无线通信技术在工程机械上的应用

摘要：重点分析了当前工程机械领域内被广泛使用的若干类无线通信技术，通过大量的引证并结合现有的产业化应用实例对比总结各类型通信技术手段的优劣。根据不同工程项目的应用配合相应的硬软件技术，实现工程机械和无线通信产品的最优化组合。
关键词：蓝牙；数传电台；GPRS；无线局域网

0 引言
    在铁路和港口的货场、建筑生产工地，有很多工程机械设备交叉作业，大型户外工程机械启动频繁，工作环境恶劣，由操作人员现场控制的方式已经不适应发展的需要。随着工业生产的发展，基于对工程机械工作信息资源应用和生产管理的需要，决策者需要及时掌握现场的生产状况，进行综合分析，作出准确、科学而有效的决策，指挥现场的生产工作。今天，几乎所有的建筑工程机械设备通过遥控改造都能实现遥控，开发一个通用的远程监控系统平台，可以快速方便的构建出符合用户需要的无线数据通信监控系统，这必将有良好的应用前景。

1 无线通信技术的迅猛发展
    LMDS是近年来逐渐发展起来的一种宽带无线接入技术，它具有大容量高带宽和双向数据传输的特点，工作在20GHz～40GHz频段上，可实现从每秒几千比特到25．6Mbs的用户接入速率，具有很高的可靠性。相对于目前常见的有线接入方式ADSL、HFC、以太网接入技术，以及MMDS、卫星通信接入技术和不可见光纤无线系统等常见无线接入方式，LMDS非常适合于用户数据密集的接入环境，可以充分满足各种新兴的宽带业务，作为一种无线接入方式，顺应了网络高速化和宽带化发展的趋势。无线传感器网络(Wire—lms Sensor Network，WSN)是无线技术领域最新的、最流行的应用。正是由于新，所以现在还没有统一的标准，目前全球有许多研究机构和组织在进行技术与规格的开发，提出了不同的技术标准，并以ZigBee和Z—Wave最为成熟，基本形成两大阵营。追求应用领域最大化的ZigBee由于自身近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的特点最后很有可能落在工控、医疗等信息控制传输领域。类似新锐技术的不断涌现、成熟和应用带动了工程机械生产发展的新格局。例如建筑施工安装技术中的大型构件液压同步提升技术，采用柔性钢绞线或刚性立柱承重、提升器集群、计算机控制和液压同步提升等技术结合现代化施工方法，将上万吨的构件在地面拼装后整体提升到预定高度安装就位。但在大多数工程中，液压提升器都处于高空位置，若就地控制对操作人员存在一定安全问题；而且控制系统所处的高空环境和温度气候条件都不利于工作，分析和排除故障都很不方便。无线遥控液压同步提升技术通过位于100m外的中央控制室远程控制，将龙门起重机的刚性腿和主梁顺利提升到位，大大的提高了现代化生产质量。

2 无线通信技术在工程机械领域的应用
2．1 筑路机械短程无线监控中的蓝牙技术
    当前筑路机械的发展方向是开发各种智能化的筑路工程装备，传统的在线状态监测，无论主动式还是微机自动监控系统，均需要将各传感器提供的在线信号实测值通过相应的有线电缆传输至微机，与微处理器内存的标准值相比较。由于各种工况条件的局限，机载设备需尽量做到高可靠性和简单，这样仅能对在振动压实、摊铺找平中监测到的信号进行简单处理，无法进行较全面系统的分析，可能误检、漏检各种潜在的故障隐患；另一方面，现行的作业管理缺少统一的施工工艺模式，路面路基质量完全由驾驶员的熟练程度决定，无完整的施工操作记录，不能很好地控制施工进度和质量。蓝牙技术以低成本的近距离无线连接为基础，通常作用距离为10cm～10m，如果加大发射功率作用距离可达100m，完全可以达到筑路机械在线监控的要求。由于蓝牙技术特有的抗干扰性能，在一个工区利用一个中心控制监测单元可以有效地对七台(点)设备进行监控，达到实时监控的目的。作为一种没有完全成熟的技术，蓝牙还有待于实际使用的严格检验；其通讯速率也不是很高，可能会限制它在其他工程机械上的推广。目前主流的软件和硬件平台均不提供对蓝牙的支持，这使得蓝牙的应用成本升高，普及难度增大。类似的Z—Wave传输率仅有9．6kbps，以ZigBee来相对比较，即便不去谈论2．4GHz频段的250Kbps传输率，在915MHz频段上也至少有40Kbps(868MHz频段上有20Kbps)，虽然WSN不强调数据的传输速度、传输量，但也不至于过低。由于蓝牙芯片已多年大量生产，组件的量价均已达高度成熟，ZigBee当初设定以更低价格取代蓝牙在控制领域应用，实现难度也日益增高，现今ZigBee只有把握自身传输距离及组网优势寻求最佳的使用定位。
2．2 塔吊无线遥控系统中的微功率通信技术
    微功率短距离无线通信技术作为无线通信实用技术，一般使用单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。nRF905是挪威Nordic公司推出的单片射频收／发器，工作于433/868／915 MHz 3个ISM频道。nRF905提供了强大的跳频机制，可以应用于许多特殊的场合。
    在德国，几乎所有的20t以上的移动式吊车都装上了比例无线电控制系统。通常，遥控装置还配置了数据反馈设备，发射机上可配置大平面的LCD显示屏，不断的向吊车司机报告负荷、起重臂长、负荷力矩、油温、压力等其它重要的运行参数。目前国内建筑工程等行业使用的塔吊多属控制室形式，控制室束缚、视线不清、环境恶劣或指挥配合不当等因素皆可形成事故隐患。我国大量的建筑施工中小型企业所使用的塔吊型号多，所以在现有塔吊控制室控制的基础上，结合微型计算机控制技术，开发出低功耗且具有高抗干扰能力和高可靠性的塔吊无线遥控系统：以MSP430超低功耗16位微控制器和无线收发芯片nRF905为核心，采用软件编码和硬件译码的方式提高系统的抗干扰能力，系统发射器采用定时扫描、接收器采用无记忆输出控制方式，既保证了安全操作可靠性又大幅度提高了生产效率，可广泛应用于塔吊等一般的工业遥控系统中。
2．3 军用工程机械领域中的无线数传技术
    传统无线数据传输电台应用在大的SCADA遥控遥测系统，适用于各类点对点、一点对多点的无线数据传输，如电力负荷监控、数据采集、铁路信号监控等工业自动化系统。短波通讯与GSM移动通讯等方式相比具有发射功率小、传输距离远、建站迅速、机动性好等特点，其通讯范围半径可达十几千米至几十千米，是军用工程机械无线电通信的主要方式之一。
    利用军用工程机械车载短波电台和监控中心无线电基站建立无线通信网，可实现工程机械作业的远程监控。军用工程机械远程监控系统主要由车载状态监测模块、无线自组网(由车载短波电台和监控中心无线电基站组建的非民用信道通讯网络)和远程监控中心3部分组成。车载状态监测模块主要完成信号采集、信号分析、状态显示、故障报警和人机交互等功能：首先对采集到的机械状态信息进行分析显示，而后通过无线自组网将该信息传输给监控中心并据此分析机械状态；遇有操作故障或下达指令时，监控中心通过无线网络将相关命令信息传递给工程机械车载状态监测模块，再由该模块指示操作手执行相应动作。
    专业级别的无线数传电台组网费用都较高，并且通讯距离有一定的限制(平原地带最远为50km)，通信效果受建筑物、山体的影响较大。系统需要专业人员维护管理，整体建设、维护费用很高，不便于在工程机械领域内普及应用。虽然近年来SCADA系统发展迅速，但伴随着GPRS和CDMA网络的日渐成熟，数传电台的市场反而下降。
2．4 工程车辆中的现代GPRS技术
    GPRS通信充分利用现有的网络资源，可以实现数据高速、大容量传输，高速数据传输最大可达160Kbps。其与数据中心建立的通信链路随时收发用户数据设备内的数据，按照接收和发送数据包的数量进行流量计费，永久在线并具有很高的实时性，在工程机械系统中常常利用GPS、GIS通过空间卫星系统与电子地图、无线通信网络及计算机车辆管理信息系统结合，实现车辆定位、跟踪和车辆管理等诸多功能。
    路面施工工程机械包括装载机、拌和站、自卸车、摊铺机、压路机等，现代智能工程机械的远程在线监控系统(国家863项目)由挖掘机等工程机械群、GPS全球卫星定位系统、GPRS远程通讯系统、因特网、客户机群监控中心系统、便携式数据采集系统和远程企业监控系统组成。它依靠安装在工程机械单机上的各种传感器和控制器对设备的运行状态参数、故障信息和位置参数进行采集，将其转换为CAN总线数据发送到固定地址，并经处理器运算处理在LCD屏幕上显示，若超过数据库中相应正常状态参数则启动故障报警程序提醒操作者；同时合并GPS定位信息及其它信息由GPRS模块无线发送到GPRS网络，通过GGSN和SGSN到达远程企业服务中心系统，实现客户端与远程监控服务端的通信。
    与专业无线数传电台相比，GPRS实时性较差，因为目前的公网系统是话音优先的系统，一旦通话接通率低，可能会遭到投诉，所以要确保通话优先。GPRS相对而言“掉线”及“死机”问题比较严重，当然这不仅是产品本身的问题，与网络运行情况也很有关系，所以系统集成商或客户很难自行维护，必须要GPRS的运营商配合才行，由于数据业务占的比例非常小，有时服务质量难免会存在一定问题。
2．5 监控港口工程机械中的无线局域网技术
    无线局域网不需要自己建立基站，无需申请专用频道，无需网络维护，享有及时网络升级，技术比较成熟，功耗比较小。相对于传输距离只有两三百米的专用射频芯片nRF0433，无线网桥利用电磁波收发信号，数据传输速率达llM～54Mbit／s，传输距离达到30km。在无公网信号或信号较差的标位安装WLAN设备，能够实现全网络无盲区覆盖。
    港口码头上，机械设备是在露天野外工作的，经常会遇到极为恶劣的环境，如刮风、下雨、下雪、闪电、雷鸣，还有其他一些空间电磁干扰等。所以要求港口无线网络数据通信系统必须有很好的抗干扰能力和稳定传输的能力。北京艾克塞尔(Axelwave)公司利用无线局域网进行港口远距离数据通讯，可以实现控制室与作业现场的实时信息双向传输。整套监控系统设计在作业现场周围和内部部署了若干无线基站，使得无线信号完全覆盖到整个作业场地；同时在作业机械上安装车载无线终端，现场作业人员配备手持无线终端，将一个个移动的“信息孤岛”变成一个个移动的网络节点。现场理货人员通过无线网络，可将现场实时作业信息传回堆场管理控制中心；大型作业机械的工作状态和各项数据指标，可实时传输至中央控制室，实现对现场作业机械的实时动态监控。特别值得注意的问题是无线局域网对于组网的环境要求比较严格，信号强弱受建筑、树木等遮挡物的影响比较明显，金属棚顶反射和雨衰也是信号传输中要考虑的问题，所以环境布局在构架无线通信系统的时候历来都是设计人员规划的重心。

3 结论
    本文结合国内现有各类无线通信工程项目和成熟技术，针对工业生产行业的性质特征总结架设无线工作数据传输系统的相关经验，分析论述了在工程机械上可行的无线数据传输系统应用方案，得出如下结论：
    (1)类似建筑起重机这种大电流电机设备会产生电磁噪声，干扰有线局域网信号，由于没有电缆引起的电器噪声，无线传输技术在某些不利条件下的纠错性能很可靠。但伴随着GPRS技术的广泛，传统数传电台的在工程领域中的地位逐渐被取代。
    (2)利用基于GSM网的GPRS服务具有投资少、网络覆盖范围广、终端设备简单、网络可靠性高、传输速度快、服务便宜、接入方便等诸如无线电台、卫星通信、数字集群通信系统难以比拟的优点。
    (3)无线局域网可选用无线网桥建立工程机械的无线数据传输系统，无需申请专用频道，技术比较成熟，使用费用低。尤其无线网桥已在仓货、医疗、交通、武警等应用领域收到了良好的效果，先进将其引入到工程机械的无线数据传输系统应用研发上是很理想的选择。
    此外，通过对上述生产实例的论述分析，也给日后进一步开发工程机群大型在线监控系统提供了理论基础和发展路线。