无线遥测系统基本概念

无线遥测系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。

无线遥测系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

由于各个应用领域对无线遥测的要求不同，所以不同应用领域的无线遥测系统发展也不完全相同，在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统。

在电力系统中，无线遥测系统的应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它作为能量管理系统(EMS系统)的一个最主要的子系统，有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为电力调度不可缺少的工具。它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平中方面有着不可替代的作用。

无线遥测在铁道电气化远动系统上的应用也较早，在保证电气化铁路的安全可靠供电，提高铁路运输的调度管理水平起到了很大的作用。在铁道电气化无线遥测系统的发展过程中，随着计算机的发展，不同时期有不同的产品，同时我国也从国外引进了大量的无线遥测产品与设备，这些都带动了铁道电气化远动系统向更高的目标发展。

自单片机问世以来，单片机技术得到了迅猛的发展，使得单片机的性能不断提高，功能越来越强，因其具有功能强大、低功耗、体积小等优点，己被广泛应用于工业控制、仪器仪表、计算机、家电等许多领域中。本课题就是根据单片机的以上优点将其应用在仪表的智能测量中。

随着计算机技术的应用和网络技术的飞速发展，计算机远程监测监控手段在各行业中也得到了广泛的应用，远程监测系统具有信息反馈迅速，便于统一管理、集中调度指挥，有效的提高了管理水平，解决了测量中人工监测的弊病。

针对有些地区现场布线困难、仪表布局分散，不利于集中管理的现状，作者设计了一套全无线遥测系统，系统基于单片机对现场输入信号的智能测量，利用无线通讯进行数据传输，实现远程监测，解决以上问题。现场的测量信息能够以无线的方式被传送出去，并且可以在数据中心实时集中管理，统一调度，查询及报表打印等。全无线遥测系统是一种通用的系统，不仅能测量频率信号，而且能够测量微小信号和4-20mA的电流信号。

无线遥测系统分三层结构，如图1所示：数据中心、双模无线智能仪表、通用无线智能传感模块。数据中心的计算机连接一个GSM Modem模块，仪表室的双模无线智能仪表连接一个GSM Modem模块和一个无线数传模块，现场的通用无线智能传感模块连接一个无线数传模块。数据中心和多台双模无线智能仪表之间利用公网通过GSM Modem模块以短消息方式进行无线通讯，实现远程监测。通用无线智能传感模块通过无线数传模块向双模无线智能仪表定时单向地发送数据。

现场的通用无线智能传感模块完成测量功能和数据无线传输功能。它采集现场输入信号，经信号处理模块处理之后，输入单片机进行A/D转换，变成数字信号，然后经过单片机的一系列智能计算和功能转换，输出工程量。通用无线智能传感模块不仅可以采集4-20mA电信号和小信号，而且可以采集频率信号，因此可以进行多种测量，如温度、压力、流量等，具有通用性。

现场的测量结果既可以在通用无线智能传感模块上显示，也能在仪表室的双模无线智能仪表上显示。通用无线智能传感模块和双模无线智能仪表之间，采用无线数传模块传输数据。利用无线数传模块传输数据的方式解决了对于传输距离较远，现场布线困难的问题。数据通过串口采用异步传输，制定传输协议。数据按照传输协议被定时单向地发送给双模无线智能仪表。双模无线智能仪表和数据中心之间，通过GSM Modem模块传输数据，数据以短消息的方式按照Modbus协议传输；数据可以随机或定时招测双模无线智能仪表的数据，为避免频繁招测给双模无线智能仪表的其它工作带来干扰，双模无线智能仪表设计成基于数据缓冲池的双CPU结构。

数据中心能够随机或定时招测双模无线智能仪表中与测量有关的数据，并具有数据库自动备份、用户数据查询、用户数据修改、清空数据库、参数曲线显示、用户数据打印等功能。双模无线智能仪表和数据中心之间一般在1到几十公里以上，距离很远，网络发达方便，因此可以采用电台或者GSM网络或公用电话网构成遥测网络，手机基站的网络覆盖面很广，在全国范围内都有网络，传输数据快，运行费用相对低，将其作为工业通讯设备，有很强的适应性，所以本系统设计采用基于短消息的GSM网络传输数据，实现数据中心对所有双模无线智能仪表的控制和管理。

无线遥测系统在不断完善，不断发展，其技术进步一刻也没有停止过。当今，随着人们对无线遥测系统需求的提高以及计算机技术的发展，为无线遥测系统提出新的要求，概括地说，有以下几点：

无线遥测系统无线遥测系统与其它系统的广泛集成

无线遥测系统一般是各工业系统自动化的实时数据源，为系统提供大量的实时数据。所以在这今十年来，无线遥测系统系统如何与其它非实时系统的连接成为无线遥测研究的重要课题。无线遥测系统与电能量计量系统，地理信息系统、水调度自动化系统、调度生产自动化系统以及办公自动化系统的集成成为无线遥测系统的一个发展方向。

无线遥测系统专家系统等新技术研究与应用

利用这些新技术模拟系统的各种运行状态，并开发出调度辅助软件和管理决策软件，由专家系统根据不同的实际情况推理出最优化的运行方式或处理故障的方法，以达到合理、经济地进行系统网络的调度，提高运输效率的目的。

无线遥测系统面向对象技术、Internet技术的应用

面向对象技术(OOT)是网络数据库设计和市场模型设计的合适工具，将面向对象技术(OOT)运用于无线遥测系统是发展趋势。

随着Internet技术的发展，浏览器界面已经成为计算机桌面的基本平台，将浏览器技术运用于SCADA系统，将浏览器界面作为系统调度自动化系统的人机界面，对扩大实时系统的应用范围，减少维护工作量非常有利；在新一代的无线遥测系统中，传统的MMI界面将保留，主要供操作人员使用，新增设的Web服务器供非实时用户浏览，以后将逐渐统一为一种人机界面。

JAVA语言综合了面向对象技术和Internet技术，将编译和解释有机结合，严格实现了面向对象的四大特性:封装性、多态性、继承性、动态联编，并在多线程支持和安全性上优于C ，以及其它诸多特性，JAVA技术将导致无线遥测系统的一场革命。

虽然现有的无线遥测系统已经有了很大的发展，并逐步被应用到工农业的各个领域中去。但是这些系统一些功能的实现上仍具有明显的缺陷：

无线遥测系统实时性和精确性差

用现有的无线遥控测试设备组成的系统进行多目标测量和控制时，由于无线传输中的干扰及有限的无线资源，系统只能传输极少数的遥测信息和控制信息。这会影响系统工作的实时性和精确性。

无线遥测系统无线遥控测试系统的价格问题尤为突出

对于多目标的遥控测试系统，很大一部分的要求来自于民用方面，如导航、石油/液化气管道测量、地震监测、医院监护、工厂远距数据采集等民用方面都提出了很大的要求。对于民用，若不考虑价格，就意味着丢掉市场。因此，从整体设计开始，就得从方案、采用的技术、器件、工艺等方面考虑价格问题。

无线遥测系统系统安全性需要提高

无线遥控侧试系统由于其通信信道不像有线通信那样是封闭的，因此它比较容易被侵入或攻击。如何保证其网络的安全性无疑也是当今网络通信发展的一门重要课题。

无线遥测系统本地化差

同国外系统相比，大部分国产通用系统主要是模仿国外系统开发的，虽然部分系统已经汉化，但是中国市场中某些行业规范，他们很难满足。而且人力资源以及资金限制使得它们可能在很长时间内只能维持对现有系统功能的维护和补充。

无线通信新技术的不断涌现，推动了遥测技术的发展。在国际遥测会议 (ITC)中，关于 OFDM,MIMO,MIMO-OFDM 的论文逐年增多。2003 年，加拿大太平洋微波研究中心 Durso报告了他们实验室的研究成果，他们将 OFDM 技术应用于战术无人机遥测链路，采用编码 OFDM(COFDM)技术，子载波采用 QPSK 或者16-QAM，信号带宽 8 MHz，根据不同的编码效率与子载波调制方式，传输速率为 5 Mbps~20 Mbps，该系统可以有效地对抗多径干扰，而且可以进行非视距通信。2005 年，国际遥测会议专门设立一个议题讨论提高遥测频谱效率(T&E/S&T Spectrum Efficient Technology)，在这个议题中，美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)Darden认为在遥测链路中，OFDM 是一种先进的技术。Tian 等人将 OFDM 技术用于飞行器电力线高速数据传输，可以节约飞行器仪器之间电缆的数量。2008 年，Lu 与 Roach 等人分析了物理层采用 OFDM 的iNET (增强遥测综合网)性能，并对系统进行了实验室的测试。2009 年，Ehichioya 与Kamirah研究 OFDM 在航空遥测信道的性能，说明 OFDM 在航空遥测中具有优势。

对于 MIMO 技术的关注，是从 2002 年开始，Jensen 等人研究了空时编码，并针对航空遥测信道进行了分析。在后面的几年里，越来越多的遥测研究人员开始关注 MIMO。在 2006 年遥测会议上，组委会专门设计一个议题，交流 MIMO 技术，在 2007 年、2009 年都专门设置分会场讨论 MIMO 技术。在 2006 年，美国密苏里州科技大学遥测学术中心 Chris Potter 等人就开始研究 MIMO 技术，在随后的几年中，他与自己导师 Kosbar 每年都在遥测会议上展示他们的研究成果。到 2009 年，他们成功地将 MIMO 应用于航空遥测中，开发了 1 套 2×2 的MIMO 系统，机上 2 个天线，地面 2 个天线。对于 MIMO，就技术而言，主要集中在信道估计、空时编码。

从已有的报道来看，目前 OFDM、MIMO 技术在遥测领域的研究和应用主要集中在航空遥测。在航空信道下，当飞行器距离较远时，受到地球曲率半径的影响，导致天线仰角很低，此时，地面与山体等反射都进入天线的主波束内，形成多径干扰，而且飞行器需要传输大量视频数据，数据率高。另外航空信道下的飞行器能源是可以补给的，可采用功率较大的发射功率。所以在航空遥测领域，OFDM 技术有着广泛的应用前景。在卫星、飞船等遥测中，OFDM、MIMO 的研究和应用还未见报道。这些飞行器能量由电池提供，发射功率非常有限，功率放大器为非线性，况且卫星、飞船基本上不存在多径干扰，是一个理想的加性高斯白噪声(Additive White Gaussion Noise，AWGN)信道，就目前而言，不宜采用 OFDM 技术。但是不论是航空遥测，还是卫星遥测，使用 MIMO 技术都可以提高信道容量，节约功率，提高传输的可靠性，所以 MIMO 在遥测领域的应用具有很大潜力。对于 SC-FDE技术，在遥测会议中未见报道，但是根据它的特点以及优异的抗多径性能，在航空遥测、导弹遥测等存在严重多径干扰的信道下，是一种鲁棒的遥测体制，很有必要深入研究。

据记载，1812年为了远距离试验地雷，遥测技术即应运而生。随着工业的发展，遥测技术逐渐发展起来。真空三极管的发明，从而出现了调频式遥测设备。应用于测候气球上使用无线电通道进行遥测的系统在1930年试验成功，这是世界上第一部比较完善的遥测设备。

第二次世界大战以后，无线电遥测得到了很大的发展。特别是对于军用飞机的试验，大容量的多路无线电遥测系统开始研制，40年代以后开始实际采用。

随着火箭、导弹、宇宙飞船、人造卫星等先进宇航技术的发展，更进一步促进了遥测技术的的飞快发展，当前遥测技术已向深空宇宙发展。我国1970年成功地发射了第一颗人造地球卫星，以后又多次发射并使卫星成功地返回地球，这标志着我国无线电遥测技术得到了很大的发展。特别是我国在1984年4月8日发射的试验通讯卫星，于4月16日18时27分57秒成功地定点于东径125度赤道上空，星上仪器设备工作良好，通信、广播和电视传输等试验进行正常。这是我国航天技术的新飞跃的标志，也说明了我国的遥测遥控技术达到一个崭新的阶段。

无线电遥测技术已是一门比较成熟的技术。但就兵器无线电遥测技术来说，还是一门正在发展中的技术。随着兵器技术的发展，特别是末制导技术用于炮弹、战术火箭和航弹．以及新型战车的发展，遥测技术在兵器研制中将显得更加重要。它是缩短新型兵器研制周期不可缺少的手段，也是提高靶场试验效率的关键和得到试验数据的一种重要方法。特别是对于引信技术而言，由于引信是一次性使用产品，引信在自由空间以及在遇目标时的工作状态如何等等，而这些参数的测试用模拟或仿真的方式实在难以获得。要了解这些情况，无线电遥测就尤为重要了。