无线网络化综合系统（精选12篇）
无线网络化综合系统 篇1
摘要：利用3G网络实现了同时对多个分散的远程地点的综合监控。系统通过3G网络建立客户端与服务端之间的通信连接,利用Microsoft的关于数字视频的软件开发包VFW提供的视频采集、回放等API接口实现视频的采集,经H.264编码压缩后进行传输。服务端PC通过COMM控件收集监控终端数据,控制数据由TCP协议传输,视频数据由RTP协议传输。客户机端接收到图像后通过双线性内插算法对图像进行呈现,并实时显示被监测环境数据,达到远程无线监控的目的。
关键词：3G,VFW,H.264,远程监控,无线视频传输
现有的远程监控系统在实现原理上大致分为两类,一类为基于传统Internet的有线式远程监控系统,另一类为基于GSM等无线移动网络的监控系统[1],后者在工程造价、产品维护和市场前景上有绝对的优势。但现有的无线监控设备功能相对单一。随着3G等高速无线网络的普及,基于无线网络的综合监控系统将成为新的研究热点。“远程无线综合监控系统”正是利用了无线网络,实现对多个分散的远程地点的综合监控,如视频、温度、电气设备使用情况等。还可以根据需要增加如湿度监测等其他监测。由于其具有良好的适应性以及相对低廉的价格,易于进行推广,有广阔的市场前景。
1 系统整体设计
本系统采用两台计算机分别作为客户机和服务机,服务端由服务机及以单片机为中心的各个控制模块组成,包括摄像头采集图像模块、云台控制模块、无线发送和接收模块及现场监控模块。现场监控模块具有温度采集、人体红外检测、电气设备通断控制和声光报警功能。现场监控模块与服务机之间通过无线传输模块进行数据传输,使现场监控模块不受服务机位置的限制,而且可为多个,分别监控不同地点的数据。服务机接收到图像信息、温度和红外等数据后,将其压缩打包,通过3G网络发送给客户机。客户机接收到图像后通过双线性内插算法对图像进行呈现,并实时显示被检测环境数据,如绘制现场温度曲线、电气通断状态、有人进入时报警等,而且能远程控制现场电气的状态。系统整体框图如图1所示。
2 服务机编程实现
2.1 MFC程序构架
远程控制端MFC程序框架如图2所示。
2.2 现场采集端程序构架的实现
图像采集使用数字视频软件开发包VFW(Video for Windows)提供的图像采集接口函数:
为了实现图像的实时传输,必须减少发送图像的冗余信息,本系统的图像编码和压缩使用H.264编码图像[2],远程监控端通过注册回调函数,在采集到一帧图像后调用回调函数,在回调函数中调用图像压缩函数进行图像的编码压缩。
3 客户机编程实现
3.1 MFC程序构架
客户机端MFC程序构架如图3所示。
3.2 客户机程序构架的实现
客户机端接收到的图像数据必须经过解码才能进行预览,系统的解码器实现函数如下:
系统采集的图像分辨率为176×144,图像的尺寸很小。为了能更好地预览图像,系统采用了双线性内插值算法[3]来放大图像。算法描述如下:
对于一个目的像素,设置通过反向变换得到的浮点坐标为(i+u,j+v)。其中,i、j均为浮点坐标的整数部分,u、v为浮点坐标的小数部分,为取值[0,1)区间的浮点数。则这个像素值f(i+u,j+v)可由原图像中坐标为(i,j)、(i+1,j)、(i,j+1)、(i+1,j+1)所对应的周围4个像素的值决定,即:
f(i+u,j+v)=(1-u)(1-v)f(i,j)+(1-u)vf(i,j+1)+u(1-v)f(i+1,j)+uvf(i+1,j+1)
其中,f(i,j)表示源图像(i,j)处的像素值,以此类推。双线性内插值算法的计算量大,但是比最邻近插值法[4]放大的图像好,不会出现像素不连续的情况。
4 传输协议的选择
4.1 视频数据传输协议
视频监控系统处理后的图像需要通过网络进行传输。由于数字视频传输的信息量大而传输带宽有限,使得网络协议的选择成为视频在网络传输中的关键技术,它将直接影响到数字视频传输的实时性能和通过网络传输以后客户端接收的视频图像质量。由于TCP协议具有错误重传机制、拥塞控制机制、报文头比较大以及启动需要建立连接等特性,因此无法保证实时性,很难适应视频通信[5]。而实时传输协议RTP由底层协议UDP承载[6],由二者共同完成传输层协议功能。而UDP协议只是传输数据包,不管数据包传输的时间顺序,RTP协议则提供时间标签、序列号以及用于控制适时数据的流放的其他结构。UDP的多路复用可使RTP协议利用支持显式的多点投递,可以满足多媒体会话的需求。
RTP相关设置函数:
4.2 环境监测数据及客户控制数据传输协议
TCP协议提供了可靠的传输服务,包括报文序列、流控制、差错检验、优先级等。因无线采集端送到服务器端的数据量很小(大约12 B/s),在传输过程中监控数据不容许有丢包、误码等错误的发生,因此采用TCP作为监测数据及控制命令数据的传输协议,以保证传输过程中数据的可靠性。
TCP相关设置函数:
5 实验结果及分析
当监控系统独占网络运行时,通过网络数据抓包,根据数据包端口分析的视频数据每秒可达到30帧(每6帧一个关键帧),接收端图像大小为640×480,网络流量约为30 KB/s,如图4所示,而如图5所示的有线传输时流量约为35 KB/s。其原因是服务端上行速率远远小于下行速率,表现在宏观上,当用3G传输时较有线传输有约3 s的延迟。通过分析VC++输出,可知现场环境数据大约为每秒接收6个数据包(采集端1和采集端2各3个数据包),流量约为12 B/s。
通过分析以上实验数据可知,系统数据流量基本能适应3G网络的带宽,系统也基本实现了视频传输的快速性、实时性,而控制数据和监控端采集的数据包均无丢失,从而实现了监测与控制的可靠性,系统运行效果良好。
远程无线综合监控系统将会在众多领域中得到应用,例如无人车间、电站以及需要测量实时数据但不便于铺设线缆的场所。本系统采用的是采集端与服务器分离的结构,通过无线模块实现数据的传输,在空间上打破了利用电缆传输数据的局限性,所有的数据均经过特定的编码,编码范围为0~255。用户可以根据自己的需要配上合适的编码即可实现多点监控,具有良好的可扩展性。如果应用于工业生产,系统中的客户机和服务机均可由工控机代替,数据采集端为简单的单片机系统,用户在具备客户机与服务器的情况下若要增加监控端,仅需要增加数据采集端即可,价格非常低。另外,伴随着无线网络技术的发展,网络带宽会有更大的提高,而基于3G网络的无线智能综合监控系统可以利用网络的快速性,更好地满足人们的需求,实现实时、快速、准确。因此,在未来几年里,无线综合监控系统将会有极大的推广价值。
参考文献
[1]CHAVEZ J L.A remote irrigation monitoring and control system for continuous move systems.Part A:description and development[J].Precision Agri-culture,2010,11(1):1-10.
[2]斯文克.Visual C++MFC编程实例[M].北京:机械工业出版社,2000.
[3]WANG J X.On parallelizing H.264/AVC rate-distortion optimization baseline profile encoder[J].Jorunal of Information Science and Engineering,2000,26(2):409-426.
[4]冯永明,杨东勇,卢瑾.全方位图像展开的双线性内插值法[J].计算机工程与应用,2008,44(15):54-55,78
[5]刘丽君,骆婷.插值法在图像处理中的应用[J].电子科学,2009,15:9-10.
[6]孙桂斌.基于TCP/IP协议多客户连接的服务端程序实现[J].网络与通信,2009,29(7):83-85.
[7]SEO K D.A practical RTP packetization scheme for SVC video transport over IP networks[J].Etri Journal,2010,32(2):281-291.
无线网络化综合系统 篇2
1.1输液前(病人及输液袋条码标签的生成)(1)患者至药房取药，药剂师在给病人药物和处方时，用条码打印机打印二维条码，贴在药物和输液袋上;
(2)移动门诊输液管理系统输液病人先到输液中心的服务台，把药物、输液袋(印有条码标签或RFID标签)交给护士;
(3)护士打印输液标签前，用PDA扫描药袋和输液座位牌上的条码，确认病人的身份和输液座位信息后，打印形成附带条形码的双联输液标签，使病人身份与药物产生唯一关联标识。
(病人姓名、药物、输液座位号等);(4)病人凭发票等向护理人员领取输液座位牌，到规定的输液座位上，静等护士的服务。
1.2 输液中(护士对输液病人及药物的条码核对)：护士按规定配置液体(相对净化的配置室内完成)，贴好标签后交给输液护士。
在病人接受输液及接瓶前，输液护士先用PDA扫描药袋、对其身份及药物条码进行扫描匹配，实现快速、准确的识别。
当对药物、座号信息及病人身上佩戴输液座位牌确认无误后，护士开始给病员输液。
同时记录了输液操作服务的时间点、操作人员等信息。
病人在需要帮助的情况时(接瓶、结束输液或发生其它特殊情况时)，可自行按下无线呼叫器按钮(设在输液椅的扶手侧面或其它不易误触发的位置上)，并有提示灯闪烁。
请求服务的信息通过无线网络，在输液室的任何地点正在忙于处理工作的护士手腕上的PDA即可进行无线数据接收，并会发出提示音及屏显某座位号、病人信息、输液信息等的请求帮助，护士及时赶到解决输液病人的要求，或转请其它护士协助解决。
1.3输液后(病人身份核对)：当病人结束输液后，护士用PDA核对病人身份条码及相关输液信息，确保输液正常完成。
输液结束后，系统解除患者与座位号的绑定，便于接收下一位患者。
2总结
基于无线网络的门诊输液系统的实施，将进一步提高医疗服务人员的效率，优化医疗服务的流程，显著减少医疗差错，提高医疗服务质量，确保患者在正确的时间内得到了正确有效的治疗。
基于无线网络的医疗无线网络技术，将在以临床方面为主导的医疗系统中，具有广阔应用前景，极大地推动医院信息化建设的步伐。
无线网络室内定位系统研究 篇3
【关键词】 无线网络 室内定位 ZigBee 定位引擎
一、前言
随着计算机技术的快速发展和通信网络的普及，室内家电设备的单片机化和智能化得到了快速的拓展，促进了无线定位、组网技术、数字家庭等现代化理念不同程度的融入到人们的日常生活中来，提高了居家生活的自动化水平。无线技术的快速发展和不断成熟对新型无线业务的发展提供了条件，随着社会的发展，需要使用定位功能的应用越来越多。为了有效解决各类应用的自动定位问题，人们首先研发了基于卫星的全球定位系统，这种系统的定位精度较高，在军事领域解决了很多问题。但是，如果需要定位的设备位于室内时，这种定位方式的精度会显著下降。因此，需要对新的更优良的定位技术进行开发和研究，以弥补全球定位系统的不足。
到现在为止，比较常见的定位技术包括无线局域网、红外线、RFID和超声波技术等。已经应用到实际环境中的典型系统包括E-911、LANDMARC、Activebadge等，这类系统在工作原理和开发成本上都存在很大的区别，同时，不同系统的定位精度也存在不同。但是，如果只考虑室内移动设备的定位研究，则主要包括基于网络的和基于移动设备的方式。前者主要是根据不同的参考基站与移动设备的通信信息，并结合网络拓扑来计算设备的实际位置；后者则是根据移动设备当前与以前的和其通信基站的交流信息进行对比，来对设备的自身位置进行计算，GPS就是该领域最常用的应用。无线网络定位技术是使用无线射频信号或红外线信号等传输媒体构成的网络通信系统，因为不使用有线介质，因此能够满足网络用户随身化的需求。当前的短距无线技术主要包括无线局域网技术、蓝牙技术、ZigBee技术、NFC传输技术和超宽带技术，尤其是ZigBee技术已经成为领域研究的热点。和其他的技术对比，ZigBee具有低功耗、低速率和低成本的优秀特点，填补了当前无线通信领域的市场空缺，该技术的成功关键不只是因为本身的技术优势，还在于其功能的丰富性和使用的便捷性。所以，本文基于ZigBee技术，对高定位精度、高使用便捷性的室内定位系统进行了研究。
二、室内定位系统研究
2.1硬件设计
本室内定位系统的设计主要包括控制单元和基于ZigBee技术的无线通信网络系统两大部分构成。其中，系统控制单元主要是用来对定位数据和网络中的各个节点信息进行记录的构件。比较常见的控制单元包括ARM控制器和个人计算机等。但是，通常情况下，二者都不具有嵌入式的射频收发功能。所以，在实际的使用过程中，还需要和外部射频模块相连接。
基于ZigBee技术的无线网络主要使用IEEE802.15.4标准及ZigBee技术网络协议，该无线传输网络主要包含1个网关（该网管是ZigBee网络的的协调器，主要对整个无线网络服务的定位进行控制和协调，另外还对网络的当前状态进行检查）、不少于3个的参考节点（参考借点是位置已知的设备节点，而且要求该设备的物理位置保持固定不变）、以及定位节点（定位借点的位置会随着位置的变化而变化，详细的位置信息基于接收的参考节点位置，并通过硬件定位引擎的计算得到的）。
本系统在设计过程中，网关和参考节点使用CC2430射频芯片，定位节点使用支持2.4GHzIEEE802.15.4/ZigBee协议的、具有定位引擎硬件的CC2431射频芯片，控制器使用Samsung的处理器S3C2410。在数据的传输和处理过程你高中，网络节点间使用无线传输模式，而控制器和网关之间则使用串口通信的方式。
2.2定位算法概述
定位系统在接收到几个参考节点发出的信号以后，定位节点要对所得信号的传播损耗进行独立的计算。然后根据经验模型和理论化依据，把计算结果转化为实际的有效距离，最后再使用已有的算法对定位节点的真实位置进行定位。
接收信号的强度理论值计算公式为：
RSSI=-（10n*lgd+A）
其中，d表示设备到发射器之间的长度；n表示信号的传播常量；A表示1m处位置接收信号强度。
从公式中可以明显的发现，信号的强度与到发射器间的有效距离成对数衰减关系，定位节点和发射器间的长度离得越近，则信号强度偏差所产生的绝对距离误差就会越小。当这一距离到达某一个特定的数值以后，由RSSI波动造成的绝对距离误差就会显著的增大。
在实际的使用过程中，室内定位节点会使用较大的RSSI值的前面几个参考节点进行定位计算，这样能够有效降低系统带来的定位误差。这一硬件技术的要求比较低，使用的算法也相对简单。但是，由于定位设备所处的环境会经常变化，因此在实际的使用过程中要进行改进。
与一些常见的定位技术相比，CC2431定位引擎的定位速度快、定位精度高，而且在定位过程中不占用过多的处理器时间，因此可以作为本系统设计过程中的定位模块。
2.3软件系统介绍
本系统的开发主要基于Linux系统平台，在程序开发环境中对定位系统的图形化操作界面、信息展示界面和定位图形监控界面进行编写，并将其移植到控制单元ARM中。
在设计系统的串口程序过程中，需要首先建立一系列的数据发送和接收线程，在主函数中要使用信号机制实现数据的时时传递。详细的系统操作流程如下图所示：
三、结论
定位技术是无线网络技术在室内应用的主要支撑技术。该技术是对GPS技术的扩展和补充，在医疗救助、设备监测、物流跟踪、火灾报警等领域具有非常迫切的市场需求，因此具有广阔的市场应用前景。本文主要根据最近几年来的室内定位研究成果，对室内定位系统的设计思路和定位技术的模型分析进行了总结和归纳，对定位系统的硬件结构、定位算法和基本定位流程进行了研究和设计。由于室内楼层之间存在很多不确定的因素，而且定位数据的传输较其他环境也具有更大的复杂性，所以，对室内定位系统的研究必然会成为未来定位技术的研究热点。未来的室内定位技术要以高定位精度、强适应性和对环境、时间波动的适用性为前提，并能够进行快捷的、方便的部署，这对系统的推广和应用十分重要。
参 考 文 献
[1]翁宁龙，刘冉，吴子章.室内与室外定位技术研究[J].数字应用与技术.2011，11（5）：179.
[2]王小建，薛政，曾宇鹏.无基础设施WIFI室内定位算法设计[J].通信学报，2012，33（11）：240-243.
无线网络化综合系统 篇4
关键词：综合录井,无线传感器,无线传输,录井软件,采集接口
无线网络技术是当今世界发展的最为迅速的领域之一, 其应用已渗透到人们生活的各个方面。在录井行业中, 综合录井仪在向集成化、小型化、多功能方向发展, 应用无线网络技术实现传感器信号的无线传输是必然的趋势。
目前在用的综合录井仪传感器信号的传输大多是通过信号电缆进行通信和供电, 主要采用分线制或CAN总线两种方式, 但这两种方式安装、拆卸时劳动强度大, 安全风险较高且影响美观, 而且由于井场电动设备多, 也容易产生电磁干扰。与传统的有线传输方式相比, 无线网络传输技术具有安装拆卸方便、移动性强、传输范围大和抗干扰能力等优点, 特别适合于钻井井场这种复杂的环境。综合录井数据的无线传输, 使得录井仪器房的位置不再受到线缆的限制, 不仅简化了录井设备的安装, 还避免了电缆传输安全隐患, 而且无线传输可通过相应的技术手段避免电磁干扰, 确保录井数据传输的准确与完整[1,2]。
1 无线传输系统总体结构
综合录井仪无线传输系统主要由三个部分组成:无线传感器节点系统、无线数据采集系统和无线综合录井软件 (安装在服务器上) 。各个无线传感器节点分布在钻井现场, 探测需要采集的物理量信号, 将其转换为数字信号后通过无线网络发出;无线数据采集系统通过网线与服务器相连, 接收无线传感器节点发出的无线信号, 解码后传送至服务器;服务器上的无线综合录井软件接收采集信号, 对数据进行加工、分析和显示。系统各个部分基本上实现无线连接。
2 无线传感器节点
组成无线传输系统的无线传感器节点, 与传统的只对探测的物理量信号转化为数字信号的传感器相比, 增加了供电模块、数据处理与无线通信功能。无线传感器节点由数据采集模块 (传感元件与A/D转换电路) 、供电模块 (充电电池) 、数据处理模块 (微处理器、存储器) 和无线通信模块 (短距离无线收发电路) 4部分组成。
无线传感器节点将数据采集模块、供电模块、数据处理模块和无线通信模块集成在一个物理单元上。数据采集模块实现常规传感器采功能, 将探测到的物理量信号转化为模拟信号或脉冲信号, 模拟信号经A/D转换电路变为数字信号, 脉冲信号则经倍频、鉴相或者计数、测频后变为数字信号。数据处理模块接收采集模块输出的数字信号, 将其存入存储模块, 等待发送命令, 接到命令后则将数据输送给无线通信模块, 无线通信模块再编码、发送出去。无线传感器节点的设计要求实现小型化、低能耗、抗干扰能力强和满足工业防爆等级等。供电模块则是为无线传感器节点提供电源的设备。
无线通信模块采用的通信技术选用Zig Bee技术。Zig Bee技术是一项基于IEEE 802.15.4标准的短距离、低功耗无线技术, 其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本, 且工作在2.4GHz ISM免费公共频段, 无需经过无线电管理机构审批, 是一种便宜的、低功耗的无线组网通讯技术, 比红外数据传输、无线局域网 (Wi-Fi) 和蓝牙 (Bluetooth) 等无线通信方式更适合录井现场无线传感器网络的需求[3]。
3 无线数据采集系统
无线数据采集系统由无线通讯模块 (短距离无线收发电路) 、数据处理模块 (微处理器、存储器) 和信号传输接口3部分组成。
无线通讯模块接收无线传感器节点发送来的无线信号, 将其放大、解码, 在数据处理模块的控制下, 经信号传输接口传输给服务器进行分析与处理。无线数据采集系统与服务器一般通过网络端口进行通信。
4 无线综合录井软件与无线客户端
无线综合录井软件同常规录井软件的区别在于可兼容无线传感器网络数据的采集功能。开发的无线综合录井软件采用B/S系统构架, 用户通过IE浏览器的方式访问软件。无线综合录井软件的采集接口能涵盖现有的大多数通信方式, 扩展性、灵活性强, 实现了串口、UDP和TCP/IP三类采集接口协议自定义。用户根据无线网络传输方式设置接口协议, 即可实现传感器信号的采集。
通过无线综合录井软件, 用户还可以实现客户端的无线访问。在综合录井仪中安装无线路由器, 在井场形成无线局域网, 客户端只需连接上该无线局域网, 即可通过IE浏览器打开服务器网址访问无线综合录井软件, 实现服务器与客户端之间的无线化, 既方便了钻、录井和监督人员对井场情况监控, 又节省了服务器与终端之间大量的视频线。
5 结语
应用无线网络技术实现综合录井数据的无线传输必将在今后几年内得到广泛的应用, 录井数据的无线传输具有简化录井设备的安装拆卸、避免有线传输的安全隐患和抗电磁干扰强等优势。文章的介绍的综合录井仪无线传输系统实现了传感器与采集系统之间、服务器与客户端之间数据传输的无线化, 录井软件的无线访问采用无线局域网。通过测试表明, 该系统数据传输稳定精确, 简化了录井设备的安装, 降低了录井工作成本, 便于现场的推广使用。
参考文献
[1]高岩, 陈亚西, 张良伟, 等.一种基于无线传感局域网络的钻井多参数监测系统的现场应用[J].录井工程, 2007, 18 (2) :54-59.
[2]张策, 甄建, 季艳.综合录井仪传感器信号无线传输方法探讨[J].录井工程, 2010, 21 (2) :64-67.
无线网络化综合系统 篇5
铁路无线网络智能视频监控
系统方案
杭州海康威视数字技术股份有限公司
2009-4-20 杭州海康威视数字技术股份有限公司
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铁路无线网络智能视频监控系统方案
目 录
1概述.............................................................................................................................3 2需求分析.....................................................................................................................3 3系统设计.....................................................................................................................4
3.1 前端采集设备..................................................................................................4 3.2 视频分析与编码设备......................................................................................4 3.3 无线传输网络..................................................................................................4 3.4 监控中心..........................................................................................................4 4功能应用.....................................................................................................................5
4.1视频实时监控...................................................................................................5 4.2智能视频分析...................................................................................................5 4.3电子地图...........................................................................................................5 4.4报警集中管理...................................................................................................5 4.5权限管理...........................................................................................................6 4.6安全管理...........................................................................................................6 5关键设备选型.............................................................................................................6
5.1智能视频服务器...............................................................................................6 5.2无线路由器.......................................................................................................7 6系统特点.....................................................................................................................7
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铁路无线网络智能视频监控系统方案
1概述
在各种交通运输方式中，铁路不仅具有运能大、运距长、成本低的特点，还具有占地少、能耗低、污染小的优势。目前中国大量长距离物资运输和中长途旅客运输主要由铁路承担，每年完成的旅客周转量约占全社会旅客周转量的1/3多，完成货物周转量约占全社会货物周转量的55％。因此，铁路作为国民经济的大动脉，在社会主义建设中发挥了重大作用。铁路系统是国家重要的运输部门，其日常的稳定运行决定了国民生产、生活的正常运转。
随着铁路营运线路的加长，铁路提速的发展，如何保证铁路沿线的安全就显得越来越急迫。目前，大部分铁路沿线的安全保卫工作都还是采用人工巡视的方式，铁路沿线跨度大、点位多、地点分散、现场环境复杂，使得日常安全管理工作变得非常困难。如果采用传统的人工监控的方式，不能适应铁路安全管理的实际需要。由于人类自身的弱点，在同时面对多个画面以及需要全天24小时监控的情况，很有可能在危险发生时不能做出及时的响应和处理，从而存在很大的安全隐患。
因此，在整个铁路沿线建立一套技术先进、使用方便、布防严密的智能视频监控系统具有十分重要的现实意义。
2需求分析
对铁路沿线进行监控，利用区域入侵防止人员进入铁路监控区域； 对铁路沿线周边重点区域进行人员逗留检测，预防危险事件的发生； 对铁路沿线危险物品遗留检测，防范蓄意破坏铁路设施的恶性事件的发生； 对岔道口、交叉路口等处进行遗留物侦测；
监测铁路沿线的隧道、重要桥梁，防止异常行为发生； 实时监测泥石流、路段塌方等自然灾害并提供报警； 视频信号实时监测，对视频丢失、视频遮挡等情况自动报警； 能适应雨雪等恶劣天气、全天24小时工作；
报警信息能联动监控中心语音提示、电子地图等功能； 能实时调阅任意监控点的图像和录像文件。
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铁路无线网络智能视频监控系统方案
3系统设计
系统拓扑图如下图所示。
摄像机智能DVS无线路由器电视墙CDMA摄像机智能DVS无线路由器INTERNET解码器模拟网线摄像机智能DVS无线路由器铁路无线智能视频监控系统管理服务器客户端
3.1 前端采集设备
在铁路沿线、岔道口、铁路与公路的交叉口以及隧道与重要桥梁等处安装摄像机以采集现场实时视频图像。考虑到无线传输的带宽限制，采集图像的质量建议为CIF。建议在铁路沿线每隔200米左右架设一台摄像机，在夜晚情况下需要使用带有红外功能的摄像机或增加补光设备。3.2 视频分析与编码设备
各监控点的视频图像通过视频线就近接入到智能视频服务器，即智能DVS。智能DVS主要完成两个功能：一是根据用户设定的警戒规则对输入的视频图像进行实时分析，发现报警上传报警信号至监控中心；二是完成视频的编码压缩工作，以便通过网络进行传输。3.3 无线传输网络
考虑各监控点比较分散，网络传输采用基于CDMA无线网络传输。将智能DVS通过网线接入到无线路由器。智能DVS的IP地址与无线路由器的地址设置为同一网端，网关指向路由器地址。以大功率基站加特殊方向图天线的方式为设计原则，如果有特别的地方无法覆盖，再考虑使用中继方式，做到无线信号全面覆盖。3.4 监控中心
在车站的每个路段设置监控中心，部署宽带网络、管理服务器、电视墙以及监控软件等。无线网络最终在监控中心与内部有线网络结合，监控中心需要有一个固定的公网IP。监控中心的工作人员可以在管理服务器上安装视频监控软件，通过监控软件，观看现场情况，也可以将远程图像直接解码上传电视墙，供多人杭州海康威视数字技术股份有限公司
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铁路无线网络智能视频监控系统方案
观看，或现场集中指挥等。
4功能应用
4.1视频实时监控
系统可实现大容量、分布式的监看监听，可实现在监控中心的监控大屏幕或监视器24小时监视各监控点的所有图像信息，对前端监控点视频进行7*24小时实时分析。4.2智能视频分析
系统自动检测识别周界防范、区域入侵、物品遗留、人员徘徊、视频丢失、视频遮挡等行为。
视频分析报警示意图
4.3电子地图
为使操作者能方便、直观的进行操作，提供电子地图功能。在电子地图上标有各网点各摄像机的位置，通过点击这些摄像机图标便能直接调用这个摄像机的图像进行浏览。
支持双屏显示的电子地图与图像信息，支持多层级的电子地图关联显示，可通过电子地图反映报警点的状况信息，并通过电子地图实时调阅现场视频信息；报警后自动展开电子地图。4.4报警集中管理
报警可集中上传到监控中心，根据预先设置好的联动动作进行处理外，还以声音等方式及时提醒管理员注意并处理。联动动作包括：
所有报警均记入日志；
当报警发生时，显示报警发生地具体位置，并在电子地图上突出显示位置； 当报警发生时，通过声音和画面提醒有报警发生； 当报警发生时，触发相关IO输出；
当报警发生时，在电视墙上显示相关视频图像；
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铁路无线网络智能视频监控系统方案
当报警发生时，触发集中存储服务器录像。4.5权限管理
系统具有精细权限管理功能，能对系统中所有权限用户进行统一、准确、精细的管理和权限划分，可设置不同用户角色，按照角色分配权限。4.6安全管理
系统实行操作权限管理，按实际的管理架构对每个用户赋予不同权限等级；系统登录、操作都需要进行权限查验；
系统所有重要操作,如登录、控制、退出、报警确认等，均有操作记录，系统可对操作记录进行查询和统计，所有操作记录具有不可删除和不可更改性。
5关键设备选型
5.1智能视频服务器
产品厂家：杭州海康威视数字技术股份有限公司 产品型号：DS-6101HF/B 产品类型：视频服务器，DVS。
视频压缩标准：H.264。
视频处理芯片：DAVINCI处理器。
功能特点：
基于最新TI DAVINCI处理器平台开发，集成度高；
采用H.264视频压缩技术，压缩比高，且处理非常灵活；
支持完整的TCP/IP协议簇，支持视频、音频、报警、语音数据、串行数据通过TCP/IP网络传输；
支持PPPOE、DHCP协议；
内置WEB预览功能，可进行IE访问；
支持云台与电动镜头的控制，支持多种解码器协议，可进行预置位、巡航、轨迹的设置与调用；
RS-232接口支持网络透明通道连接；
支持双向双工语音对讲、单向语言广播；
具有报警输入、移动侦测报警、遮挡报警、报警联动输出等报警功能。
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铁路无线网络智能视频监控系统方案
5.2无线路由器
用户可根据应用具体需要自选。
6系统特点
采用先进数字化监控设备——智能DVS，操作简便；
系统7*24小时实时自动分析判断各种可疑行为，有效保护铁路免遭犯罪分子的破坏；
基于无线网络传输，在保证视频传输效果的前提下节约开支； 整个系统具有一定的扩容能力。
杭州海康威视数字技术股份有限公司
总部地址：中国 杭州 马塍路36号（310012）
无线网络化综合系统 篇6
关键词：3G无线网络；视频监控；Opencv
中图分类号：TN919.8 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 09-0000-02
传统的视频监控系统必须依赖于有线环境，因此在一些需要临时布控有线网络或者干脆无法布控有线网络的应用场合如矿井油田，电力线路和交通工具等，传统有线视频监控系统是无法适用的。目前为了解决这一问题，监控领域研究的热点和重点已经转移到对无线视频监控系统的研究上来。虽然基于无线局域网的视频监控方案能够很好地解决有线视频监控携带不便的缺点，但依然摆脱不了在进行远程监控时有线网络覆盖和传输距离的限制。在对视频进行压缩方面，广泛使用的MPEG-4算法的压缩率仍然不能适应无线视频监控的要求。在这种情况下，笔者结合多年实际工程经验，提出一种基于3G无线网络是视频监控系统。使用Opencv采集视频数据，大大提高了系统稳定性和执行效率。通过采用具备更高压缩率的H.264算法对视频进行压缩，大大降低了视频帧的数据量，有效地解决了3G带宽资源有限的问题，具备显著的实际应用价值。在可覆盖性方面，采用3G无线网络比无线局域网效果更好。
一、监控系统的硬件设计
监控系统的硬件部分组成模块包括主控制板模块，视频采集模块和视频传输模块。USB摄像头构成系统的视频采集模块，根据控制指令对视频进行采集编码，然后将经过编码后的图像传输给主控制模块。系统主控制模块将从摄像头采集到的视频信息进行压缩编码处理，然后将视频流封装成RTP帧。系统3G传输模块负责传输封装好的视频数据。系统硬件架构如图1所示
为了提高系统的性价比和便携性，有别于一般视频监控系统采用的DPS&ARM架构，本系统采用高性能的ARM架构作为主控制模块。采用S3C6410作为主控制板模块的核心处理器。该处理器是三星公司在第二代ARM内核基础上开发的一个高性能处理器，广泛应用于多媒体信息处理，其运行频率高达667MHz。正是因为S3C6410具有如此优越的性能，使用该处理器可以高效地实现基于H.264算法的视频编解码，避免额外搭建用于视频编解码的硬件电路，因此大大降低了开发成本，提高了系统可靠性。
二、监控系统的软件设计
（一）搭建操作系统平台
基本的嵌入式运行环境是由设备驱动程序，Linux内核以及U-boot引导程序构成的，视频的采集，编码还有传输由系统的应用层负责。系统总体软件结构如图2所示。
图2 软件层次结构
内核和根文件系统是嵌入式操作系统平台的主要组成部分。本系统采用Linux2.6.32作为内核，作为一种应用广泛的开源操作系统，Linux具备裁剪方便和可移植性强等优点。只需适当裁剪和配置源代码，然后创建镜像文件将其下载到硬件平台就可以了。本系统的根文件系统是cramfs，作为一种简单的，可压缩的只读文件系统，它能大大节省内存空间，还能通过挂载yaffs文件系统实现写操作。
（二）采集视频数据
V4L是大多数传统嵌入式视频采集的主要方式，V4L方式的可靠性和采集效率都不高，因此本系统采用Opencv方式采集视频数据。Opencv(Open Source Computer Vision Library)是一种跨平台的计算机视觉库，广泛应用于数字图像处理，经BSD许可证授权发行，由英特尔微处理器研究实验室开发。可移植性强，稳定性高，开源高效是该视觉库的显著特点。因此采用Opencv进行视频数据采集就能够大大提高系统可靠性，节约开发成本和缩短开发周期。本系统使用Opencv采集到的视频图像都是RGB格式的，需要将其进行YUV格式的转换，然后进行压缩编码。
（三）压缩视频数据
H.264视频压缩标准是由MPEG（国际化标准组织运动图像专家组）和VCEG（国际电信联合会ITU视频编码专家组）共同组合的JVT（联合视频组）联合制定的。和其他视频压缩标准相比，H.264具备更优秀的图像质量和更高的压缩效率，因此其应用前景异常广阔，具备巨大的研究价值，是目前最流行的视频处理协议。
目前主要存在几种基于H.264的开源解码軟件，分别是中国的T264，法国的编解码器x264和德国的测试软件JM。通过对这三种编码软件进行比较，发现x264具备更高的实用性，能够显著降低编码的重负计算复杂度而不致使编码性能显著降低，去除了H.264标准中的那些计算复杂度高但编码性能低的新特性。考虑到本系统的操作系统平台是嵌入式平台，因此选择高效轻巧的x264方案。
（四）视频传输
传输压缩后的视频数据是通过3G网络连接因特网实现的。实时传输网络视频数据对于时延和传输丢包的要求比较高，因此需要通过配合使用实时传输协议（RTP）和实时传输控制协议（RTCP），以期同时提供Qos和实时传输数据服务。RTP作为一种实时传输协议，位于UDP和TCP协议之上，具备提供端到端传输服务的能力，在通过点播和组播实现实时数据的传输方面具有无可比拟的优越性。视频传输模块的主要功能是封装经过H.264算法压缩的视频流为RPT数据包，并通过周期性地接受和发送RTCP包进行反馈控制。封装单独的NAL单元是本系统采用的封装方案。首先，将视频流封装成RTP数据包，接着继续封装成UDP数据包，最后一步再封装成IP数据包，以期实现在网络中的传输。然后通过3G网将IP数据包传送到接收端。IP数据包到达接收端之后，接收端提取IP数据包中的视频流数据和RTP报头，以RTP报头含有的序列号为依据，在接收端缓存中存入视频流数据，以供解码器进行解码输出。具体的传输步骤如图3所示。
本系统RTP/RTCP视频传输的实现依赖于JRTPLIB库，这是一个开源的面向对象的RTP/RTCP协议栈。视频数据的高速传输可以通过该库提供的相应借口实现，能够大大缩短开发周期。下载JRTPLIB3.4.0代码，然后将其移植到Linux上，即可编码实现PC机和ARM之间的视频数据传输。主要实现步骤为初始化，发送数据，接受数据。
三、性能分析
本文进行的实验是在三星公司的S3C6410开发板上进行的，将应用程序烧写进开发板并运行，开发监控终端测试是在远程PC机上的Visual C平台上完成的，程序运行结果良好。
在实际应用中，通过测试不同格式图像的实际传输帧速，结果如表1所示。由表1可以看出，即使使用经典的CIF分辨率，在3G网络环境一般的条件下其传输帧速也能达到19FPS上下，实验结果满足视频监控的实际应用需求。
四、结论
本文设计了一个基于3G无线网络的嵌入式视频监控系统，采用H.264编码标准。该系统使用高性能的ARM2代处理器为自己的核心，以对采集到的视频数据进行控制，实现H.264编码，最后在3G网络中采用RTP协议实现H.264视频流的稳定和实时传输。经过实验测试，该方案的可行性比较高，处理后的视频质量较好。该系统能适应森林防火监控，移动平台和电力线路等多个应用领域，市场前景广阔，具备较大应用价值。
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[7]沈海军,顾豪,朱春颖.H.264标准在实时监控系统中的应用研究[J].青春岁月,2011,6
无线网络化综合系统 篇7
1 无线传感网络中的无线传输系统的研究现状
无线传感网络已经被广泛的应用于军事领域与国防领域以及其他一些相关领域, 传感器网络是指集定位、监视、情报、计算机、通信、控制、指挥为一体作为一个战斗指挥系统的一个组成部分, 传感器技术的应用可以大大降低战争的伤亡率。在农业领域, 无线传感网络的应用可以代替人类去到一些危险的地方进行数据的采集和收集;同样在很多大型仓库、建筑物、大型工业园区都有用到无线传感器网络。无线传感器网络是由很多传感器节点连接在一起组成, 对这些节点实施自动的数据采集和监控, 并通过无线传输系统将相关数据传输到受人类控制的计算机上。我国对于无线传感网络的研究虽然相对于发达国家起步较晚, 单也取得了一些科技成果。通过各种无线通信技术的研究, 增大了无线传输的距离, 也使得无线传输的稳定性越来越高。
2 无线传感网络中的无线传输系统的总体设计
无线传感网络中的无线传输系统主要是要设计一个应用了无线通信技术, 从而实现数据高速回读并且能够将数据通过无线传输系统传输出去的远程无线通信系统。该系统可以分为上位机、从控与主控系统三大部分。各个测试传感器节点负责测量数据, 从控系统将传感器节点测量的数据从Flash存储中读取出来, 然后通过无线传输系统传输给主控系统, 用户可以实现在远程的计算机上对测量数据进行读取、检测、查询等操作。
在无线通信系统中, 从控系统的主要组成部分有:数据回读电路、内部时间同步电路、系统控制模块、无线收发模块几部分。上位机信号是以无线电广播信号的形式对主控机进行触发, 系统随即进入工作准备就绪状态。主控系统在接收到触发信号后, 向从控系统发送时间同步指令和控制指令, 保证所有的从控系统从Flash存储中读取数据的时间是同步的, 数据读取结束后, 为了避免码间串扰和无线信道堵塞, 从控系统按照通信协议中节点的编号次序依次向主控系统周期性的发送数据包。
无线传感网络中的无线传输系统的设计主要可以分为三大模块:上位机, 由计算机与无线传输电台组成;主控站, 串口与计算机及数字传输电台连接组成;从控站, 由多个从控节点组成。
3 无线传感网络中的无线传输系统的硬件设计
在无线传感网络的无线传输系统的设计时, 大多对无线通信系统中的功耗、传输距离、无线传输速率、数据回读速率有要求, 这就需要在进行无线传感网络中的而无线传输系统的硬件设计时, 要选择各项指标都能达到相应要求的器件。
微控制器选用MSP430f169, 这是一种低功耗的16位微控制器, 它的编程方法相对简单, 可以快速的处理数据, 对于系统对数据的处理效率有了很大的提高, MSP430f169有着丰富的I/O接口电路, 能够接看门狗电路、硬件乘法器、AD转换器、时钟系统等外围模块, 通过数据总线和地址总线与它们相连。
无线通信系统中通常采用n RF24L01无线收发芯片, 它里面包括解调器、调制器、晶体振荡器、功率放大器、增强型模式控制器、功率发生器等器件。主控系统主要由计算机、RS232电路、数字传输电台、n RF24L01、MSP430f169组成。从控系统主要是通过USB接口从外部存储设备中将数据读回到MCU, MCU将数据通过SPI串行接口写入到无线收发模块n RF24L01, n RF24L01再将数据发送到主控站。
4 无线传感网络中的无线传输系统的软件设计
上位机, 在计算机里编译程序, 从而实现对从控系统和主控系统的控制触发, 并且具有接受数据、存储数据、分析数据的功能。从控系统主要作用是作为探测节点对数据进行高速回读, 然后再通过无线传输系统将数据发送给主机。主控系统接收到数据, 向从控系统发送控制指令。
在对无线传输系统的软件进行设计时, 首先数据的传输需要遵循各种不同的传输协议, 通过不同的协议内容选择不同的传输方式。软件设计的内容主要包括:上位机的软件设计、中继控制程序的设计、探测节点收发程序的设计、时间统一同步软件设计, 在此不再一一做以介绍。
5 结束语
随着时代的发展, 人们对于数据传输的要求, 已经从复杂的有线传输变为无线传输, 传感器技术的应用, 无线传感网络的组建, 在各行各业的生产实际中都得到了广泛的应用, 并且起到了简化劳动过程、节省劳动力、增加安全可靠性、大大节省工作效率的作用, 由此可见, 对于无线传感网络的研究是有必要的, 而无线传感网络的数据传输的有效性和稳定性则离不开无线传输系统的研究。
摘要：无线传感网络是一种新型的数据信息获取与处理技术, 无线传感网络的组建, 综合了分布式信息处理技术、微电子传感器技术以及无线通信技术, 在很多工业控制中被广泛使用, 无线传感网络中在对数据进行传输时主要采用的技术有蓝牙、GPRS、WIFI等技术, 但是这些技术在进行数据传输时往往又存在传输距离近、传输速率低、传输安全性能不高的问题。随之无线传输系统应运而生, 本文就将探讨无线传感网络中的无线传输系统。
关键词：无线传感网络,无线传输系统,计算机技术
参考文献
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[4]魏连花, 赖松林, 程树英, 陆培民.一种静态图像的采集传输系统[J].电子技术, 2013 (1) .
无线网络化综合系统 篇8
1.1 研究背景及现状
无线传感器网络 (Wireless Sensor Network, WSN) [1]是集信息采集、信息处理、信息传输于一体的综合性学科。无线传感器网络可广泛应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域, 如受到污染、环境被破坏或敌对区域和一些临时场合, 如发生自然灾害、固定通信网络被破坏等场所。它不需要固定网络支持, 具有快速展开、抗毁性强等特点, 可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域。无线传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿热点研究领域, 是信息感知和采集的一场革命, 被认为是21世纪最重要的技术之一, 它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。2003年2月份的美国《技术评论》 (Technology Review) 杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术, 传感器网络被列为第一;美国商业周刊认为, 传感器网络是全球未来四大高技术产业之一;美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革;2004年《IEEE Spectrum》杂志发表一期专集:传感器的国度, 论述了无线传感器网络的发展和可能的广泛应用;近几年来在美国国防部高级规划署、美国自然科学基金委员会和其它军事部门的资助下, 美国科学家正在对无线传感器网络所涉及的各个方面进行深入研究。可以预见, 无线传感器网络的发展和广泛应用, 将对人类的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。
1.2 概念
传感器 (Sensor) , 是指能够把外部物理信号转化为电信号的装置。传感器可以接有线, 也可以接无线。
传感器网 (Sensor Netorks) 通常强调是无线传感器网络 (Wireless Sensor N e t w o r k, W S N) 。传感器信息一般被认为是低速率、短距离、低功耗, 因此组网上有特殊性, 主要特征是无中心的自组织网络。
无线传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。从2000年起, 无线传感器网络便引起了学术界、军界和工业界的极大关注。国际上开始出现一些有关无线传感器网络研究结果的报道。美国自然科学基金委员会于2003年制定了无线传感器网络研究计划, 投资3400万美元, 支持相关基础理论的研究。
无线传感器网络应用潜力巨大.可以广泛应用于军事、环境监测、智能家居[2]、健康护理[2,3,4]、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型工业园区的安全监测等领域[5]。
无线传感器网可以看成是“传感器模块+无线组网模块”共同构成的一个网络。无线传感器仅仅感知到信号, 并不强调对物体的标识和测控。无线传感网的感知更让人觉得是一个单向信息采集的网络。例如可以让温度传感器感知到森林的温度, 但并不一定需要标识哪根树木。
无线传感器网络和无线个域网 (W P A N) 、无线体域网 (W B A N) 以及其他特殊无线网络同属于常说的短程无线互联的范畴, 国际上也分属于不同的标准化组织。我国新成立的无线传感网标准组也是从802.15.4无线个域网标准组中分拆出来的。
2、无线传感器网络应用实例——医院病人无线呼叫系统
2.1 概述
传感器网络在医疗卫生和健康护理等方面具有广阔的应用前景。因此, 国内外很多机构包括国际著名的行业巨头已开始面向医疗领域对传感器网络进行研究以及产品研发。这已充分预示着传感器网络技术和产品在医疗健康领域的应用不久将成为现实。目前国内外已有多家机构在研究传感器网络在医疗行业的应用, 并已研发出相应的初级产品[3]。
病床状况事关病人的生命安全, 如何实现稳定快速地了解病床的状况是摆在人们面前一个必须解决的问题。某公司开发的医院病区无线呼叫、报警系统是采用无线单片机技术设计的低成本无线网络实用系统。
该系统采用无线双向网络通讯, 可以极低的成本, 实现医院病床液滴, 液位报警功能和病员紧急呼唤等功能;该系统由每层楼的一台主机 (PC机) 和若干在无线路由器组成的无线网络系统, 病员的无线分机组成;是一套包括双向寻呼, 微型无线传感器, 报警监控全部功能的多功能微型无线系统。
2.2 系统组成与功能
病床无线系统设备主要包括:主机、微型无线终端机、无线终端。
主机:
主机 (终端) 放置于监控室或护士值班室, 运行无线监控软件, 通过分布在全楼层的各个无线网络路由器, 24小时适时自动连续监控病员的呼叫信息。通过主控机的界面医务人员可以监测到医院各个床位的情况。
微型无线终端机:
每个病床 (员) 配备, 体积仅为85×50×20毫米, 采用图形液晶显示器, 4行×14汉字显示系统, 菜单显示, 方便病人直观地选择所要呼叫的内容, 以便医务人员及时采取措施, 节省时间。采用低功耗微处理器和低功耗无线设计技术, 电池工作可以100~200天不用更换电池。
无线终端:
考虑到医务人员可能需要不断地走动, 这套系统还可以为离开监控室的值班护士配置可随身携带的无线终端, 其基本的功能和设计与放置在病员床位上的微型终端相同。
2.3 工作原理
病床无线系统采用公司独立开发的双向无线通讯技术, 无线通讯不受医院空间设计的限制, 无线通讯的距离能覆盖整个病员区。
这套技术的基本设计主要可以用于病人呼叫主控制室要求提供紧急的医疗救助、日常的医疗服务等多种功能。由于该公司设计的无线呼叫系统是采用软件的编程完成, 可以根据具体的要求不断地添加或更新此套系统。
分机和主机可以433mhz/915MHZ/2.4ghz的无线频道进行无线网络连接, 实现病人/病床和值班护士间的无线网络联系。
2.4 主要技术指标
高性能单片式无线收发芯片, 内置高性能增强型51单片机 (4 clock) , 内带4路ADC 12bit高速采样, 单片机全速运行功耗1m A@4M。工作在1.9~3.6V低电压工作, 待机功耗2uA, 全部高频元件集成;最大发射功率+10dBm, 高抗干扰GFSK调制, 速率100kbps, 独特的载波监测输出, 避免无线通信碰撞;地址匹配输出, 易于点对多点无线通信设计;就绪输出, 便于节能设计, 满足低功耗设计。
2.5 主要优点
1) 可靠的双向无线通讯, 保证值班护士对病房进行自动化连续监控;
2) 采用无线单片机的设计, 大大降低系统设计成本;
3) 采用无线网络通讯拓扑, 大大加强通讯距离和通讯可靠性。
3、结束语
随着技术的发展, 无线传感器网络将逐渐被实际应用于医疗领域。本文给出的实例将成为无线传感器网络在医疗行业应用的典型, 具有很好的代表性。
无线传感器网络在医疗领域中潜在的应用还有很多, 未来的发展方向是在家中、医院实现全面传感器网络覆盖。实现无处不在感知, 使得每个人时刻处于健康监测网络的呵护中, 使得全人类的健康水平大幅度地提高。
参考文献
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专用无线采集网络系统设计 篇9
目前,石油物探地震数据采集技术正由有线向无线演进,同时传感器铺设的密度高、范围大成为趋势,因此为了确保所有采集数据迅速,可靠的传输到控制中心,建立一个覆盖范围广,高效独立,最小延迟以及经济的多跳无线数据传输网络将是必然的。而目前现有的技术,包括WLAN,WIMAX以及GSM网络技术虽然已经成熟,并得到广泛使用,但是由于它们要么需要网络基础设施,要么就是无线单跳网络,或多或少不适合我们需要的场合。因此需要独立的设计一个专用的多跳无线传输网络来达到我们的要求。针对这一应用,本文主要介绍一种基于TDMA/扩频的固定多跳无线传输网络系统的设计,设计的目标是本网络数据业务传输延迟小,无差错。
2 系统结构简介
1.1 系统网络结构,业务模型及设计要求
网络结构如图 1所示。
网络的构成:它由一个固定中心控制站(Central Station 简称CS)和若干固定采集终端(Terminal Station 简称TS)以分布式多跳拓扑结构组成。采集站通过多跳和中心站通信,整个网络内采集站与中心站以及采集站之间采用同频半双工方式通信,无线传输技术采用直接序列扩频(DSSS)。业务模型:每个采集站在固定相同的一段时间内产生一定数量的采集数据流,例如 8s内连续产生19.2Mbits采集数据量。本网络设计要求:在特定的条件下,本无线采集网络的数据业务的传输延迟小且无差错。
1.2 中心站和采集站的功能结构
中心站的功能结构如图 2左所示,中心站通过无线调度全网数据传输并汇聚所有采集站采集数据,再将所有采集数据通过以太网接口发送给PC保存和处理。中心站主要由无线通讯模块,控制模块,有线通讯模块组成。采集站的功能结构如图2右所示,采集站是一个具有信息收集,处理以及将收集的信息通过无线多跳传送到中心站的微系统。采集站主要由传感器模块,控制模块,无线通讯模块组成。
3 网络系统的互联结构体系
系统有关通信的各部分功能对应的OSI/RM互联结构如图 3所示。
注:箭头方向表示采集数据帧流向图。
PC机与中心站之间有线通信的通信协议栈:(1)MAC/PHY:采用IEEE 802.3[1]以太网协议标准。(2)LLC:完成差错控制功能,采用CRC/ARQ机制。
中心站和采集站之间无线通信的通信协议栈(采集站与采集站之间类似):(1)R PHY:采用IEEE 802.11b(11Mbit/s)[2],这是一种先进的直接序列扩频技术,具有抗多径,抗干扰,低功耗等优点
(2)R MAC:采用IEEE 802.16d[3]基于TDMA为基础的集中调度机制,由中心站统一集中调度。基于TDMA为基础的集中调度机制优点:完全的冲突避免,严格的时间同步(TDMA);所有采集点(包括中心站)可以共同维护一张全网链路状态表;无明确协商,支持广播传输的调度,适用于网络配置消息。(3)R LLC:完成差错控制功能,采用CRC/ARQ机制。(4)R NET:高效的支持多跳的路由协议。
4 系统应用实验
为了验证本无线多跳采集网络系统设计思路的可行性,为此搭建了一个系统实验平台。实验平台的组成:由1个中心控制站(Central Station 简称CS)和3个数据采集站(Terminal station 简称TS)构成,TS可以通过单跳或多跳与CS通信。业务模型:每个TS在8s内同时产生19.2Mbits的采集数据,全网3个TS在8s内一共产生57.6Mbits(19.2*3)数据量。
设计要求:设计一个网络平台,使得所有TS可以在规定的时间内(单跳:14s;多跳:30s注:包括采集数据的8s时间)将采集数据业务正确无误的传输到CS,并通过CS的以太网接口发送到PC机上保存和处理。实验结果表明上述方案可行,并且保持一定的冗余度。下面讨论本实验系统的硬件和软件实现方案:
4.1 中心控制站和数据采集站的硬件实现
中心站和采集站的通用硬件结构图如图 4所示。
中心站和采集站采用基本相同的硬件平台,共有的模块包括射频与基带处理模块,OMAP处理模块,CPLD模块,GPS精确同步模块,存储器模块(FLASH,SDARAM)。不同的模块为Sensor模块(采集站专有模块)和以太网通信模块(中心站专有模块)。下面分别介绍,(1) 射频与基带处理模块:这部分采用RFMD公司的支持IEEE 802.11b(11Mbit/s)[2]的物理层芯片组(3002,2958)[4]。射频部分采用RF2958作为前端的发射和接收,工作频率为2.4GHz;基带处理部分采用RF3002对发送或接收的信号进行调制或解调。(2) OMAP处理模块:OMAP5912[5]负责控制和处理发送与接收的采集数据流。OMAP是一个由DSP和ARM组成的双核芯片,其中DSP部分主要实现无线通信协议栈的R_MAC,R_LLC,R_NET层;ARM部分负责整个系统及外设控制,以及中心站有线通信部分的LLC层和采集站的SPI通信接口。(3)CPLD模块:MAC帧头地址过滤和CRC校验,支持OMAP和射频与基带处理芯片之间控制信号和数据管道的时序匹配,支持OMAP芯片的管脚复用。(4) GPS精确同步模块:可以为采集站和中心站提供精确的同步(纳秒级),支持R_MAC部分的TDMA传输方式以及确保全网所有采集站的采集时间同步,通过UART接口和OMAP通信。(5)存储器模块(FLASH ,SDARAM):FLASH模块主要用于长期存储程序代码,SDARAM模块主要用于运行程序代码和临时存储采集数据帧。(6) Sensor模块:这是采集站特有的模块,主要是完成信息数据的采集,通过SPI接口和OMAP通信。(7)以太网通信模块:这是中心站特有的模块,主要采用了SMSC的LAN91C96芯片,支持IEEE 802.3[1]以太网协议标准,支持速率最高可以达到10Mbit/s。
4.2 中心控制站和采集站的软件部分实现
主要涉及无线通信协议栈的R_MAC,R_LLC,R_NET层的协议设计和在OMAP的DSP/BIOS[6]平台上C语言编程实现。在此主要概述一下整个设计思想和流程,相关业务流程图如图 5所示。
网络状态图如图 5.1所示,基于时间轴的网络数据业务流程如图 5.2所示,它们由网络维护期,网络维护期To数据传输期,数据传输期循环构成。(1)网络维护期:各节点主要建立与维护自己的局部数据结构(单跳内邻居节点的MAC地址);各采集站将自己的局部数据结构定期向中心站报告;中心站借此保存了全网的所有采集站的局部数据结构。(2) 网络维护期To数据传输期:中心站利用所有采集站的局部数据结构计算出全网络树形拓扑结构图;中心站利用全网络树形拓扑结构图计算出全网所有采集站到中心站的最佳路由路径和全网所有采集站在数据传输期时隙分配信息;中心站最终将上述信息(全网所有采集站到中心站路由路径,时隙分配等)广播给所有采集站。(3)数据传输期(基于TDMA):数据传输期开始的时间点一定要全网精确同步,这可以通过中心站预先广播一个时间起始点,采集站收到后通过GPS精确计时;数据传输期是由一个个超帧构成,每个超帧是由连续的一个个时隙构成,一个时隙持续1ms;一个超帧由上行数据帧传输时隙和下行控制帧传输时隙组成;一个时隙只被分配给一个采集站传输数据帧且只能传输一数据帧。数据传输期超帧结构图如图 5.3所示。
5 应用前景
针对不同的覆盖范围和设计要求可以采用不同的设计方法。例如针对高数据速率要求和大覆盖范围(10km*10km或更广的覆盖范围)而需要做到改进的方面:(1)无线物理层的改进:目前无线物理层采用基于IEEE 802.11b[2]的CCK扩频调制机制,该机制支持的峰值传输速率为11Mbit/s;如果采用基于OFDM的调制机制,则可以将支持的峰值传输速率提高到54Mbit/s;如果再采用MIMO,将会把峰值传输速率提高到108Mbit/s甚至更高。(2)MAC层与网络层的改进:设计出高效的MAC层调度算法和网络层路由算法将会极大的提高网络的效率 。(3)网络体系结构的改进 :可以考虑将网络系统分成两层网络,上层网络由无线基站之间组成无线骨干MESH传输网[3];下层网络由一个中心基站与许多无线传感器组成无线蜂窝网络。目前该方案有待深入细致的研究。具体可见图 6所示。
6 结束语
本文主要对基于扩频的专用无线采集传感器系统的网络结构,协议设计进行了讨论。通过实践验证,该网络系统方案具备应用可行性,能适应一定的规模的需求,为未来大规模全无线物探地震数据采集传感器系统奠定技术和基础。
摘要：本文主要讨论了一种基于TDMA/扩频的固定多跳无线传感器采集网络系统,文章就系统的网络结构,功能框图,部分硬件结构,系统的协议体系以及基于TDMA的信道访问方式等作了简要介绍,列举了系统的优越性,搭建了一个实验平台验证了方案的可行性,并且展望了未来的应用前景以及提出了相应的技术升级方案。
关键词：固定多跳无线传输,直接序列扩频,时分复用,路由协议
参考文献
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PHS无线市话系统网络优化 篇10
关键词：PHS,无线市话,通信网络,网络优化
PHS(Personal Handy Phone System)系统即个人手持电话系统(无线市话)是一种灵活且功能强大的无线市话系统,为本地环路或用户接入网服务。它应用PHS标准(RCR STD-28 Ver.2或Ver.3)进行无线本地环路的通信传输,提供和有线接入相同话音质量和可靠性的无线通信业务。随着个人通信接入系统工程Personal Access System(PAS)进入无线通信业务,利用固定电话网的资源,将市话和无线环路接入技术及传输技术有机地结合在一起。这也势必带来许多用户需求的话务量得不到满足,信道阻塞率较高,造成掉话率、拒绝率较高。通过网络分析,对PHS无线市话系统进行网络优化,在短时间内解决这一问题。
本文探讨了PHS无线市话系统网络优化。通过对系统网络的调整,改善系统网络的性能,即系统网络的覆盖效果,设备的使用效率,改善话务接通率指标,进而使系统网络的异常设备减少并且提高语音通信质量,改变“通话基本靠喊,接通基本靠走”的单通、掉话等现象,减少网络切换次数等等,以便充分利用系统网络资源,并且服务质量得到提高。
1 系统网络优化的必要性
在早期无线市话系统的网络规划、设备配置、基站选点阶段,由于PHS并未实际运营,对覆盖系统区域内的话务分布、地型结构估计存在一定偏差,各个基站在不同区域的覆盖半径并不十分合理,从而使各个基站在各居民小区的分布、种类与实际居民需求不符。系统网络运营后出现了有些基站负荷不足、有些基站负荷却超载、还有些地方存在盲区等等严重影响系统网络运营的问题;当系统放号到一定数量时,系统的承载能力(如接通率等)就明显不足。这些将严重影响到系统网络的运营。为解决上述问题,提高网络服务水平就必须进行系统网络化。网络优化还对系统网络以后的建设(如扩容等)都起到积极的作用,而且还有效避免由布放基站的不合理造成的网络资源浪费。
2 系统网络优化的手段
2.1 网络高话务区和重点话务区的优化
首先应当做到尽量使寻呼区的边界不落在高话务区和重点话务区。对于重点话务区,为减少重点话务区的切换点,要用500mW基站来覆盖重点话务区,同时尽量减少10mW基站数量。在基站覆盖时还要采取以下一些措施:
1)采用覆盖范围大的500mW基站。它在街道上的覆盖距离相当远,而且在道路和两边的店铺一般也不会出现象10mW基站那样频繁切换的问题。从而避免切换给用户在通话过程中带来的不适。
2)重点话务区用500mW基站来覆盖,尽量减少10mW基站的数量,从而减少重点话务区切换点。
3)增加基站数量。
4)必要时用小基站来补充覆盖范围,小基站也可以单独分配频点。
5)采用组控技术,即用多信道的基站替换3信道的基站。
6)在保证覆盖的前提下,降低基站天线的高度,并加大基站天线的下倾角用于基站的覆盖范围,从而降低各基站间的同频干扰。
7)降低500mW基站的发射功率,缩小基站的覆盖范围。也可减少对小基站的影响。
2.2 网络天线的选型
使用不同的天线,直接导致其覆盖效果、干扰等因素的不同。其中增益越高的天线,其发射波的方向角小、波瓣窄,能量集中,从而覆盖的距离长。但是这种波瓣窄的天线还存在一些负面效应,如天线覆盖的纵面缩小,干扰增大等不利因素。如何选择天线的类型就需要根据环境具体情况做出相对适宜选择,即在不同类型天线的覆盖效果、干扰等因素中做出合理的权衡。
2.3 网络寻呼区的设置
寻呼区是PHS系统网络的重要组成部分。一般来说,一个规则区域内的所有基站组成一个寻呼区,该寻呼区中的基站的CSID中包含该寻呼区的编号。系统网络中所记录的个人电话的位置是该个人电话所处的寻呼区的编号,因此当某个人电话被叫时,网络则会令该个人电话所处的寻呼区内的所有基站发送寻呼消息,所以当个人电话开机时,则需要作位置登记。当个人电话从一个寻呼区移动到另外一个寻呼区时,也需要作越区位置登记,以通知系统网络更新位置记录。
2.4 网络同频干扰的解决
网络同频干扰是网络优化工程中需要解决的主要干扰问题。同频干扰分为两类:第一类控制信道的同频干扰;第二类业务信道的同频干扰。在1900～1920MHz之间,除控制信道频点及上下保护频点外,其余频点是用作业务频点。原则上说,每个基站都可以使用任何一个业务信道频点,在分配业务信道时,基站通过载波侦听,选择干扰最小的频点和时隙分配给用户。根据干扰的程度按照下面的顺序来选择合适的措施:
1)当切换到该基站的另外一个时隙信道上时,仍使用原来的载频。
2)当切换到该基站的另外一个载频上时,仍使用原来的时隙信道。
3)由当前基站切换到另外一个基站。
4)自动重新连接。
5)暂时停止发射。
6)释放无线链路。
一般当干扰发生时,要根据不同的情况选择合适的方法,优先选用前三种。尽管有这些干扰规避机制,但如果干扰规避使用率较高的话,就会严重影响个人电话通话的质量,因此有必要采用一定的频率分配措施。
2.5 网络语音质量的优化
网络优化语音质量的方法:
1)排除线路故障、接地故障以及天线故障。
2)对系统网络的各个基站环境进行检查,确认是否存在干扰源,GPS同步质量判断。
3)对系统网络的各个基站环境进行覆盖测试。
4)对系统网络的各个基站选点进行合理性评估。
5)对系统网络的各个基站分区数据进行确认。
6)对系统网络的各个基站切换门限参数进行修订。
7)检查系统网络的软件版本/参数引其的软件匹配失败。
当发现手机在系统网络中的某基站附近切换频繁或切换时间长。建议:检查系统网络中的某基站干扰情况,或从其它的干扰源以及相邻太近的基站进行检查,也可使用频谱分析仪。并再次检查基站环境与软件参数配置是否合理。
3 无线网络优化后结果(比较)
来话接通率比较如图1所示。
以上指标取早晚忙时平均来话接通率,早忙时定以为(10:00-11:00)晚忙时定义为(17:00-18:00)。评价网络性能的最综合指标主要是看来话接通率和无线小区来话渗透率,基本上网络每一方面都会对其产生影响,例如系统网络的基站品质、基站信道数、网络覆盖、基站选点,天线选择,小区规划,网络故障等多个方面。参考达标值≥47%,51%(优秀值)。
全网掉话率比较如图2所示。
掉话率主要反映另外服务质量的好坏。初期规划中,网络覆盖、基站设置、小区划分等方面一般不太合理,造成掉话率较高,随着各地维护部门加大力度进行网络优化等工作,采取消除盲区,话务较高地区进行小区裂变、加组控基站等等手段,降低了掉话率,提高网络运营效率。同时,应加强路测,分析投诉原因,减少用户投诉。
计算方法:掉话率=(忙时时段掉话次数/忙时时段通话总数)×100%
参考值:掉话率≤3.5%(达标值),2.5%(良好值),1.5%(优秀值)
经过这次网络优化,个人通信网络质量得到明显的改善,并针对部分典型问题区域,提出了解决方案,给长期的优化工作提供案例和工作思路,达到了预期的目的。优化期间网络平均忙时话务量由2650Erl(话务量)增加到2927Erl,高峰时可达到3300Erl,用户数由16万增加到20万。网络运行质量的改善,为网络用户数迅速发展提供了技术保证,这正是网络优化的意义。
4 结束语
PHS网络本身就在不断引进新技术,增加新业务,以满足通信发展的要求。而这些新技术、新业务也会在影响到系统网络的规划和优化。系统网络为了良好的运行质量,仅靠一、两次短时间的优化是不够的,优化工作只能解决优化过程中遇到的突出问题,大量的工作依赖于平时良好的维护工作,同时,网络的系统规划和工程建设质量对系统性能都将产生相当的影响。只有在日常的细微工作中积极地发现、分析与解决问题,才能从根本意义上建设出一个优秀的通信网络。
参考文献
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无线网络化综合系统 篇11
关键词：ZigBee；无线传感器；设计；实现
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2100-02
当前，无线传感器网络（WSN）在工业、军事以及学术研究等各个领域都受到了越来越多的关注，其研究成果具有很好的应用价值。将各种类型的具备计算功能和通讯能力的微型传感设备合理地布置在需要进行数据信息监测的区域内，并使这些传感设备能够依据环境的变化情况自动地执行指定的命令，这种能够进行自动控制的网络系统被称为无线传感器网络。由于ZipBee技术具有成本低、功耗小以及短距离等特点，使其在无线传感器网络技术中脱颖而出，成为了无线网络通讯应用技术中的佼佼者，得到了较好的推广运用。
1 ZigBee技术的概述
ZipBee是双向的无线通讯技术的一种，它具有短距离、小功耗、低复杂度以及高稳定性的特点。目前，该技术主要是被用在系统的远程控制以及自动化控制等科技前沿领域，较为常用的工作频段有三种，在不同的工作频段上其传输速率存在一定的差异，通常它的有效传送距离是10m到75m，根据需要还可以对传送距离进行增大。
ZipBee这种成熟的无线电通讯技术所具有的特点包括安全稳定性高、网络的信息容量大、成本低、时延短以及功耗低。在ZipBee技术中对其数据包采用循环冗余校验技术来检测其完整性，同时还能够支持认证，通过运用AES—128加密算法等来保证系统的安全性。为加强稳定性系统运用碰撞避免策略，并通过建立专用的通讯通道保证特殊数据传输的稳定性，防止数据在传输过程中产生冲突，影响重要数据的传输。在MAC层进行数据传输模式的定义时运用的是完全确认技术，即发送出去的所有数据包信息都需要由数据接收方进行信息的确认。一旦在数据传输中发生故障，都会进行数据重新发送，保证数据的稳定传输。ZipBee网络具有较大的容量，将ZipBee网络设计成星型结构时，可实现最多25台的从属设备与1台主控设备的连接，可以将100个ZipBee网络接入一个区域，实现较为灵活的网络组建形式。较为低廉的成本也是ZipBee网络的显著特点，其模块的成本大约在20元，而ZipBee的网络协议也是不需要缴纳专利费用的，这也大大降低了其成本，从一定意义上讲，较低的成本费用是ZipBee网络技术能够广泛应用的重要原因。ZipBee网络的通讯时延较短，从休眠转换为激活状态也只需15ms的时间。工作中的设备接入信道的时延也仅为15ms，ZipBee网络通讯技术能够很好地满足那些对时延控制要求较高的无线控制应用。在设备功耗方面，因为ZipBee的传输速率相对较低，其数据发生功率只有1mw，同时在设计时还添加了设备的休眠模式，进一步降低了功耗，保证了ZipBee设备的节能省电，在使用过程中，只需要给设备装配两节5号电池就能保证6-24个月的稳定供电，避免经常更换电池带来的麻烦。
2 ZipBee的硬件及网络
ZipBee中包含两种类型的硬件设备，一种是精简功能型设备（RFD），另一种是全功能型设备（FFD）。与全功能型设备相比较精简功能型设备只具有一部分的功能，在全功能型设备之间以及全功能型设备与精简功能型设备之间可以相互通讯，但精简功能型设备之间则无法进行通讯。在ZipBee的技术标准中根据设备的不同功能和作用分别确定了三种不同类型的逻辑设备，它们分别是ZipBee协调器、ZipBee路由器以及ZipBee终端设备。在一般情况下，ZipBee协调器和路由器是由全功能型设备配置而成，而ZipBee终端设备大多数情况下是由精简功能型设备配置得到。在系统中建立与维护网络的任务由ZipBee协调器完成，一个网络中有且只有一个协调器，在ZipBee系统中充当中继节点角色的是路由器，它可以完成路径的优选及数据的转发工作，而处于系统末端的ZipBee终端设备其功能则相对单一，通常进行一些较为简单的数据发送与接收工作。
在实际运用中，根据工作的需要可以对ZipBee网络进行灵活的布置，例如可以构建成星型的网络结构亦可以构建成点对点式的网络结构。在星型布置的网络结构中，系统的全部设备都和PAN网路协调器中心设备进行通讯。采用这种类型的网络结构时，要对协调器采取持续的电力供应，系统的其他设备可以以电池来进行供电。相比于星型的网络结构，点对点式的网络结构只要保证设备相互间能够正常地接收无线信号即可，系统内的任意两个设备间都能够实现通讯，在点对点式的网络结构中同样要由协调器来对网络系统的信息进行综合处理，对系统设备进行认证等。
3 ZipBee无线传感器网络系统设计
在进行ZipBee无线传感器网络系统设计时需从硬件和软件两个方面来进行考虑。硬件设备为软件系统建立运用平台，而通过软件系统来指挥硬件执行相应的命令，二者协同工作发挥作用。
无线模块硬件系统主要是微处理器芯片与射频芯片等构建起来的，微处理器的类型较多，可以根据具体的应用来选择，如RISC处理器、ARM处理器等。对于一些较为小型的应用，采用LPC2106微处理器具有较大的优势，因为其功耗和尺寸都较小。以UART和SPI与SSP、I2C建立系统的通讯接口让其能够和SRAM共同发挥作用，从而让LPC2106微处理器更好地实现通讯网关与协议转换器和它本身所具有的强大的信息处理能力。射频芯片运用较多的是CC2420、CC2430等，Chipcon公司开发的芯片是采用的完全集成压控震荡技术，它的优点在于只要有无线发射天线、16MHz晶体这些最基本的电路系统就可以保证其在相应频段上稳定地工作。在CC2420射频芯片上预留了SPI接口来和微处理器进行连接，这个接口既用于系统设置，同时还用来传输信息数据。
在完成了硬件系统的建设后，需要在ZipBee无线传感器网络设备上配置适应的软件系统。它的软件系统包括嵌入式的操作系统、ZipBee协议栈以及其他的一些相关应用程序等。嵌人式操作系统内核能够对任务进行高效的调动、队列管理以及中断处理等操作，它还附带了硬件设备的全部驱动程序。相关的应用程序包括射频通信程序、串口通信程序以及信号质量监测程序等，在进行设计时通常采用模块化设计，这样做的好处是使程序系统的层次分明，具有良好的扩展性，同时对ZipBee技术进行二次开发也是有利的。程序设计时大致可以划分为三个部分包括协议栈、调度以及公共模块部分。协议栈模块的设计与ZipBee协议栈的结构分层相匹配，调度模块的主要作用是对不同的任务调用相应的协议栈模块，程序中设置的存储模块及计时模块能够给所有的协议栈模块释放公共的操作空间。另外也建立了共享的缓冲区域，它主要起到方便存储协议栈模块与调度模块进行数据信息交换的作用。
4 调试与测试工作
在完成了系统的建设后，要进行调试和测试工作以便检验设计的合理性，确保系统能够达到预期的效果，才能真正保证系统建设目标的实现。需要进行调试和测试的内容主要包括系统组网测试、网络通信速率测试、网络通信延迟测试以及通信距离的测试等。通过这些测试和调试来对系统的网络延迟、覆盖范围以及安全性等进行检测和修订，保证系统在投入使用后能够稳定地工作。
5 结束语
本文对ZipBee无线传感器网络系统的设计与实现进行了分析研究，旨在寻找技术优良同时经济合理的无线传感器网络系统，ZipBee技术具有安全稳定性高、网络的信息容量大、成本低、时延短以及功耗低等特点非常适合应用开发，随着技术的不断进步，在科技创新的浪潮中ZipBee技术必将取得更多的成就，更好地服务于无线传感器网络系统的建设。
参考文献：
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基于无线传感网络电力巡检系统 篇12
电力线巡检是电力安全生产的一项重要基础工作。它保障了电力线与输电设备的安全运行,也可以尽早地发现电力线输电设备运行的风险,为电力部门能够及时采取措施避免损失提供依据。
目前,使用带有GPS模块的PDA以及基于GIS(地理信息系统)的MIS(信息管理系统)组成的巡检系统已经广泛用于电力线巡检当中。其中PDA用于巡线员记录和存储电力巡线信息,GPS模块用于定位巡线员位置及输电设备位置,管理人员通过基于GIS的MIS分析和储存从PDA接收到的信息,并进行相应的管理检查。应用这种技术可以实时的与管理信息系统进行信息交流。
在现有的实时巡线解决方案中,还有许多不足的地方。在电力线巡检过程中,GPS定位的精度是一个重要问题,它很难定位潜在故障的精确位置,这些数据完全来自巡线人员的手工记录,数据的收集和故障的判断完全依靠巡线人员的相关知识与经验,这样就很难做出正确及时应对潜在安全风险的决策,而且巡线数据完全采用手工记录的方式使得系统标准化很难实施。
针对目前电力巡检的不足,文中提出一种新的利用无线传感网络的电力巡检解决方案。它可以很大程度上提高电力线巡检的工作效率和质量。
1 系统组成及其主要功能
无线传感网络巡检系统包括三个部分:杆塔电力线信息采集系统,手持管理设备与中心管理信息系统。杆塔电力线信息采集系统负责收集杆塔,电力线所需检查信息;手持设备记录并储存这些信息,而后将其发回中心站管理信息系统;中心站管理信息系统分析这些信息得出相应处理方案。
1.1 杆塔电力线信息采集系统
杆塔电力线信息采集系统主要由无线传感网络组成。在电力线巡检过程中,工作人员主要收集如下几种信息:
杆塔基本信息:杆塔金属表面完好程度,倾斜情况。
输电线和地线基本信息:输电线是否夹断或着破裂,输电线是否存在腐蚀状况和温度异常,地线是否发生腐蚀。
绝缘子:绝缘子是否出现磨损,或因高温度烧毁。
以上这些方面,杆塔基本信息,绝缘子信息,输电线温度可以通过部署传感器进行采集。将传感器布置在检测所在的地方,这些传感器节点组成一个无线传感网络,每个传感器节点发送信息到数据采集节点,采集系统的拓扑结构如图1所示。
图1中的所有节点通过ZigBee无线传感网络技术组成,主节点收集采集数据节点所采集到的杆塔信息。当主节点接收到来自传感器节点的信息时,它将这些信息打包并等待通过无线网络传输(如WiFi,CDMA等)至手持设备。
1.2 手持管理设备
手持式装置由三部分组成:工作人员手持的掌机PDA,PDA的客户端系统和无线通信模块。无线模块负责连接到数据采集主节点。PDA客户端系统具有下载巡检任务信息的功能:包括开始巡线时从中央管理系统下载的初始杆塔的信息和电力设备信息。当工作人员到达信息采集系统附近时,PDA系统从数据采集节点接收信息,工作人员这时可对两种信息进行比对分析。最后,储存分析结果并记录下定位信息。工作人员同时应该将采集系统无法收集的巡检信息,如设备表面的完好情况,被腐蚀程度等信息采用手动的方式进行记录。
杆塔电力巡线采集系统和手持设备的通信过程运用了无线网络传输。无线网络传输的有效通讯距离大概为100米左右。当手持设备进入无线网络可访问范围时,它可以探测到的数据采集节点的数据。经过验证后,手持设备与数据采集节点之间建立通信信道。手持设备可以从数据采集节点下载信息。手持设备与中心管理站的信息交互方式既可以采用无线方式,也可以采用更加稳定的有线方式。在工作人员检测开始时,所需检测的任务信息这时可以直接通过网络从基于GIS的MIS上下载。手持设备与MIS中心站可采用GPRS网络为基础的通信方式,这样可使巡线检测实时性增强,但是成本也会随之增加。
1.3 MIS中心站(管理信息系统中心站,以后简称中心站)
中心站是电力巡线系统管理和控制的核心。这是一个以GIS为基础的电力巡线MIS,它有如下四个功能:
①输电线及杆塔管理。
②电力巡线任务管理。
③故障管理。
④决策管理。
通过以基于GIS的MIS可以直观显示出塔和输电线分布情况,并可动态安排检查任务。它很容易监督工作人员的状态和杆塔电力线的位置。通过分析杆塔信息,预测潜在安全风险,做出决策。
2 系统通讯模块与主要功能模块介绍
2.1 通讯模块
无线传感网络巡检系统中存在两个主要的通讯模块,分别是:杆塔电力线信息采集系统与手持设备之间的通讯模块,和手持设备与中心站之间的通讯模块。重点介绍的是前者。整体通讯模块如图2所示。
2.2 杆塔电力线信息采集系统数据采集节点
ZigBee是传感器节点之间的协议,数据采集主节点和手持设备的数据传输可以通过无线网络进行传输。主节点从每个数据采集节点收集信息,然后发送该信息到手持设备。所以要在主节点中设计出收集数据与协议转换的功能。如图3所示为一个利用了双协议转换进行数据传输的模型。
ZigBee协议栈先对来自数据采集节点的数据进行处理,然后将其存放于应用层的数据缓冲区。当缓冲区的数据达到一定的数量时,将这些数据通过无线网络协议栈发送出去。
2.3 手持设备主要功能设计
现在在PDA上运行的操作系统主要是以WINCE为基础的操作系统。应用VC++语言进行客户端软件开发,客户端软件主要具备的功能有:从数据采集节点下载信息,储存数据并发送数据到中心管理站系统,任务信息搜索,定位和人工记录其他信息。
2.4 中心站系统主要功能设计
应用C#语言对中心管理站信息系统进行开发。并应用Mapinfo(一种桌面地理信息系统软件)进行可视化电力线结构图开发。相比其他电力巡线管理系统,该系统可以实时地生成和修改巡检任务。电力线巡检过程中发现的故障可直接显示在结构图中,并可将故障以表格形式输出。系统主要功能如图4所示。
3 结束语
因为信息传输网络建立的便捷性,高效性,并可在没有基础设施的支持下,形成自组织和规模化,所以无线网络一直是在电力系统自动化研究的重点。
在电力系统的实际应用中,有线通信是主要通信手段,尤其是在与安全密切相关生产领域。在电力巡检领域,一些检测系统利用无线网络作为他们的通信手段,但运行成本高,是这些系统的主要缺点。随着无线网络的发展,利用电力巡线系统的无线网络的前景是光明的。在目前的无线技术发展中,无线网络在电力巡线应用应遵循规律和克服的困难有:
传感器节点的维护问题。传感器节点由电池供电,电池的使用寿命必须被考虑。如果电池寿命太短,节点维护的频率,和整个系统的维护费用会非常高。如何提高电池寿命的关键点之一。
无线网络的稳定性。环境是无线网络的主要影响因素。如何确保无线传感网络长期稳定运行是非常重要的问题之一。
避免电磁干扰。检测系统主要分布于高压电力线,围绕在大功率器件周围,电磁干扰非常强烈。如何避免电磁干扰进行信息传输是必须考虑的最要问题之一。
通过使用无线传感器网络和无线网络技术,提出了一种新的电力巡检系统,这个系统包括信息采集系统,手持设备和中心站管理信息系统。最后,我们讨论了发展前景和必须克服的困难,为进一步研究基于无线网络的电力巡检系统提供部分经验。
参考文献
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