊距離有一定的限制(平原地帶最遠為50km)，通信效果受建筑物、山體的影響較大。系統(tǒng)需要專業(yè)人員維護管理，整體建設(shè)、維護費用很高，不便于在工程機械領(lǐng)域內(nèi)普及應(yīng)用。雖然近年來SCADA系統(tǒng)發(fā)展迅速，但伴隨著GPRS和CDMA網(wǎng)絡(luò)的日漸成熟，數(shù)傳電臺的市場反而下降。
2．4 工程車輛中的現(xiàn)代GPRS技術(shù)
GPRS通信充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速、大容量傳輸，高速數(shù)據(jù)傳輸最大可達160Kbps。其與數(shù)據(jù)中心建立的通信鏈路隨時收發(fā)用戶數(shù)據(jù)設(shè)備內(nèi)的數(shù)據(jù)，按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量進行流量計費，永久在線并具有很高的實時性，在工程機械系統(tǒng)中常常利用GPS、GIS通過空間衛(wèi)星系統(tǒng)與電子地圖、無線通信網(wǎng)絡(luò)及計算機車輛管理信息系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)車輛定位、跟蹤和車輛管理等諸多功能。
路面施工工程機械包括裝載機、拌和站、自卸車、攤鋪機、壓路機等，現(xiàn)代智能工程機械的遠程在線監(jiān)控系統(tǒng)(國家863項目)由挖掘機等工程機械群、GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、GPRS遠程通訊系統(tǒng)、因特網(wǎng)、客戶機群監(jiān)控中心系統(tǒng)、便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和遠程企業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)組成。它依靠安裝在工程機械單機上的各種傳感器和控制器對設(shè)備的運行狀態(tài)參數(shù)、故障信息和位置參數(shù)進行采集，將其轉(zhuǎn)換為CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送到固定地址，并經(jīng)處理器運算處理在LCD屏幕上顯示，若超過數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)正常狀態(tài)參數(shù)則啟動故障報警程序提醒操作者；同時合并GPS定位信息及其它信息由GPRS模塊無線發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過GGSN和SGSN到達遠程企業(yè)服務(wù)中心系統(tǒng)，實現(xiàn)客戶端與遠程監(jiān)控服務(wù)端的通信。
與專業(yè)無線數(shù)傳電臺相比，GPRS實時性較差，因為目前的公網(wǎng)系統(tǒng)是話音優(yōu)先的系統(tǒng)，一旦通話接通率低，可能會遭到投訴，所以要確保通話優(yōu)先。GPRS相對而言“掉線”及“死機”問題比較嚴重，當(dāng)然這不僅是產(chǎn)品本身的問題，與網(wǎng)絡(luò)運行情況也很有關(guān)系，所以系統(tǒng)集成商或客戶很難自行維護，必須要GPRS的運營商配合才行，由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占的比例非常小，有時服務(wù)質(zhì)量難免會存在一定問題。
2．5 監(jiān)控港口工程機械中的無線局域網(wǎng)技術(shù)
無線局域網(wǎng)不需要自己建立基站，無需申請專用頻道，無需網(wǎng)絡(luò)維護，享有及時網(wǎng)絡(luò)升級，技術(shù)比較成熟，功耗比較小。相對于傳輸距離只有兩三百米的專用射頻芯片nRF0433，無線網(wǎng)橋利用電磁波收發(fā)信號，數(shù)據(jù)傳輸速率達llM～54Mbit／s，傳輸距離達到30km。在無公網(wǎng)信號或信號較差的標(biāo)位安裝WLAN設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)無盲區(qū)覆蓋。
港口碼頭上，機械設(shè)備是在露天野外工作的，經(jīng)常會遇到極為惡劣的環(huán)境，如刮風(fēng)、下雨、下雪、閃電、雷鳴，還有其他一些空間電磁干擾等。所以要求港口無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)必須有很好的抗干擾能力和穩(wěn)定傳輸?shù)哪芰?。北京艾克塞?Axelwave)公司利用無線局域網(wǎng)進行港口遠距離數(shù)據(jù)通訊，可以實現(xiàn)控制室與作業(yè)現(xiàn)場的實時信息雙向傳輸。整套監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計在作業(yè)現(xiàn)場周圍和內(nèi)部部署了若干無線基站，使得無線信號完全覆蓋到整個作業(yè)場地；同時在作業(yè)機械上安裝車載無線終端，現(xiàn)場作業(yè)人員配備手持無線終端，將一個個移動的“信息孤島”變成一個個移動的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點?，F(xiàn)場理貨人員通過無線網(wǎng)絡(luò)，可將現(xiàn)場實時作業(yè)信息傳回堆場管理控制中心；大型作業(yè)機械的工作狀態(tài)和各項數(shù)據(jù)指標(biāo)，可實時傳輸至中央控制室，實現(xiàn)對現(xiàn)場作業(yè)機械的實時動態(tài)監(jiān)控。特別值得注意的問題是無線局域網(wǎng)對于組網(wǎng)的環(huán)境要求比較嚴格，信號強弱受建筑、樹木等遮擋物的影響比較明顯，金屬棚頂反射和雨衰也是信號傳輸中要考慮的問題，所以環(huán)境布局在構(gòu)架無線通信系統(tǒng)的時候歷來都是設(shè)計人員規(guī)劃的重心。

3 結(jié)論
本文結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有各類無線通信工程項目和成熟技術(shù)，針對工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)的性質(zhì)特征總結(jié)架設(shè)無線工作數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗，分析論述了在工程機械上可行的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用方案，得出如下結(jié)論：
(1)類似建筑起重機這種大電流電機設(shè)備會產(chǎn)生電磁噪聲，干擾有線局域網(wǎng)信號，由于沒有電纜引起的電器噪聲，無線傳輸技術(shù)在某些不利條件下的糾錯性能很可靠。但伴隨著GPRS技術(shù)的廣泛，傳統(tǒng)數(shù)傳電臺的在工程領(lǐng)域中的地位逐漸被取代。
(2)利用基于GSM網(wǎng)的GPRS服務(wù)具有投資少、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、終端設(shè)備簡單、網(wǎng)絡(luò)可靠性高、傳輸速度快、服務(wù)便宜、接入方便等諸如無線電臺、衛(wèi)星通信、數(shù)字集群通信系統(tǒng)難以比擬的優(yōu)點。
(3)無線局域網(wǎng)可選用無線網(wǎng)橋建立工程機械的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，無需申請專用頻道，技術(shù)比較成熟，使用費用低。尤其無線網(wǎng)橋已在倉貨、醫(yī)療、交通、武警等應(yīng)用領(lǐng)域收到了良好的效果，先進將其引入到工程機械的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用研發(fā)上是很理想的選擇。
此外，通過對上述生產(chǎn)實例的論述分析，也給日后進一步開發(fā)工程機群大型在線監(jiān)控系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)和發(fā)展路線。