无线信息传输系统（共12篇）
无线信息传输系统 篇1
通过无线医疗设备的普及与发展,医护人员在查房诊断或记录病例的过程中,能快速完成各种医疗业务,避免了医护人员在处理医院信息方面花费太多时间,因而有效解决了医患之间缺乏直接沟通的状况,也在一定程度上提升了医院的服务质量与运营效率。本文将对无线医疗信息系统下的几种医用无线终端方案展开研究,以便选择出功能更强、实际效果更好的方案。
1 医用无线终端的现有方案
1.1 MCA方案
MCA是英文mobileclini cal assis tan t (移动临床助理)的缩写,MCA方案以Intel为基础构架,属于医用专业的便携式电脑,主要应用于医疗业务中,具体包括RFID的标签阅读、临床记录与拍照、用药管理以及临床医嘱等。MCA方案具有性能稳定、便捷、待机时间长、设计人性化、防水等优势,但同时也具有价格昂贵、没有匹配的医疗系统与键盘功能等劣势,所以在医院的信息系统中一般不能直接使用。
1.2 EDA与PDA方案
EDA为企业服务,是英文enterprisedigitalassis tan t(企业数据助理) 的缩写,PDA为个人服务,是英文per son aldigitalassis tan t(个人数据助理)的缩写。EDA与PDA都具有方便携带、质量适中、可以摄影、扫描等功能,与PDA相比,EDA具有较强的处理效率、安全性、专业性与稳定性,因此,为了满足医疗业务的多样性与复杂性,EDA方案在医用的范围更广泛。但同时,两种方案都存在诸多缺陷,如解析度差、屏幕小、需使用触控笔等,因而无法实现护理操作的简单化。
1.3 无线查房车方案
在结构上,无线查房车主要包括活动车架、UPS、集成计算机、伸缩抽屉、伸缩键盘与鼠标、显示器等。医生的查房车会配置放病例的支架,护理的查房车则配置了污物桶、药盒抽屉与器械抽屉。无线查房车的内置电脑一般使用W ind ows的操作系统,与医院的信息系统可以通用,因此,此方案具有上手容易、系统延续性较好等优势,在各大医院中被广泛使用。同时,无线查房车也具有内置电脑维修困难、体积过大、电池损耗严重等劣势。
1.4 便携式电脑查房车方案
与传统的无线查房车相比,此方案具有结构简单、价格优惠、维护成本低等一系列优势,不仅用便携式电脑替换了原来的集成电脑,更有效改善了查房车的移动性与尺寸。
1.5 平板电脑
1)W ind ows方案
“平板电脑”的概念最早由微软创始人比尔·盖茨提出,但早期所使用的x86 版本中的W ind ows系统,具有待机时间短、耗能高、笨重。需使用点触笔等一系列劣势,没有将计算机的操作性与便携性充分体现出来,因而不被市场认可。随着微软系统的不断发展,现如今设计的W ind ows8 操作系统在待机时间与质量上有了十分明显的进步,并在国内许多医院中广泛使用,因而W ind ows方案在程序上具有超强的移植性。
2)Android方案
Android将Linux作为开发源代码的基础,最开始主要应用于手机中,随着开发与改良不断深入,涉及的领域也逐渐扩宽,现如今,Android系统的平板电脑已成为是i Pad的竞争者。在Android中利用了ARM的构架,使平板电脑在结构上更加轻薄,具有显著的便携性,同时Android系统的平板电脑也采用了开放性极强的开发环境与操作系统,在价格上也更具优势。另外,随着开发厂商的不断增多,使得Android系统的平板电脑在选择类型上也不断增多。与此同时,开发商也有针对性的开发了Android方案的医院信息系统。
3)i Pad方案
2010年,苹果公司推出了平板电脑—— i Pad ,被定位于便携电脑与智能手机之间。 i Pad具有便携性强、待机时间长、全屏触摸、速度快等优势,因而深受人们的喜爱,医疗领域在医疗与护理业务上也尝试使用i Pad ,国外的一些国家,i Pad被逐渐应用于各种各样的医疗现场,如家庭医疗、说明患者病情、手术等。与此同时,也出现了一些与医疗相匹配的应有程序,包括游览与检索医疗图像等。
2 对比医用无线终端的现有方案
2.1 操作性
便携式电脑查房车所采用的医院信息系统与台式电脑相同,并保留了鼠标与键盘的功能,使医护人员更容易适应与操作;EDA与MCA的界面十分有限,其输入方式为触控笔,因而操作性不强;平板电脑虽然尺寸有限,但质量与性能特别高,图像在屏幕上显示的效果非常好,其输入方式为手写触控,完全符合人们的操作习惯与使用需求,因而平板电脑具备较强的可操作性。
2.2 便携性与移动性
一般来说,医用无线终端设备是传统台式电脑的功能补充和延伸,其优势主要表现为较强的移动性与便携性。随着无线网络的普及,医护人员在查房诊断或记录病例的过程中,能够全面、准确、及时地掌握患者信息,并与患者进行有效的沟通与交流。便携式电脑查房车过于笨重,移动性较差;MCA、EDA以及平板电脑都可以随时携带,具有较强的移动性与便携式。
2.3 系统性能
MCA、移动查房车以及便携式查房车均采用了通用性高的W ind ows操作系统与性能极高的Intel处理器,因此,以上三种方案都具备较强的系统性能与程序移植性。 W ind ows平板电脑同时采用了ARM与Intel两种处理器,不仅系统性能得到保证,在程序移植方面也具有极强的优势;EDA与PDA由于采用了W ind ows Mobile操作系统与主频性能较低的Intel处理器,系统性能相较于其他方案来说比较低,同时,程序与需要另外开发,因而程序的移植性能也较差;Android平板电脑与i Pad均采用了ARM构架,不仅能充分保证其系统性能,还能使程序得以流畅运行,但其程序与医疗机构的信息系统不相同,也需要进行重新开发。
3 讨论
就目前而言,许多医院应用的无线终端方案为EDA、便携式电脑查房车与无线查房车。其中,查房车在移动性方面较弱,主要适用于医生工作站的移动系统;EDA具有较强的移动性与便携性,可广泛应用于临床护理系统与通用条码管理系统,包括物资管理、输液管理以及药物管理等,并且应用于医疗和护理之间的无线终端设备无法替换。MCA与EDA是结合医疗与护理的实际需求而专门设计的移动设备,但二者都需要使用触控笔,不仅操作不方便,价格也十分昂贵,因而并没有被广泛使用。平板电脑的价格较低,操作性极强,并能满足物资与药物管理、医疗以及护理等方面的不同需求,因而被广泛应用于医疗机构中。与此同时,平板电脑还有多种系统的选择,且各有优势,都能满足医疗机构中不同的应用需求,Android平台还具有一致性,能使医院实现无线管理系统之间的互用。
4 结束语
综上所述,随着无线医疗信息系统的完善,无线终端设备的普及与应用,是医疗机构中信息化不断发展的必然趋势,尤其是具备较强移动性、操作性、扩展性、优惠性以及便携性的平板电脑,能使医院尽早实现信息化产业与卫生行业的共同进步与发展,并使患者获得更持续、优质的医疗质量与医疗服务,有助于改善医患之间的关系。
无线信息传输系统 篇2
Systems（ICWNIS 2013）—— Indexed by SCI
2013年第二届无线网络与信息系统国际学术会议（SCI 检索）
Taipei, Taiwan-January 15~16, 2013台湾·台北，2013年1月15-16日
会议网址：http:///index.htm
2013 2nd International Conference on Wireless Networks and Information Systems(ICWNIS 2013)will be held on January 15-16, 2013, Taipei, Taiwan.All accepted papers will be published by Advances Science Letters(ISSN: 1936-6612)– American Scientific Publishers Which will be indexed by SCI.You are invited to submit papers in all areas of wireless communications, networks, mobile computing and applications and information systems.为了提高学术交流的质量，所有投稿论文必须经过严格评审。录用后，论文（约150篇）将全部发表在SCI期刊，指标有限，征完即止。出版时间为组委会提交至期刊社5-6个月左右(具体时间由出版社决定），送检由期刊社负责。
本次大会仅接收该领域最新成果，拒绝低水平重复、无创新、已发表、一稿多投的论文，中文已发表论文需要扩充30%以上的研究内容。一经发现作者学术不端行为，大会将其列入黑名单，并将视情况通知其所在单位和相关出版机构。
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无线信息传输系统 篇3
【摘要】地理信息系统是一门集计算机科学、信息科学、现代地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学和管理科学为一体的新兴学科。随着第三代移动通信网络的发展，无线网络规划对于地理信息系统的需求显得越来越迫切。其中，数字地图为网络规划提供了基础的平台，地理信息系统中的空间分析功能则为链路预算、覆盖预测提供了有效的方法和手段。
【关键词】地理信息系统 无线网络规划 应用 研究
【中图分类号】U475 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0082-01
无线网络规划和优化是一项循序渐进、不断深化的持续性系统工程。网络优化包含覆盖优化、话务量优化、设备优化、干扰信号分析以及资金优化使用等一系列优化方式，各种优化方式的综合形成了网络的整体优化，并贯穿于网络发展的全过程。综合分析移动通信网络建设的业务层面，G1S技术在移动通信网络规划和优化中的应用可归纳为以下五个范畴，可视化管理、模型化预测、定量化分析、智能化诊断、科学化决策。
1 G1S技术在移动通信网络规划中的应用
网络发展滚动规划是通过对市场需求的预测、网络现状以及通信技术发展情况的分析，对企业近几年内网络发展、建设的规划，对企业的长期发展具有重要的意义。但是规划所需基础数据的收集工作量巨大，网络滚动规划工作的第一个步骤就是收集网络各个专业的原始数据，对网络现状进行分析。在以往的滚动规划工作中，需要各个专业的人员对网络现状进行手工统计，不仅工作量大，而且数据准确性也无法保证。滚动规划编制初稿一般需要较长的时间完成，而基础数据的收集、整理、核对占用了大半的时间。在建立资源管理系统后，充分利用资源管理系统的资源优势，通过增加资源管理系统的功能，可以迅速准确地提供滚动规划所需的数据，大大减少数据统计的工作量，提高工作效率，集中精力对网络发展趋势进行认真的研究。
1.1可视化管理
GIS技术所提供的空间定位基准，可以有效组织专题数字地图、网络资源位置、邻小区关系、话务量分布、信号覆盖范围等信息，客观地再现基站、小区等网络资源的实际分布，充分体现整个无线网络的拓扑结构和资源配置。同时又可以提供友好灵活的人机交互接口，即以专题数字地图作为操作背景，显示出无线网络规划和优化后所得到的覆盖图、干扰图等结果数据，实现专题数字地图、网络资源分布以及分析结果数据的可视化管理。
1.2模型化预测
GIS技术可以对真实自然的地理环境精确建模。以夺间数据模型为信息载体，按照无线电波沿距离和时间的衰减规律，以及受地形地物因素影响的传导损耗，快速建立无线电波传播模型。结合大量实测数据和当地的具体情况，可以进一步调整预测模式，找到适合实际的参数因子，帮助修正预测模型算法，使得预测模型更为灵活和精确。
1.3定量化分析
借助于GIS技术的无线网络覆盖预测模型以及专题数字地图，并结合基站选择、天线方位和射频场强等相关参数设置，可以计算出各点位电波经干扰与衰减后的信号场强。运用无线网络规划和优化设计方法，依据预测精确计算结果，可以进行定量的总体覆盖分析、网络干扰分析、邻小区分析、指定小区场强覆盖分析、最佳服务区域分析、次佳服务区域分析和切换区域分析等。
1.4智能化诊断
根据移动通信网络的动态监测和实际路测，结合基于GIS技术的定量化分析，可以确定无线网络的运行状况，发现无线网络存在的客观问题。针对测试区域无线网络的实时信号场强、通话质量、时间提前量以及干扰情况等测试数据，依靠GIS技术进行智能型无线网络优化和分析诊断，建立与基站和小区数据的自动关联，从而对无线网络进行测试、分析和评估。指出发生严重话务拥塞和掉话区域，快速定位问题基站，发现网络存在的问题区域和影响网络运行质量的直接原因，并自动生成规定格式的详细诊断报告。
1.5科学化决策
综合数据仓库、知识库技术和无线网络的数据资源，GIS技术可以将综合分析评价结果作用于数字地图上，直观地用图形界面予以表达。辅以设置网络参数和调整设备配置等技术手段，能够及时模拟网络参数指标调整后的发展情况，定量预测未来变化趋势，从而得出解决问题的可能方案。
2 基于GIS的无线网络规划具体内容
2.1传播模型的校正
传播模型是移动通信网小区规划的基础，传播模型的准确与否关系到小区规划是否合理，运营商是否以比较经济合理的投资满足了用户的需求。因此，根据基站类型、地形地貌数据等，结合路测数据，校正传播模型，建立合适有效的传播模型，并直观地显示给网优人员。
2.2基于地理信息的通信网场强覆盖分析
基于GIS技术的通信规划软件所使用的地图数据是数据地图，把影响到电磁波传播的地形地貌地物等转化为可视化属性，将必要的信息通过地图显示出来，如基站、天线类型及天线方向等，通过传播模式计算不同边界场强的覆盖半径，并用不同的颜色来充色不同场强的覆盖区域，直观演示场强覆盖的优劣。
2.3基于地物地貌性质和电磁波传播特性的仿真分析
移动通信是以电磁波传播的方式进行通信的。电磁波的传播特性是移动通信的基础。由发射机发射的电磁波在到达接收机（手机等）之前不仅存在和其它大气层传播所遇到的相当严重的传播路径损耗，而且还受到地面传播路径损耗的影响。地面传播路径损耗受地形地貌、建筑物、水域、移动物体和植被等环境因素的影响，从而产生多径衰落和时延扩散等。仿真分析还设计到了传播模型的设计，对于特定的环境要选定适合自己的传播模型。
3 结束语
近年来，地理信息系统技术发展迅速，另一方面，计算机科学的飞速发展为地理信息系统提供了先进的工具和手段都为地理信息系统的发展提供了良好的契机。实践证明，GIS在各行各业中的应用，都带来了不同的社会效益和经济效益，在信息通信行业也不会例外。数字地图为网络规划提供了基础的平台，地理信息系统中的空间分析功能则为链路预算、覆盖预测提供了有效的方法和手段。未来的信息通信领域，GIS都将成为一种有效的管理手段，尤其随着第三代移动通信网络的发展，无线网络规划对于地理信息系统的需求会越来越迫切。相信很快，GIS将会成为人们办公和社会生活中不可缺少的一种手段。
参考文献
[1]吴秀芹，张洪岩，李瑞改等ArcGIS9地理信息系统应用与实践（上.册）清华大学出版社[3]姜文波，李熠星等CMMB发展规划[J]广播电视技术，2008.7
[2]王满意，王敏，张晓静GIS及数字地图在移动通信中的应用科技信息第36期2008年
[3]张发勇，王新峰，吴信才‘IS在通信行业的应用地球科学一中国地质大学学报第31卷第5期2006年
无线信息传输系统 篇4
快速有效地采集和分析农田以及周围环境的信息,是实现精细农业智能化管理与控制的基础,对农作物生长状态、农田环境的保护、资源的合理利用等是非常必要的。随着通信、微型计算机、传感器等技术的飞速发展,目前田间信息的采集已经进入智能化阶段,经传感器在田间感测的数据信息可通过各种有线网络进行传输。但是,由于我国农业区域分布广泛、地理环境复杂多变、有线网络布线困难、造价高、难维护等,使得有线数据传输受到限制。因此,采用无线通讯技术的田间信息的传输成为当今田间信息远程获取的主要方式。同时,由于远距离很难实现远程电缆供电,因此由太阳能电池板和蓄电池构成的太阳能供电系统将成为该系统的主要供电方式。
土壤墒情信息和气象各要素信息的综合监测及数据分析,是现代节水农业技术体系和精量灌溉工程系统的一个重要组成部分[1]。本文设计了一种将土壤墒情站和自动气象站通过GPRS无线传输方式连接的田间信息的远程获取与无线传输系统,为实现全自动无人监管的智能灌溉提供了基本的条件。
1 系统组成原理
系统结构原理框图如图1所示。本系统由土壤墒情站、无线数据传输模块、自动气象站、GPRS DTU以及控制中心计算机处理模块5部分组成。土壤墒情站将经土壤温湿度传感器感测的数据通过无线数据传输模块传输到自动气象站的数据采集器,数据采集器将所有数据经RS232串口传到GPRS DTU(内置SIM卡);然后,GPRS DTU将数据打成IP包,并通过TCP/IP协议经GPRS网络无缝接入Internet,到服务器;最终通过各种网关和路由到数据中心传入到主控计算机,由计算机监控软件对各数据项信息进行综合监控。计算机所用数据处理软件为自动气象站自带监测软件。
本系统将土壤墒情以及各气象要素信息经自动气象站的数据采集器通过GPRS DTU(GPRS数据传输单元)连入GPRS网络直接接入互联网传输到主控计算机的监控软件,可实现数据远距离的无线传输,实时监测田间信息,节省了大量人力物力,推动了农业的可持续发展。
2 土壤墒情站组成原理
土壤墒情站主要是由4部分组成的,即土壤温湿度传感器、AT89C52单片机、电源模块和无线速传模块。工作原理的结构简图如图2所示。
传感器感测的信号经过信号调理电路转换成适合A/D转换器输入的信号,信号调理电路如图3所示。被转换的模拟信号将通过A/D转换器转换成数字信号,以便经标准串口(RS232/RS485)传输。
数据处理模块以AT89C52单片机为核心处理器,对数字信号进行处理和控制,通过RS232串口连接到无线速传模块传到自动气象站的数据采集器。AT89C52单片机是一种低功耗、高性能CMO 8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器,与80C51产品指令和引脚完全兼容;其具有256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,3个16位定时器等。LED价格便宜,配置灵活,作为可视化人机交互界面能够显示经单片机处理的数据信息,以便于用户对系统进行操作[2]。
由于土壤墒情站均分散在农田中,为了不影响正常田间作业(中耕、深耕、收割等),因此不能采用有线电缆供电;同时,当遇到连续阴雨天气时,为了不影响田间信息的实时不间断获取,必须保证系统电源系统能够持续不间断供电,因此必须采用太阳能与蓄电池相结合的供电系统。
3 自动气象站组成
3.1 自动气象站基本结构
自动气象站由传感器、数据采集器、通讯接口和电源设备以及相关软件组成,主要用于大气基本要素的自动采集、计算处理和存储,可以连续自动监测大气温度、大气湿度、风速、风向、气压、降雨量、光照度、土壤水分蒸发量、太阳直接辐射和二氧化碳含量等气象要素值,其主要技术指标如表1所示。
由于自动气象站要安放在远离市区的田间,采用有线电缆供电会有很大困难,为充分利用太阳能资源,气象站采用太阳能供电;连续阴雨天气时,储存在蓄电池中的电量会使气象站连续工作72h以上。
3.2 自动气象站原理
自动气象站是通过以单片机为核心的数据采集器集中采集和处理分散配置的各个传感器信号的自动监测系统。各个传感器的感应元件随着各气象要素值而变化,使得相应传感器输出的电量产生变化,而这些变化由单片机实时控制的数据采集器所采集和存储,进行线性化和定标处理,实现工程量到要素量的转换,经预处理后得到各气象要素的实测值。在定时观测时刻,数据采集器中的数据传输到主控计算机进行处理,会按统一的格式生成各种气象报告[3]。
4 GPRS无线通讯技术
自动气象站的数据采集器中的数据信息要传输到终端服务器,其传输方式有多种,可以从表2对比选择GPRS无线传输为本系统的最佳信息传输方式。
GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称,是第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信(3G)的过渡技术,向用户提供移动分组的IP或者X.25连接。GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、调频规则以及相同的TDMA帧结构[4,5],因此GPRS可充分利用GSM网络资源,降低了建设成本。
GPRS无线网络技术具有抗干扰能力强、受地形约束小、运行稳定、成本较低、永远在线和仅按照数据流量计费等优点,特别适用于地点较分散、距离较远和地形较复杂的环境。
本系统是将各路数据信息通过RS232串口连接到GPRS DTU上,而GPRS DTU只需插入一张中国移动移动的数据SIM卡即可实现无线数据传输的功能,可以实现与Internet的无缝连接。GPRS DTU功能强大,操作简单,体积小,性能优[6],其简单连线图如图4所示。
5 结论
本研究将土壤墒情站、自动气象站、GPRS无线传输技术结合在一起,设计了一种田间信息的远程获取与无线传输系统。该系统可准确、快速地实现田间信息的远程获取与无线传输,为农业决策提供了有效的数据依据,为实现智能灌溉奠定了基础。远程数据采集传输系统利用GPRS的灵活性和方便性,实现了远程数据采集与传输,具有较高的可靠性和实用性。田间信息的远程获取与无线传输系统将随着GPRS技术的发展进一步完善和成熟,因此,该系统将会有广阔的应用前景。
摘要：及时准确地获取田间信息是实现农田智能化管理的前提,是精细农业发展的基础。为解决田间信息的远程获取与无线传输问题,提出并实现了一种田间信息的远程获取与无线传输系统。同时,主要介绍了系统的组成以及工作原理,设计了土壤墒情站硬件及组成,阐述了自动气象站数据传输方式的选择。在该系统中,利用GPRS DTU实现了远程计算机、数据采集器之间的数据传输。
关键词：田间信息,土壤墒情站,自动气象站,GPRS DTU,无线传输
参考文献
[1]徐更琪,吴普特,韩文霆.作物需水信息实时监测与无线远程传输系统[J].农机化研究,2010,32(2):162-165.
[2]安云飞,杨青,杨树明,等.一种田间信息无线远程传输系统的设计[J].农机化研究,2007(11):122-124.
[3]胡玉峰.自动气象站原理与测量方法[M].北京:气象出版社,2004.
[4]韩斌杰.GPRS原理及其网络优化[M].北京:机械工业出版社,2003.
[5]卢伟,杨建华,袁雪尧.基于GPRS的嵌入式数据采集及远传系统[J].微计算机信息,2011,1(27):12-14.
水质无线监测系统方案 篇5
水质无线监测系统方案
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一、概述
环境监测是环境保护工作的重要组成部分，是环境管理的基础和技术支持。随着我国工业化和城市化的迅速发展，环境保护也相应大力发展起来。这样就迫切需要加快全国环境管理基础能力的建设，提高环境监测能力和环境监督执法管理水平。
排污口水环境实时自动监测系统的研制在我国刚刚起步，欧美一些发达国家在这方面已趋向成熟，例如美国等一些工业发达国家，几乎在每个排污口都安装了有关监测仪器，对污水处理设施的运行情况以及排污流量、PH值、DO、电导、烛度、温度等值进行自动监控，在监控中心可以随时知道排污口染物的排放情况。在韩国已有50％的企业做到了对以下四项指标的实时自动监控：污水处理设备运行情况、流量、PH值和溶氧。
我国目前大部分地区的水环境监测主要是以化学化为主。即人工定期（或不定期）的现场采样、化验、水质分析。这样工作量大且具有随机性，不能准确反映整个水量水质的变化过程，因而不能做到为水环境评价和环境治理的可靠依据。
由于我国经济发展过程中出现越来越多的水环境污染问题，近年来国家已充分重视和加强对环境污染的治理。为了配合这项工作，改进水环境监测手段和方法已显得尤为重要。上海正伟数字技术有限公司在充分调研、考察、征询客户意见等基础上，研制开发了集自动化、即时化、智能化于一体的经济实用的水质量无线监测系统。该系统可以对排污口污水的PH值、DO、温度、电导和排污流量进行实时监控，通过GPRS/CDMA无线终端将数据传送到监控中心和环境管理部门，工作人员可以在监控中心或办公室进行远程监测，随时得到即时数据报告，实现远端无人值守。
二、系统组成、工作原理
系统主要是由一个监测中心，若干个固定监测站和专用GPRS/CDMA无线终端组成。监测中心对各个监测站进行控制指挥，各监测站收集各种污染参数，两者间的控制信号和监上海正伟数字技术有限公司
测数据通过GPRS/CDMA无线终端传送完成。监测中心既是各监测站的指挥中心，又是监测站监测数据的汇集、处理的存储的数据库。各监测站可设置为自动向监测中心发送信息；也可设置为平时处于待机状态，在收到监测中心的指令后才开始启动工作，将信息发送给监控中心。各监测站有数据采集。命令识别、数据发送的功能。
监测中心由功能较齐全的计算机外围设备如显示器、打印机、绘图机等组成。各监测站由各种采集参数的探头、PAC可编程自动控制器和GPRS/CDMA无线终端组成。
三、系统方案说明：
在水质系统中，常常需要对众多的排污口污水的PH值、DO、温度、电导和排污流量进行实时监控实时监测，大部分监测数据需要实时发送到管理中心的后端服务器进行处理。由于监测点分散，分布范围广，而且大多设置在环境较恶劣的地区，通过电话线传送数据往往事倍功半，通过GPRS/CDMA/EDGE无线网络进行数据传输，成为水质监测部门选择的通信手段之一。污染源监测设备可将采集到的污染数据和告警信息通过GPRS/CDMA无线网络同时发送到多个水质监测部门，实现对排污单位或个人的及时管理，可以大大提高环保部门的工作效率。
系统结构图：
上海正伟数字技术有限公司
系统方案组成 水质监控中心
监控中心服务器通过ADSL或电话拨号接入Internet，或申请配置专线，通过光纤、DDN 等数据专线直接和移动中心机房的GPRS/CDMA 网络连接。监控中心服务器上安装相关监控系统软件。监控系统软件包括监控中心服务器、数据库服务器两个部分。
1、监控中心服务器实现实时监控、数据管理分析、业务管理等功能；
2、数据库服务器进行数据存储、备份；
具体实现时，监控中心服务器、数据库服务器可以安装在一台服务器中，也可以安装在 不同服务器中。软件系统特点：
1、纯JAVA系统设计：采用JAVA技术进行设计开发，具有强大的稳定性、安全性、兼容性、可扩展性；
2、先进的B/S结构：系统使用先进的B/S结构，用户只需要使用浏览器就可以通过环保内 部的网络完成污染源管理和污染源监控功能。使用BS 结构不仅极大的方便了环保部门 相关人员的使用，而且为环保局未来向公众公公布环境数据提供了方便。
3、管理决策支持：基于完整的、实时的业务数据，智能的决策支持系统可以为管理者提供 丰富的决策支持信息，实现业务运营的有效管理。
4、功能扩展性：整个系统具有极强的开放性和可伸缩性，可以方便的与各类数据分析软件连接，为环保局和其他政府部门共享信息提供了方便。上海正伟数字技术有限公司
GPRS/CDMA无线传输终端
水质监控仪器通过RS232 串口直接与正伟环保专用GPRS/CDMA无线传输数传设备（智能型GPRS/CDMA调制解调器）连接，并由其建立无线数据连接与监控中心进行双向数据通信。水质监控仪器包括污水流量计、COD（含氧量）/BOD（生物耗氧量）、PH 探头等测量仪可根据系统实际监控地点的需求选择对应测量仪器。
系统功能 实时监控
对企业监测点的排污量、设备运行等情况进行实时监控，并以人性化的界面显示有关数据； 数据接收
数据接收方式有两种，一种是监测点通信控制器定时向中心返回监测数据（一般按1个小时 返回，也可以通过用户设置）；一种是通过中心向监测点通信控制器发送查询指令，监测点 通信控制器返回当前监测的实时数据； 报警处理
当监测到排污超标、检测设施非正常关闭等事故时，软件能自动识别事故类型，并及时向环 境监理部门发送报警信息，使环境监理部门能够以最快的速度及时对企业的违规行为进行纠 正、制止，从而保证了环境监理信息传递的顺畅、完整； 统计分析
a)对所选择污染源监测点的监测数据进行各种分析，以曲线图、直方图和表格等形式进行 显示。可选择行业、区域、时间段等条件。包括污染源分析、污染源对比分析、综合分析、综合对比分析和监理报告资料分析等；
b)污染源分析可根据条件对污染物排放量和污水排放量进行分析； c)污染源对比分析可根据条件对某一污染源进行按月分析和按年分析；
d)综合分析可根据条件对污染物、污染类型（水）和治理设备（运行时间）进行分析； e)综合对比分析可根据条件对污染物、污染类型（水）和治理设备（运行时间）进行按月分析和按年分析； 数据存储
本设备能自动监测、记录、存储、传送数据，实时采集各类环保测量仪器的输出信号，并将测量数据通过无线远程发送至环保监控中心，同时将数据保存在本机大容量数据存储器上海正伟数字技术有限公司
中。参数设置
1、可按照设置的时段采集一组数据，并实时发送至环保监控中心。GPRS/CDMA 网络是全球分布最广的无线网络，使用GPRS/CDMA 的优势在于实时、无线、远程、误码率极低、安装简便无需布线等特点。
2、可按照设置的时段采集一组数据，并保存在本机内部大容量数据存储器中；
3、可以通过串行接口对系统各项运行参数进行设置。对每个通道的采样数据进行物理量的换算对应，从而使终端保存或发送的数据都是符合现场测量指标的数据；
4、可通过串行接口访问机内大容量存储器中的数据。将终端保存数据保存到计算机数据库中，以备分析备案；
5、可按照条件设置系统各通道的报警条件，触发报警，并可实时将报警信号发送至监控中心。
四、无线水质监测系统的优势
中国移动或者中国联通GPRS/CDMA系统可提供广域的无线IP连接。在移动或联通通信公司的GPRS/CDMA业务平台上构建水质监测采集传输系统，实现水质监测采集点的无线数据传输具有可充分利用现有网络，缩短建设周期，降低建设成本的优点，而且设备安装方便、维护简单。经过比较分析，我们选择中国移动的GPRS/CDMA系统作为水质监测采集传输系统的数据通信平台。
GPRS/CDMA无线水质监测系统具备如下优势：
1、实时性强：
GPRS/CDMA具有实时在线特性，系统无时延，无需轮巡就可以同步接收、处理多个或所有监测点的各种数据。可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。
2、可对各监测点仪器设备进行远程控制：
通过GPRS/CDMA双向系统还可实现对仪器设备进行反向控制，如：时间校正、状态报告、开关等控制功能，并可进行系统远程在线升级。
3、建设成本少低：
由于采用GPRS/CDMA公网平台，无需建设网络，只需安装好设备就可以，建设成本低。
4、监控范围广： 上海正伟数字技术有限公司
构建水质监测采集传输系统要求数据通信覆盖范围广，扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。由于水质信息采集点数量众多，分布在全国范围内，部分水质信息采集点位于偏僻地区，而且地理位置分散。
5、具有良好的可扩展性: 由于目前GPRS/CDMA网络已覆盖国内绝大部分地区，基本不存在盲区，可实现大范围的在线监控，满足水质信息采集传输系统对覆盖范围的要求。
6、系统的传输容量大：
水质监测中心站要和每一个水质信息采集点实现实时连接。由于水质数据信息采集点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS/CDMA技术能很好地满足传输突发性数据的需要。
7、数据传送速率高：
每个水质信息采集点每次数据传输量在10Kbps之内。GPRS网络传送速率理论上可达171.2kbit/s，目前GPRS实际数据传输速率在40Kbps左右，完全能满足本系统数据传输速率（≥10Kbps）的需求。
8、通信费用低：
采用包月计费方式，运营成本低。
五、安全措施：
由于水质监测系统的特殊性，本系统需要极高的系统安全保障和稳定性。安全保障主要是防止来自系统内外的有意和无意的破环，网络安全防护措施包括信道加密、信源加密、登录防护、访问防护、接入防护、防火墙等。稳定是指系统能够7×24小时不间断运行，即使出现硬件和软件故障，系统也不能中断运行。以GPRS为例，数据中心可通过公网使用VPN接入到移动GPRS网，采用VPN方式成本比较低，企业不用租用专线，还可以利旧使用原有的VPN设备，移动终端需要安装具有VPN二次虚拟拨号的功能的软件。通过VPN方式，客户端在连接应用服务器前，要经过Radius服务器的认证整个数据传送过程得到了加密保护，安全性比较高，可充分保障速度和网络服务质量。另外，数据中心也可以采用APN接入方式，租用专线接入到移动公司的GGSN设备上，这种成本高，安全性高、稳定可靠。对于安全性要求上海正伟数字技术有限公司
非常高的系统，可考虑在专用APN接入的基础上再加上VPN接入方式的混合接入方式，进一步提高系统的安全性。
1、VPN虚拟专网模式：企业内部网络中配置VPN服务器，移动终端加载具有VPN二次虚拟拨号的功能的客户端软件。采用VPN安全技术，用户通过接入企业内部虚拟专网的方式与Internet进行隔离，可对整个数据传送过程进行加密保护，有效避免非法入侵。
2、用SIM卡的唯一性：对用户SIM卡手机号码进行鉴别授权，在网络侧对SIM卡号和APN进行绑定，划定用户可接入某系统的范围,只有属于指定行业的SIM卡手机号才能访问专用APN，移动终端与数据中心采用中国移动分配的专门的APN进行无线网络接入，普通手机的SIM卡号无法呼叫专门的APN。
3、对于特定用户：可通过数据中心分配特定的用户ID和密码，其他没有数据中心分配的用户ID和密码的用户将无法登录进入系统，系统的安全性进一步增强。
4、数据加密：通过VPN对整个数据传送过程进行加密保护。
5、网络接入安全鉴定机制：采用防火墙软件，设置网络鉴权和安全防范功能，保障系统安全。
六、系统成本
七、结论：
采用有线方式，租用静态IP目前费用比较高约800~1500元/月。采用GPRS/CDMA无线方式，系统流量费用目前有包月制和按数据量两种收费方式，GPRS按流量计算0.01元K，而包月制20元/月有50M流量，可满足水质监测局目前水质数据采集系统的实际数据量，估计日后其费用会逐步降低。对于水质监测局等用户来说，由于通信费用较低，享受到了实惠。另外，由于接入设备可以移动，当水质观测站和水质信息采集点搬迁时设备可随之迁移并可继续使用，可以保护用户原有投资，适合于水质信息采集工作的特点。
采用GPRS/CDMA构建水文数据采集系统，不仅能很好地满足水质信息采集监测的需求，而且，做为网络运营商的移动或联通通信公司也将因此获得业务稳定的集团用户，随着用户上海正伟数字技术有限公司
数量的增加，移动或联通通信公司的营收也随之增加，调动了运营商的积极性，符合网络建设和网络应用同步发展的要求。
公司简介
上海正伟数字技术有限公司（Shanghai Zhengwei Digital Technology Corporation Limited），是一家注册于上海高新技术开发区内的专业的技术研发型公司，公司专注于嵌入式系统领域的技术创新和产品开发，专业提供嵌入式网络领域、无线网络领域和嵌入式计算系统领域的软硬件产品及服务。
公司拥有资深的设计师和专业的管理者，并具有从博士到专科不同学历的良好人才结 构。公司与众多厂家、研究所在器件供货、产品经销、技术创新等方面形成了良好的合作伙 伴关系。
凭借其技术、人才、管理优势，本着“踏实创新，追求卓越”的企业精神，正伟数字锐 意进取，勇于创新，已成为领先的嵌入式网络领域设备和服务提供商。
“正人正事，伟心伟业”是公司永恒的信念和追求 版权申明
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物联天下：让信息“无线”传递 篇6
一直以来，公司秉承双赢的经营理念，向客户提供最优秀的技术解决方案，为客户的成功提供强劲支持。龙尚坚持让智慧“无线”传递，并致力于无线通信模块的相关应用，努力成为全球一流无线模块及方案提供商。
龙尚科技上海（有限）公司是专业2G/3G/4G模块供应商，提供GSM/GPRS/EDGE、WCDMA、CDMA/EVDO、TD-SCDMA及LTE全系列无线模块的创新技术与产品解决方案。6年多来，龙尚科技创造了近十几款成功产品。产品应用涉及无线固话、会议电话、智能手机、POS机、广告推送器、电纸书、多媒体信息机、无线上网本、MID/PAD、车载导航、无线监控、智能电表、工控机、环境监测、及物联网、三网融合等相关领域。目前公司拥有超过150名博士、硕士资深研发工程师，公司核心产品与中国移动、联通以及沃达丰、德国电信等全球多家知名通信运营商长期战略合作，公司自主研发的2G、TD-SCDMA无线数据模块，出货量多年跃居国内第一。
2012年，龙尚科技正式落户无锡蠡园开发区，成立龙尚科技无锡有限公司，专注于物联网技术的研发，完整应用解决方案的提供与推广。目前，公司在上海、无锡、西安、深圳均设有研发中心和分支机构。龙尚自主研发、夯实基础、快速提高到建立优势的传奇转身，被行业内人士和客户赞誉为“创造了中国无线模块行业的一个奇迹”。
龙尚科技的物联之路
回溯2006年9月，8名年轻工程师怀揣创业梦想，在新加坡上市企业龙旗控股集团的支持下，创办了龙尚科技（上海）有限公司。凭借敏锐的市场嗅觉和对未来物联网市场的前瞻性，龙尚科技看准了无线通讯模块这个大市场，秉承“迅速降低无线通讯模块成本，撬动整个市场规模”的发展战略，迅速启动国内无线通讯模块市场。
第一款语音无线模块“A6000”，龙尚迈出了关键性的一步，并与合作伙伴一起，将语音模块首次应用在中国移动语音固话和手持机上，得到了中国移动的充分肯定。随后两年里，龙尚先后获得了华南、华北等各地无线通信市场，一举占领2G语音模块制高点，获得了支撑未来发展的原始资本，成功积累了产品研制、企业运营、市场营销和渠道管理的丰富经验。
2008年9月，龙尚第一款基于高通平台的3G无线通信模块“U6100”问世，奠定了稳固的市场基础后，公司加大研发投入，陆续推出了基于GSM/GPRS/EDGE 、WCDMA、CDMA-EVDO 以及 TD-SCDMA网络下的全系列无线模块，产品逐步走向成熟。作为领先的物联网业务和服务提供商，公司相继推出3G广告机、无线视频监控、智慧医疗、广电直播星、环境监测、税控机、宜居通相关物联应用的全套解决方案。
光阴流转、六载春秋，龙尚科技始终以物联网传输层关键部件——无线通信数据模块——的研发和生产为突破口，以提供物联应用整体方案为长远发展方向，经过几年的发展，一跃成为年销售额超4亿元、市场上炙手可热的一站式物联网解决方案提供商。
主动出击，提供完整解决方案
龙尚物联网应用之3G广告推送机
龙尚开发的广告推送机，将广告内容与指令，利用中国联通WCDMA、3G高速无线数据传输，自动从文件服务器下载广告内容，并保存在T-FLASH卡中以U盘的方式接到视频播放器，自动拷贝T卡中的内容；通过SMS命令，启动下载，选择内容，可对服务器内容进行设定，内置8G存储空间，远程控制播放器开关，自动检测网络信号强度，弱信号时通过SMS上报。
龙尚物联网应用之无线视频监控
利用无线数据传输领域的优势，瞄准未来安防的潜力市场，将3G无线技术、网络技术、物联网技术与安防监控深度融合，并推动安防行业从模拟监控、有线网络监控向无线、高清视频监控的发展。3G无线视频监控实现可视化的物物相连，由于具备部署灵活、总体成本低等优点，无线视频监控的应用领域突破传统的视频监控，具备移动视频监控、监控覆盖面广、监控更加便捷等优势，特别适用于城市公交、城际交通、高速公路等移动环境下的视频监控应用，同样适用于森林防火、环保、水利水库、建筑工地等安装环境恶劣的场所。
无线数据监控，可实时查看现场情况。3G网络覆盖下，通过可视电话查看现场；2G网络覆盖下，通过语音电话、现场拍照录像和彩信的方式监控，实时记录现场情况。任何时候接受指令对现场进行录像拍照，接受指令上传现场告警信息。通过连接外部传感器，可以对火警、煤气、烟雾、红外等进行告警，对固定场景进行实时监控。对有人形事物进入现场进行主动报警，对监控器进行操控。可视电话过程中，可以通过DTMF对监控器进行操控，比如转动摄像头、变焦、移动监控器（如果监控器马达可以控制行走）配置监控参数。通过短信或者可视电话菜单对监控和报警行为以及主人号码、接入密码等进行配置。
龙尚物联网应用之智慧医疗
当下，智慧医疗已成为实用性强、贴近民生、市场需求较为旺盛的重要领域。龙尚的“智慧医疗解决方案”是建立一个以病患者为导向的医疗信息系统。对患者的就医关联记录可实时查询，患者之整合历史数据也可通过系统在线获得；门诊、急诊、住院、检验检查与行政等子系统之间也可以进行资源共享和信息整合；信息系统结合互联网，实现数据多媒体化和信息化共享，并可通过系统的管理功能去实现事务处理和决策支持。
近两年来，龙尚与国内知名医疗制造企业合作，推出了可进行多参数定制的个人无线医疗终端，包含血压（普通臂式-动态血压监护）、血氧、心电（触摸式单导-12导）、脑电、肌电（心理压力分析）、胎心监护等参数，保存所有用户数据，自动进行数据分析，并形成图表，可支持多种接入方式，无线上传到数据中心平台。
龙尚物联网应用之宜居通
宜居通是TD-SCDMA无线通信技术和物联网技术带来的家庭信息化新产品，在现有TD无线座机基础上，通过接入无线传感设备，采集处理各类环境信息，经由无线网络传递，方便用户实时监控与管理。宜居通在具备TD无线移动座机功能之余，更从安防预警、家电远程控制等方面全方位优化生活方式和居住环境，满足用户对智能家居现代生活的需求。产品支持无线防区设置，每个防区可以设置多个无线探测器，可发送报警预置短信；特设安防记录功能，包含布防记录、报警记录、警情记录等。只要有网络的地方，都可以安装宜居通终端。
无线信息传输系统 篇7
本发明涉及一种利用GPS定位信息、公交IC卡和无线通信技术进行公交车辆运营信息的采集与处理方法，可应用于其它客运车辆管理和信息采集及处理。
公交信息包括车辆运行位置、站点停靠时间、行驶速度等，这些信息对公交调度，运营极为重要。
目前的公交IC卡信息以二进制数据文件的形式存储于IC卡读卡器上，每天下班前由人工用移动存储器将这些数据文件转移到后台计算机内。再由专业人员将这些数据文件中的数据读出，进行分类处理，存储到数据库中。由于公交线路和车辆班次较多，导致数据文件较多，处理数据的工作量较大。尽管IC卡数据是实时得到的，但是数据是后处理，所以数据是非实时的，难以有效利用。本发明将这些信息通过一定的方法进行有效地采集及处理，并通过无线通信技术实时传送回后台管理中心，使得公交管理人员能够快速掌握公交车辆的运行状态，对公交车辆进行调控。
本发明所述是基于车载设备运行的信息采集和处理方法，该车载设备包括CPU处理器，GPS定位模块，IC卡信息读取模块和GSM/GPRS通信模块，存储有该公交线路的公交站点地图。在车辆运行中车载设备程序接收GPS每秒传送的车辆位置信息，和车载公交站点地图进行匹配判断，采集站点停留时间和读取IC卡刷卡等信息，计算运行速度，预测下站到达时间。最后将这些信息通过GSM/GPRS模块传送到后台管理中心。
本发明的技术效果为：
1.采集车辆行驶中的运行信息，包括车辆所处站点位置、上传时间、站点停靠时间、上下客人数、行驶速度。
2.计算车辆经过的各个站点间的速度及行程平均速度，估计下一个站点的到达时间。将部分数据处理功能放在车载终端完成，减轻后台管理中心压力。
3.公交信息无线传送频率为每站点信息发送一次，在判断离开站点范围后传输。克服了传统车辆监控中频繁上传位置数据耗费资源的缺陷，减轻了后台管理中心的压力。
4.针对城市中常见的GPS信号漂移和车辆同一站点多次停靠的情况进行有针对性的信息处理。保证信息在上述两种情况下的可靠性。
5.在信息上传的基础上，保留本地信息存储备份，提高了数据的可靠性。
联系人：陈艳艳
地址：北京市朝阳区平乐园100号
无线信息传输系统 篇8
1荆州供电公司配电网现状
荆州供电公司配电终端现状:经统计,荆州市城区现有3.5万用户,2009年共有各类配电终端约5 000台,其中各类设备终端2 000台,专变负控终端2 700台,低压集中器260台。2011年底, 预计供区内约有终端2万个点。其中计划新装低压集中器830个, 用电现场约13 600个,10k V联络开关108台。
目前配电 终端接入 方式采用GPRS无线公网 接入,其中2010年新购的设备,在接口模块方面可以选用GPRS模块或者以太网模块,部分设备同时拥有2种接口。
2无线公网存在问题
不断上升的高昂通讯成本:2009年,配网设备终端4 860台, 年通信费为60万元。2011年,配网设备终端计划增至19 290台, 按单个终端年通信费120元计算,通信费预计将达到240万元。运行成本逐年增高,成本高昂。若采用3G方式,单个终端包年约为800元,通讯费用还将增加。
网络性能不高:一是GPRS信号不稳定,数据传输时延长、数据容易丢失;二是GPRS实际数据传输速率在30kbps左右,仅能满足窄带需求,扩展功能有限,不利于在网络上实现更多功能如视频传输、移动办公等,数据传输速度慢。
安全性能较差:GPRS是公众无线网络,无法克服内外网隔离带来的系统整合困难。
3接入层典型方案的技术比较
国网公司的规定:按照《导则》规定,接入层通信网可采用光纤网、无线专网、电力载波和无线公网。因为国内载波抄表技术正处于发展过程当中,其组网技术已经由第二代的静态组网向第三代的动态组网发展,目前仅限于窄带数据应用,因此不予重点考虑,见图1。
3.1三种方案的技术比较
光纤接入方案:SCADA实时数据通信、远动、保护、电视会议、 图像监控信号传输、视频会议、调度电话、行政电话语音、IP、安全自动装置和电力市场化所需的宽带数据等。优点:从技术角度上说光纤方式是最优的选择。缺点:部署安装复杂,建设成本高;建设周期长、维护工作量大;不能灵活组网。
无线公网接入方案:GPRS分组无线移动数据通信提供移动环境下的高速无线IP,可实现电力数据采集交互等。优点:投资成本低,建设周期短。缺点:接通率低,安全性、稳定性低,无法满足内外网物理隔离要求,运行成本高。
宽带无线专网:提供数据业务、VOIP语音业务、视频业务等。 优点:组网灵活易接入,性价比最佳。缺点:频点资源稀缺。
3.2技术分析结果对比(见表1)
电力系统配用电侧信息采集点种类多、数量多、单点传输数据率不高,有些采集点处于地下,网络改造较多、变动频繁,与之相配套的通信网络必须是网络覆盖范围广、组网灵活、接入方便、传输可靠、网络管理配置方便、维护简单、扩展性、生存性很强的网络。
光纤方式(PON无源光网络)传输可靠,实时性、安全性好。 但是光纤到配电台区及各个配用电信息采集点需要敷设大量的光缆,施工难度较大,加之城市光缆的管道及物业协调成本日益增加,导致使用光纤网络进行多点、短数据信息传输一次性成本及传输维护成本太高。
无线公网GPRS/CDMA/3G不能够为电网配电系统通信传输提供大带宽的专用数据通信网络,不能够保证专网业务的Qo S(服务质量),仅适用于无控制要求的配电终端基本数据信息采集,其中3G可以实现设备终端远程视频监控,但对于配电自动化、调控一体化以及智能电网的功能支持仍十分有限,功能扩展不便。
无线专网(WIMAX全球微波互联接入)更适合企业的互动智能网建设,方便管理和配置,组网灵活;安全性能较高,支持内外网物理隔离;在功能扩展方面具有无线公网不可比拟的优势。
结论:无线宽带专网(WIMAX)综合性价比最高。
4WIMAX技术简介
WIMAX是一个全IP的网络,具有按需分配带宽的能力,合理分配带宽资源。WIMAX作为无线宽带领域的重要技术,凭借更低的成本、更大的带宽、更灵活的部署等一系列优点成为了众多新兴宽带市场和发达国家发展无线宽带的首选技术。国内早有WIMAX技术应用案例,2008年奥运会帆船赛事中,我国奥运组委会成功利用部署的WIMAX网络进行报障及应急处置,见图3。
WIMAX是开放的技术:IOT(Interoperability Test,互操作测试)是多厂商运营环境形成的技术基础。各设备制造商要通过IOT测试来验证不同厂家的无线接入网与核心网的互联互通,保证WIMAX技术体系开放。
WIMAX是先进的技术:它是准4G技术,WIMAX 16e可以通过软件升级、替换模块平滑演进到16m或者是LTE。它采用了12种先进的关键技术:OFDM、Scalable OFDMA、Spectrally-Efficient TDD、Frequency-Selective Scheduling、Fractional Frequency Reuse、 Fine Quality of Service (Qo S)、MAC Security、HARQ、AMC、 MIMO、AAS、Flat network architecture。
全球各大厂商共同的选择:目前全球一些电力服务公司如San Diego Gas&Electric(圣地亚哥电气)、Southern California Edison(南加利福尼亚爱迪生)等已经表示,将采用Wi MAX技术来发展智能电网。英特尔、通用电气(GE)等厂商也认为,就未来技术发展与应用服务需求来看,相对成熟的WIMAX技术将可作为连接智能电网中各个终端装置的主要网络技术。
WIMAX同现有3G技术相比,在下行上行的速率、容量等关键参数上全面领先,且具备LTE所没有的较成熟的产业链,并可以通过较小的成本平滑过渡到4G,因此从工程实施的选择上来说, WIMAX是目前技术领先的最佳选择。
安全性问题:WIMAX支持先进的加密、认证和安全机制,使用终端和用户认证来确保网络接入的安全,防止服务盗取。
内外网隔离问题:利用现有城市骨干光纤网络,通过添加和改造部分光端设备和光缆,可完全满足国网公司提出的安全要求。
网络性能:在理想接入环境下,单载波5MHz频率提供下行8.28Mbps、上行2.93Mbps的接入速率,即1×3×3配置的单基站可以提供24.82Mbps、上行8.79Mbps的最大接入速率。经过精密测算测试,容量和带宽满足荆州智能电网需求。
5荆州供电公司的尝试
通过近半年的艰辛努力,在多方通力协助下,荆州供电公司已建设了一张覆盖荆州市部分中心城区,具有示范效益的技术试验网络,可满足覆盖区内配网自动化、调控一体化、以及智能电网其他领域的试点及技术验证工作需求,见图4。
试验网功能应用:一是视频监控功能,通过自行组建专用无线宽带网络,建立配网调控一体化中心与各监控点间的无线传输链路,实现现场图像信息、运行数据的实时动态传输,为电力安全生产的提供准确及时的第一手资料,以使调度、运行人员迅速、准确的处理问题。二是无线远程抄表,能够实现远程抄表功能,进行远程数据采集、交互和控制,满足未来智能用电的需求。三是负荷控制,能够实现配电网大用户的负荷控制,实时监测用户的负荷数据,根据电网负荷情况对用户负荷进行调整控制,及时准确发送配电线管理信息,平滑负荷曲线,达到节能增效目的。四是配电自动化,能够实现对变电站配电终端设备设备的自动化管理,提高配电系统运行的可靠性,对于事故实现提前预告,提高供电质量与生产管理效率,达到经济运行的目标。五是企业信息化,能够实现移动办公,能够使用内部网络资源,如登录PMS(国家电网生产管理系统)。
6结语
无线信息传输系统 篇9
水文信息是衡量水资源的重要指标，其中地下水位的变化与地下水的开采量和地面沉降有着密切的关系，对控制地面沉降具有重要的意义。传统的水文监测主要依靠人工、半人工的监测手段，造成了工作量大、效率低、数据处理繁杂易错、信息传输时效性差等问题，既不适应信息化的发展，又不能满足现代化管理的需要。而且劳动强度也很大，测量精度无法保障，尤其是监测一些地理位置比较偏远或分散的监测点，工作难度更大。为了合理利用水资源，充分了解各个流域水资源的状况，实现水文信息的自动化监测及远程管理，合理利用计算机技术、高精度的测量仪器、公众通信平台等工具，对实现水文信息的远程实时同步动态监测有重要意义。
随着无线通信技术的发展，我国信息化进程不断推进，各行各业对信息化要求也越来越高，在对信息化的认识上，从先前单纯的数字化提升到数字化与网络化、无线化相统一的高度。相对于目前信息化的要求，原有的有线系统虽然基本完成了数字化与网络化，但其布线复杂、维护成本高使得网络节点不能大范围地普及推广，这对信息化的深入和发展造成了很大的限制[1]。因此，信息化对无线数据传输技术的需求不断增大。如今移动网络覆盖范围广，它所提供的各项数据业务使许多智能设备、仪表实现了无线数据的远程传输。GPRS即通用系统无线业务可靠性高，且收费相对低廉。此外基于GPRS的系统，可以有效简化监测系统的地面设施。所以利用GPRS作为通信媒介是实现水文信息动态监测系统的一个有效途径[2]。
实现对水文信息的大面积自动监测需解决两个问题：
(1)如何在恶劣环境下准确测得水位信息;
(2)找到一种既能应用于人烟稀少的偏僻地区，又能在人口密集、建筑条件复杂的城市进行数据远程、实时通信，且耗资少，便于推广并进行计算机网络化管理的数据通信手段。
基于GPRS网络水文信息无线远程监测系统可实现自动化监测，可大大提高地下水动态监测的水平和质量，为科学、合理开发利用水资源，保护生态环境奠定扎实的基础。通过系统的应用，为城市可持续发展和减灾防灾工作提供了必要的决策支持和多元化服务。
1 系统的总体结构及工作过程
该系统利用GPRS通信方式，以基于嵌入式概念的单片机控制技术和GPRS无线模块的通信为核心，经数据采集、处理，传至监测中心用户终端，实现水位的实时动态监测。系统分为智能信息采集终端、信息综合服务器和用户终端三个部分。
系统总体结构框图如图1所示。
图1中的智能信息采集终端由单片机、GPRS无线模块、传感器、变送器等部分组成，主要负责采集水位信息，并将其发送至信息综合服务器;信息综合服务器主要分为数据接收和发送、控制管理、终端处理三个模块，用来对数据进行接收、处理、存储和显示;用户终端包括计算机用户终端和GPRS手机用户终端两种。使用计算机终端的用户需在计算机上安装终端应用程序，然后可上网查阅存放在信息综合服务器中的详细水位资料;手机用户在获得授权后，可通过手机得到实时的水文信息[3]。
系统的工作过程如下：信息采集终端采集现场水位数据，利用传感器和变送器将数据转换成标准信号，再经由模数转换器(A/D)转成数字信号，通过单片机的主控程序和发送数据子程序将采集到的数据经GPRS调制解调器(GPRS Modem)以短消息的方式发送出去。信息综合服务器接收到采集终端传来的由数据编码的短消息后，处理得到水位高程及相关信息，并将其存入数据库方便用户查阅。一旦用户有需要，便可启动收发模块，数据库中水位信息及相关信息将会发送到用户终端[4]。
系统的基本功能如下：
(1)定时自动采集水位数据并存储;
(2)人工录入基础数据及相关数据的编辑与修改;
(3)对所采集数据进行统计分析并制表绘图;
(4)利用计算机及专用软件，通过GPRS系统提供的手机短信功能对观测子站直接进行设置、调试和监测;
(5)能进行数据远程传输。
2 智能信息采集终端的设计
2.1 智能信息采集终端硬件
智能信息采集终端硬件主要由液位变送器、温度变送器、连接电缆和水文信息智能监测仪等构成，如图2所示。设计采用防腐性投入式液位变送器和铂电阻温度变送器。变送器前端采用不锈钢外壳用来防止观测井内水中杂质的干扰。连接电缆是指变送器与水文信息智能监测仪之间连接的电缆。由于液位测量时采用压力比较形式，故连接电缆采用中心有通气导管的专用电缆。水文信息智能监测仪以单片机为核心，配合模数转换、时钟芯片、数据存储、数据显示、后备电源等部分。
观测子站工作原理如下：利用分散设置在观测点的液位、温度变送器将测量得到液位、温度变量转换为可传送的标准化输出信号。系统采用4～20 mA电流信号传输方式将信号送入信息采集终端模数转换部分将模拟信号转成数字信号，以减少信号的衰减和接线的复杂性，再经单片机将转换后的数字信号进行分析处理。数据存储部分使用大容量存储芯片存储处理后的数据。日历时钟具有实时时钟计数功能还能为监测仪提供准确的日期及时钟信号。数据显示部分现场显示出实时监测数据。最后经由数据通信模块利用其内置的调制解调器，实现现场监测仪与各级水务部门中心监测站的计算机之间的数据交换。后备电源部分能在市电无法正常提供的时候保证监测仪的正常使用，且后备电源能与市电自动切换。
2.2 智能信息采集终端软件
滤波能将信号中特定波段频率滤除，是抑制和防止干扰的一项重要措施，基于数字滤波具有精度高、可靠性强、可程控改变特性和便于集成等优点考虑。本系统利用程序用数字滤波来提高水位采样信号的真实度。测量水位时，江河、湖泊和水库等的波浪冲击可能引起采样信号产生瞬时、幅值较大的脉冲干扰，而一旦在采样时刻出现这种干扰，系统就无法正常工作，所以对采样数据进行滤波十分必要。智能信息采集终端采用中值滤波法，即从采样窗口取出奇数个数据进行排序，用排序后的中值取代要处理的数据。系统软件的程序中安排了“冗余指令”可在PC因干扰出错，程序脱离正常轨道，出现“乱飞”时使程序迅速进入正轨，还安排了“软件陷阱”可在乱飞程序进入非程序区或表格区无法用冗余指令使程序入轨时发挥作用。数据采集分机软件包括主程序和数据传送子程序[5]。数据传送子程序流程如图3所示。
智能信息采集终端软件，使用C++语言编写，利用面向对象程序设计的编程架构，以构件的形式搭建应用软件的主要功能部件，以提高系统的可视性，也便于数据汇总和数据交换。利用Microsoft Access数据库保存及处理数据，提高系统的可靠性和运行效率[6]。
3 信息综合服务器程序的设计
水文远程监测网络系统主要由中心监测站和现场观测子站组成，分为两级联网。由三个环节构成：现场数据采集与存储、远程数据传输、数据分析与数据库管理，如图4所示。水文信息遥测管理系统使用C++语言编写，完成了由上到下的模块式总体设计。系统集合了水位信息的实时采集、预处理、数据存储及管理功能，构成了一个一体化的综合信息平台。通过无线远程传输技术，实时获取监测点的水资源信息，按照日、月、年，分不同时段将数据存入数据库，并绘制曲线(见图5)与直方图对比分析数据，最终将结果显示给用户，并能依照用户需求自动生成报表。上位机软件管理系统功能主要由信息综合管理模块、实时远程监测模块、水资源决策支持系统、输出模块及其他辅助功能组构成[4]。
3.1 实时远程监测模块
实时远程监测系统采用无线数据传输技术和串口通信技术采集数据信息，能随时监控监测点的运行情况，实时采集水位、水温数据。监测点的水位、水温传感器将水位、水温这两个物理量信息转换成模拟电信号传输至测报仪，经A/D将模拟信号转换成数字信号进行数据处理，并储存。需要水资源信息时，用户终端可以依据指定的通信协议将数据送至与之相连的Modem即调制解调器，再利用GPRS网络将数据以短信形式发出。监测中心的Modem收到短信后，经串口将收到的数据传至与之相连的上位PC机。当监测中心需要采集实时数据时，可以经由遥测管理系统的实时数据采集模块向监测站发送信息。
3.2 水资源决策支持系统
该系统采用信息融合技术对多个传感器的观测信息进行分析、综合处理，根据采集到的信息，在水资源数据库中查找并计算出每个测点每个年月水位的最大值、最小值、平均值等数据建立模型，结合当时的水环境情况、区域发展的现状、总体规划的要求，结合模型对数据进行综合处理和全面分析。
3.3 输出模块
在此部分用户可将数据导入到Excel或Word中进行查阅或做进一步处理，根据各自需求的格式自动生成电子报表，有一日报、三日报和五日报三种，并可通过打印机打印出来。
4 系统的功能扩展及创新点
目前该系统只用来监测水位，但其监测终端提供了多路模拟量输入接口，可实现多路信号的同时接入。即在监测水位的同时，对水温、流速等进行测量。系统能够实现数据的远程传输，同时不受环境条件的限制，不但能用于水位的远程监测，还能对水库堤坝、江河水渠、蓄水池等的水位进行远程监测。系统符合监测领域中GPRS技术、嵌入式系统技术相互结合的发展趋势，使用方便，结构简单，操作容易，应用前景广。
5 结语
随着信息化进程，水文信息监测系统趋向网络化科技化发展，要求水文信息的获取更加精准及时，水文观测项目和内容也不断增加，对观测手段和方法及水文监测技术的研发和应用提出了越来越高的要求。本文设计的基于GPRS的水文信息无线远程监测系统，基于GPRS网络(在现有的GSM网络中增加GGSN和SGSN来实现)，利用短消息方式，进行单片机模块开发的远程数据采集系统。将远距离采集数据与GPRS无线数据传输技术相结合，改变了以往有线的局限，能够实现水文站的无人值守功能，改变以往人工监测造成的低准确性。系统的结构简单，易于扩展，网络覆盖广，不受地理位置限制，通信费用低，数据实时在线，可广泛用于地质，水文等领域，能应用于交通不便、没有电力的偏远地区，具有较高的应用与推广价值。
摘要：研究设计了一种基于单片机与GPRS网络的水文信息远程监测管理系统,利用GPRS网络的短消息业务来完成水位、温度等参数的无线、远程和实时传输,实现测量结果的计算机管理,测量精度高。经过实际使用证明,系统具有较高的稳定性与实用性,从而为科学开发和合理利用地下水资源、有效地预防地面沉降及地裂缝的发展和政府决策提供了科学依据。
关键词：水文信息,遥测系统,GPRS,嵌入式系统
参考文献
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[4]张玉杰,葛金娟.地下水资源遥测管理系统设计[J].计算机测量与控制,2010(12):2869-2871.
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无线信息传输系统 篇10
关键词：用电信息采集系统,微功率无线,信道仿真系统
0 引言
随着能源的日趋紧张和用电需求的迅速增长, 许多国家都在积极发展智能用电技术。就我国目前形势而言, 建立安全可靠的用电信息采集系统是建立智能电网不可或缺的一部分。
目前的用电信息采集系统中, 本地通信方式大都采用RS485总线和电力线载波方式, 但这两种通信方式都存在着诸多缺点和不足, RS485总线通信方式安装调试复杂、易遭到人为破坏, 电力线载波方式存在信号衰减大、噪声源多且干扰强以及受负载特性影响大等问题, 对通信的可靠性形成一定的技术障碍[1]。已在小范围试点运行的微功率无线通信方式由于具有施工简单、成本低、适应性强等优点, 得到了广泛的关注。
国外在将微功率无线通信技术应用到用电信息采集方面的研究比较早, 自动抄表系统的理论和技术目前己经比较成熟, 在发达国家 (如美国、日本、英国等) , 基本都实现了自动远程抄表[2]。在我国的用电信息采集系统中, 470~510 MHz免申请频段的微功率无线通信方式的成功应用, 使得对于这种通信方式的研究逐步发展起来, 然而, 目前已有的无线通信性能评估系统的功能和性能指标不能完全满足对现有多种无线通信产品性能评估的需求, 国内对于微功率无线通信方式用电侧的无线通信产品的性能评估技术发展相对滞后。
1 国内外研究现状
无线通信产品在用电侧计量设备中的应用, 要求建立完善的产品性能测试系统, 以便全面、准确地考核用电侧所应用的各种通信设备的性能, 为数据传输的可靠性以及通信设备的质量提供保障, 提前发现实际使用过程中存在的隐患。
近年来, 由于数据通信技术需求的推动以及半导体、计算机领域等相关电子技术的快速发展, 无线信道仿真技术发展迅速, 基于软件或硬件均可实现无线信道的模拟仿真。目前软件实现方式上多采用MATLAB、C++编程, 可实现对信道各项参数的仿真设置, 这种方式操作简单、成本低, 适合于学术研究, 但不适用于实际产品的检测;硬件一体化无线信道仿真器也已有成熟的产品, 其中以美国Spirent公司和芬兰的Elektronbit公司的产品较为多见。但这些较为成熟的无线信道仿真设备多针对无线公网如GPRS、CDMA等信道的测试, 通信频点、测试模型以及测试方式上均不适合微功率无线通信信道的环境, 因此目前基于硬件仿真实现这一特定频段、特定通信方式和特殊通信环境的微功率无线通信信道的仿真还处于研究阶段。
目前, 国内有部分微功率无线产品生产厂家也在研制微功率无线通信的检测系统, 这些检测系统只能根据经验值实现对信号损耗的一个模拟, 不能实现对诸如多径衰落、噪声以及衰落类型等信道参数的仿真, 因此这些系统并不能够模拟真实的信道环境。此外, 这些检测系统只能实现对自己产品的检测, 无法实现微功率无线通信产品的互联互通检测, 因而无法大规模应用到实际的微功率无线通信产品的性能检测评估中。
2 微功率无线通信信道分析
2.1 微功率无线通信环境及信道参数分析
微功率无线通信技术是采用频率调制方式把信息加载在470~510 MHz高频电磁波上, 利用空间传播来进行数据通信的方法[3]。其通信特点在于自组网, 采用分簇的Ad hoc分级网络结构, 按照集中器模块内部的智能电能表地址信息, 模块自动组网, 电能表模块不仅可以传输自身的用电信息, 还可为其相邻的电能表模块转发数据, 这使得从电能表到集中器存在多条有效路由, 当某条路由中断时, 无线自组织网络中可立即启用另一路由继续进行数据传输。微功率无线通信设备组成示意如图1所示。
在实际的通信环境中, 集中器并不是采集每个电能表的数据, 而是根据自组网的特点采集相对距离较近的节点信息或者主表位的信息, 从而获得整个小区的用电信息。
对以上环境的分析以及对大量文献研究表明, 虽然微功率无线信道与传统的移动信道一样, 发送的无线电波经历大量反射、散射和绕射造成多径色散[5], 但微功率无线通信信道又同传统的移动信道存在差别。
1) 传统的移动信道为高基站天线、低移动天线, 信号色散的主要原因是固定物体 (如建筑物) , 相比较而言, 人和车辆的移动可以忽略。微功率无线信道的天线都较低, 抄表环境存在于室内或室外, 建筑物、人和其他物体在低高度移动台天线周围的移动都会造成信号的变化。
2) 传统的移动信道的多普勒频移较明显, 而在微功率无线环境中不存在发射端与接收端相对的快速移动, 因此微功率无线信道的多普勒频移可忽略。
3) 微功率无线传播距离比移动信道的要短, 因而传播时延和多径时延差小得多。对微功率信道而言, 最大传输时延约为10μs, 而移动信道会受远处物体, 例如丘陵、山脉、高大建筑物等影响, 附加时延大于100μs。
微功率信道也受到气候、环境、距离等各种因素的影响, 接收到的信号幅度和相位是随机变化的, 必须考虑快衰落、深度平坦衰落、长扩展时延等因素[6], 通信速率高时还要考虑频率选择性衰落等各种不确定因素。
2.2 微功率无线产品检测指标分析
根据现有的一些标准[4], 微功率无线产品的检测包括发射性能测试、接收性能测试、组网性能以及协议分析测试, 这些主要的测试类别中包含对接收信号灵敏度、频偏、误差矢量幅度、抄表时间、抄表成功率等一系列指标的检测和分析。如果在实际的环境中测试, 需要耗费大量的人力和物力, 且需要反复测试产品特性, 可行性较差, 因此迫切需要在实验室环境下建立微功率无线信道的仿真系统, 以便于实现对微功率无线通信产品的检测, 进而建立和完善可靠的用电信息采集体系。
3 系统仿真
3.1 系统概述
本文研究建立了一个无线信道仿真平台来建立对微功率无线通信产品的检测能力, 实现对470~510 MHz微功率无线模块的指标检测。此系统可以全面模拟用电信息采集系统本地通信信道的信号损耗特征、多径衰落特征、信号频移、相移特征以及噪声特性, 并且实现了信号的双工通信, 解决了单向链路无法模拟这一特定通信技术特点的难题, 可完成集中器模块向微功率电表模块发送命令、电表模块回复数据的双向通信过程, 在测试过程中注意信号的屏蔽, 可以实现对外界干扰和噪声的有效隔离, 以实现被测集中器模块与电能表模块的良好通信。
无线仿真测试仪器连接框图和仿真系统功能框图分别如图2、图3所示。
本文的信号模拟方案主要由Agilent公司的N9020A MXA频谱分析仪、N5106A PXB接收机测试仪、E4438C矢量信号源构成。其中E4438C和N9020A完成信号的变频转换, N9020A将用户需要衰落的RF信号下变频到中频, E4438C将模拟后的信号上变频到RF输出, N5106A可设置信道参数完成对中频信号的信道模拟。
为了验证系统可行性, 需采用确定信号以方便对比输入输出信号, 因此, 本文的仿真实验均采用安捷伦E5515C作为信号源, 发送连续波信号。
3.2 传输环境分析及系统仿真
为了验证系统的可行性, 本文对用电信息采集系统的本地通信方式——微功率无线通信的无线信道涉及的各个信道参数进行了仿真, 并对仿真结果进行了分析。
3.2.1 信道衰减
设置频率f=475 MHz, 幅度为-20 d Bm。经测得输入信号的带宽B=63.35 k Hz, 周期T=2.115 ns。输出信号频谱如图4所示。
设信号衰减为10 d Bm, 则接收信号幅度为-30 d Bm, 图4为经过无线信道仿真系统后信号的频谱分析, 输出信号的幅值为-30.75 d Bm, 在可接受误差范围内。
在实际的测试中, 系统最大衰减量能达到-136 d Bm, 可以满足在可接收到信号条件下任何微功率环境的参数模拟。
3.2.2 多径效应
在实际的微功率环境中, 电能表和集中器的安放位置各不相同, 对于一些旧的住宅小区, 电能表多安装在楼道内, 集中器安放在楼外的配电箱内, 对于新建的一些住宅小区, 电能表和集中器往往都安置在地下室的配电室中, 还有一些农村环境下信道的情况也不尽相同, 但由于环境中障碍物的反射、绕射和折射现象, 信号一定会产生多径效应。
根据时间弥散性, 当满足信号带宽大于相关带宽时, 信号产生串扰。对于多径幅度, 在距离信号源较远的地区, 直射波由于扩散损耗较大而很弱, 或者由于遮蔽而没有直射波, 仅有大量反射波, 衰落服从瑞利分布[7]。
测得本文的输入信号带宽B=63.35 k Hz, 因此多径时延需满足τ>15.8μs时才会对不同频率的信号产生频率选择性衰落。
根据以上理论基础, 对信道的多径时延进行了仿真分析, 仿真参数为:多径时延τ=[0, 0.1, 0.5, 17.2, 50], 单位为μs, 5条时延信号的频偏f=[0, 5, 10, 2, 15], 单位为Hz, 相移θ=[0, 7, 15, 18, 20], 单位为度, 信号功率幅度服从瑞利衰落。
多径效应频谱和多径效应时域波形分别如图5和图6所示。
图5记录了3个不同时刻信号的频谱图, 从图中能清楚地看到信号发生了频率选择性衰落。图6为信号时域波形, 经过多径效应的信号幅度都发生了较大的波动。频率幅度数据统计见表1所列。
表1记录了频率和幅度的变化, 可以看出由于信号受多径效应的影响, 幅度的变化范围波动较大, 从3.10~21.13 m V, 即从–37.2~–20.5 d Bm变化, 由此可见, 多径效应引起信号发生了频率选择性衰落。
本文建立的仿真系统可最多模拟24条路径, 多径延时可达2 ms, 且每条路径都可设置发射角度与到达角度, 因此可以满足微功率无线环境的测试。
3.2.3 其他参数仿真
微功率无线环境下的噪声为高斯白噪声, 在实际的仿真中, 可根据实际环境下的信噪比来产生相应的高斯白噪声, 仿真系统信噪比可达–30~30 d B。可在0~360°范围内生成任意角度的入射角、出射角的信号。此外, 可根据衰落特点设置衰落类型, 包括Rayleigh、Rician、Suzuki、对数正态分布等。
4 结语
本文分析了用电信息采集系统中微功率无线信道环境的特点, 根据微功率信道特有的特点, 建立了适合于微功率无线通信产品的检测系统, 完成集中器与电能表的双向链路通信检测, 通过大量的实验验证, 整理了大量的数据和试验结果。从理论上分析了系统的可行性, 可用于对微功率无线产品的检测。
参考文献
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[6]于春锐.无线通信系统的信道建模与仿真研究[D].长沙:国防科技大学, 2007.
无线能量传输 篇11
故事出自《苹果树下的宇宙飞船》，一部平淡的儿童科幻小说，却描绘了外星人骨灰级的无线能量传输技术。从太阳系以外的一颗星球，把能量定向传送给一艘停在地球上的宇宙飞船，功率大到能让飞船飞出太阳系，返回母星。这种技术绝对是阳春白雪，高大上。那地球人的技术呢？
我们从电动牙刷说起。电动牙刷的动力来自手柄里的充电电池，充电的时候把牙刷立在底座上就行，手柄上没有电源插孔，手柄和底座之间也没有电源连线。这就是最简单的无线能量传输，原理是法拉第电磁感应定律，底座和手柄里各有一个线圈。当底座线圈接通交流电时，线圈的垂直方向会产生交变磁场，磁场穿过手柄线圈，并在线圈里产生感生电动势，经过整流之后为手柄里的电池充电。同样的原理也用在许多无线充电的手机、平板电脑、智能手表里，而且还被用于植入人体的医疗器件——无线充电比开刀接电线可方便多了。
插一段历史，是谁最早利用电磁感应原理来无线传送能量的呢？提示一下，他的姓氏被用作磁场单位，而且一家制造电动跑车的公司就以他的姓氏命名。这位大牛就是尼古拉·特斯拉。早在19世纪末，他就开始研究利用电磁感应定律来无线传递能量。在一系列成功的无线传输演示后，他提出了一个不切实际的设想，要与正在尝试无线电报的马可尼竞争。他计划建造一座沃登克利弗塔（也被称为特斯拉塔），不但可以在纽约和伦敦之间传送信息，还能无线输送电能。1901年，他忽悠银行家约翰·摩根投资15万美元（这在当时可是一大笔钱）在长岛建塔。结果，钱花光了，这座57米高的塔还没开始运行，竞争对手马可尼就已经成功。摩根拒绝继续资助，特斯拉虎落平阳，无奈放弃，塔被拆除还债。有意思的是，特斯拉未能成功的实验居然还被后人用来牵强附会地解释通古斯大爆炸。
言归正传，这些例子都有一个共同点，两个线圈必须靠得很近，也就是说设备要紧贴充电器。有远一点儿的吗？当然有。2007年，麻省理工学院的教授马林·索尔贾希克验证了利用磁共振原理无线传输能量的可行性。他和合作者用充电线圈点亮了2米开外的60瓦灯泡。当时，他小声嘀咕了一句：“其实还是特斯拉的振荡变压器最先利用共振来无线传递能量。”这位教授随后创办了WiTricity公司，研发推广磁共振无线充电技术。这项技术可以做到用一个充电器给多个手机或平板电脑同时充电，手机的放置也可以随心所欲，横着、竖着甚至立着都没问题。磁共振无线充电还有一个重要用途——给电动或者混合动力的汽车充电。想象一下，您开着电动轿车回家，进车库停好，埋在地下的线圈就自动和车底盘上的线圈进行识别，然后开始充电，根本不用费事插电线，给邻居演示一下，肯定能引起羡慕嫉妒恨。高通公司成功进行了真车实验。一家叫Plugless的公司早已经开售汽车无线充电配件，不过这家公司并没有透露具体用到什么技术。新西兰奥克兰大学的教授格兰特·乔维奇和约翰·鲍埃斯提出了更科幻的动态充电设想：在公路下面埋设很多充电线圈，这样车就可以边走边充电。既然随时在充电，那么车上的电池就不需要很大，节省了空间和重量。不过，想想看，整条公路都要挖坑埋线圈，肯定需要大笔砸钱才行。
这些例子都是利用几十、几百千赫（kHz）或几兆赫（MHz）的电磁波来传送能量，距离只有几米，功率最多几千瓦，小打小闹。整个电磁波谱那么宽，用更高频率行吗？行呀。用高频率的微波和激光还有一个很大的好处，那就是方向性好，传播距离远。在前面说到的应用里，其实都用到了屏蔽材料，把低频的电磁场限制在线圈附近，尽量减少对外部的辐射，既避免损耗又保证使用者的身体健康。而微波和激光就不需要这样的屏蔽。下面就详细说说地球人真正像点儿样的无线能量传输技术。
先说微波。1941年，一部短篇科幻小说《推理》问世，作者是科幻史上的三巨头之一艾萨克·阿西莫夫。故事的场景是一个在太空中收集太阳能的空间站，这座空间站把收集到的能量用微波传送到周围的行星。小说问世大概30年后，美国航天工程师彼得·格雷泽提出了太阳能发电卫星的概念卫星的太阳能电池板收集能量，然后用微波把能量传送回地面。这样做的好处是太空中的太阳光更强，而且可以24小时不间断。问题来了，在这位工程师的设想中，卫星上发射微波的天线要1平方千米那么大，把这么大的东西送上太空并不容易，而且地面站需要更大尺寸的微波接收天线。20世纪70年代末，美国能源部和美国航空航天局评估了这个项目，结论是未知因素太多，无法准确判断。20世纪90年代，美国航空航天局重新评估它，结果还是一样，要等到航天发射变得很便宜时才有可能。日本科学家并不这么想，2014年，日本宇航研究开发机构（JAXA）的教授司理佐佐木撰文曝料，日本要在25年内把太阳能卫星变成现实，计划在东京湾建造一个拥有50亿台微波天线的、3千米长的人工岛，用来接收卫星发射的微波束。为什么日本如此急切？第一，日本没有多少石油资源;第二，日本缺少可以利用风能、太阳能的辽阔土地;第三，福岛核电站的事故让人对核电很害怕。他们并没有纸上谈兵，2015年3月，三菱重工成功进行了一次功率10千瓦的微波能量传输实验，传送距离500米。
发射太空飞船是利用微波能量传输的另一设想。位于科罗拉多州的初创公司“逃逸动力学”（Escape Dynamics）专门研究利用微波为飞行器无线传输能量。他们的目标是实现以微波辐射为动力的太空飞行。太空飞船在起飞和飞行过程中受到地面微波站的辐射，从而获得动力，无须使用传统的化学燃料。太空飞船使用热推进器，以氢作为工作流体氢以液体的形式储藏于一个低温罐内，里面出来的氢气经由涡轮泵加压到150个标准大气压，然后进入热交换器;热交换器吸收微波能量，把氢气加热到2000 ℃，最后从喷管喷出，从而推进飞船飞行。顺便提一句，热交换推进技术并不是什么新发明，有兴趣的读者可以上网搜搜20世纪60年代的火箭飞行器核引擎（NERVA）。
他们设想的发射情节是这样的：飞船直立在发射台上，旁边的起始段微波站开始照射飞船，提供动力，使飞船起飞。飞行起始段结束后，位于200千米外的助推段微波站接力，继续为飞船提供动力，将其送入地球轨道。释放诸如卫星之类的载荷后，飞船滑翔返回，最后水平着陆。返回大气层时摩擦产生的高热可以继续为热交换器提供能量，从而产生飞行动力，这样有利于控制滑翔姿态，使之安全着陆。
需要什么频率的微波呢？研究人员把微波频率初步定在92千兆赫（GHz）。微波功率要多大呢？这取决于飞船的重量。在初步设计中，飞船加上载荷大约1吨重，还没一辆家用轿车重，所需的微波功率大概是400兆瓦。假设微波源的效率是50%，那么电网就要提供多1倍的电力。在电网和微波站之间还需要一个储藏电力的中转站，发射的时候，中转站在飞船起飞阶段，大概5分钟提供65兆瓦时的能量。这时候如果鸟群不幸飞过微波束，不知道会不会瞬间变成“炸鸡”。公司的科学家计划使用发射功率为500千瓦的微波源，要达到400兆瓦的微波功率，就需要800个微波源。即使几个微波源共用一个天线，那也需要上百个微波天线来组成相位阵列，可比小说《三体》里的红岸天线壮观多了。
讲了半天，这些都是凌云壮志。现在进展到哪里了？2015年夏天，科学家验证了比冲达到500秒的热交换引擎，高比冲意味着推进系统的高效率。另外，他们成功演示了用微波为小型无人机提供10千瓦至20千瓦的飞行动力。无人机自由地飞来飞去，微波天线可以自动跟踪。他们还研制出了100千瓦的微波源，准备进行千米距离上的能量传输实验。
在太阳能发电卫星和发射太空飞船的例子里，可以用激光代替微波。激光的方向性更好，能量密度也更大。具体说呢，就是把激光器作为发射端，光伏电池板作为接收端。这不是和太阳能发电很像吗？是的，不过激光的能量密度要大得多，而且可以发射到指定位置上，即使夜晚也可以用。利用激光传输能量的设想早在20世纪70年代就有了，如今，人们已经梦想了各种应用，涵盖陆、海、空、太空。太空中，卫星、飞船、空间站或是月球车都可以用激光束来充电，光束来自地球或是太阳能发电卫星。同样，激光还可以为无人机提供动力，甚至给海底的潜水艇或传感器充电。陆地上，在没法铺设输电线路的特殊地区或是危险的战场，小到士兵身上的电池，大到前线基地，都能接收地面或太空中激光器提供的能量——越说越像让我们高山仰止的外星科技了。
现实还处于初始阶段。2003年，在美国航空航天局马歇尔太空飞行中心的大楼里，人们成功试飞了一个小型飞行器，首次实现了纯粹以激光束为动力的飞行。实验中，工作人员用功率1千瓦的红外波段激光照射一架小飞机。飞机底部的光伏电池板把红外线转换成电能，为一台6瓦的电动机供电，给飞机提供飞行动力。美国航空航天局为了推动无线能量传输的发展，举办了一系列能量束挑战赛（Power BeamChallenge），要求参赛者设计一个能够攀爬绳索的机械装置，动力来自地面的无线能量传输。绳索有1千米长，由一架直升机悬吊在空中。这其实是在模拟太空电梯。2009年，激光动力（LaserMotive）公司胜出，获得了90万美元的奖金。现在，这家公司正致力无人机的激光能量传输技术。
回到本文的标题。和开着飞碟四处溜达的外星人相比，地球人还在蹒跚学步。或者换句话说，我们还处在玩模型飞机的水平。千里之行，始于足下，2015年7月，美国航空航天局把微波推进绘入了未来推进技术的蓝图。如果能够成功，无线能量传输会给太空探索带来很多好处：首先，太空飞船可以反复使用，费用远低于传统的多级化学火箭;其次，因为无须点火，所以发射起来更安全;最后一点，无论是采用激光还是微波，能量都来自电力，不需要任何燃烧，发射与飞行不产生温室气体，低碳环保。
延伸阅读
在《星球大战》中，光剑具有举足轻重的地位。光剑分为开启和未开启两种状态，在不同状态下，光剑的外形也不同。在光剑被启动后，光剑内部的能量会释放并形成一道约1米长的等离子光束。使用光剑时，剑身还会发出嗡嗡声，这是能量磁场起作用的信号。在使用者手中，光剑几乎无敌。一把光剑可以拥有砍穿防爆门的能量。如果再加上原力的力量，使用者可以预测来袭的能量束，甚至再将它反弹回袭击者身上。
美国物理学家、科学畅销书作者加来道雄曾在《不可能的物理学》中介绍了如何制作光剑，他的构想更接近《星球大战》中光剑的原型。不过，加来道雄的构想还没有被制造出来。
无线信息传输系统 篇12
无线电能传输系统[1,2,3], 因其摆脱了传统的导线连接, 而在生物医学[4,5]、水下作业[6]等领域有着非常明显的优势, 其未来的发展空间是非常广阔的[7]。由于负载状况以及环境工况都可能会发生改变, 为了更好地实现无线电能的传输, 在传输电能的同时需要进行信息的传输。国内外学者对于无线电能传输系统中同时进行信息传输的方案进行了研究, 其中包括振幅调制和频率调制[8]。
然而, 在已有的文献中, 大都只是研究信息传输的具体实现方式, 对于无线电能传输系统中信息传输速率和电能传输效率的关系的研究还比较少。针对上述空白, 本文对无线电能传输系统中信息与能量的关系进行了研究, 并给出了相应的优化方案。
1 无线电能传输系统的信道容量和电能传输效率
无线电能传输系统的传输效率特性曲线如图1所示, 将频段划分成n个子频带, 设在第k个子频带内分配的功率为p (k) , 传输效率为η (k) , 则对应的离散模式下信道容量和传输效率分别为式 (1) 、 (2) 。
式中C—系统的信道容量;N—高斯白噪声功率;η—系统整体传输效率。
2 输入输出功率受限时信道容量的优化方案
从式 (1) 中可以看出, 信道容量随着输入功率的增大而增大, 然而实际中系统所能提供的功率肯定是有限的, 因此需要考察在输入功率受限时, 子频带的功率分配方案, 即:
式中Pin———电源所能提供的最大功率
对式 (3) 所示的优化问题, 采用Lagrange乘数法[9]来求极值, 最终得到子频带的功率分配方案为:
式中μ*———Lagrange因子, 满足式 (5)
对于无线电能传输系统, 不仅关注输入功率, 实际上更加关注负载侧接收到的功率, 也即输出功率, 因此有式 (6) 的优化方程:
式中Pout———负载侧所需的功率
同样地, 解得最优解为:
其中μ*、λ*分别满足式 (8) 、 (9) 。
3 信道容量和传输效率的优化问题
上一节主要分析了在输入功率和输出功率受限时信道容量的最优化问题。而对于图1所示的情况, 即传输效率特性曲线只在一点处取到最大时, 如要实现电能传输效率的最大化, 那么系统需要一直工作在fpeak频率上, 此时工作带宽为零, 那么信道容量也为零, 即传输效率与信道容量在这种情况下, 不能同时达到最优, 因此需要研究两者的优化问题。
3.1 传输效率受限时信道容量的优化问题
不同的无线电能传输系统对传输效率和信道容量的要求肯定是不同的, 对于大功率传输的应用, 效率是要优先满足的, 因此在式 (6) 的基础上, 提出了如式 (10) 所示的优化问题:
式中ηrequired———至少需要的传输效率
经过推导, 得到功率分配方案:
其中μ*、λ*、ω*满足式 (12)
3.2 信道容量受限时传输效率的优化问题
对于信息传输速率要求高的场合, 信道容量成为首要满足的条件, 此时优化方程可以表示为式 (13) 。
式中Crequired———至少需要的信道容量
同样地, 得到功率分配方案为:
其中μ*、λ*、ω*满足式 (15) 。
4 结束语
本文通过引入信道容量和传输效率的表达式, 将无线电能传输系统中信息与能量的关系进行了分析, 通过理论推导, 得到了当输入功率和输出功率受限时, 信道容量的最优化方案。并在此基础上, 进一步得到了当信道容量和传输功率分别受对方限制时的优化方案。为无线电能与信息传输系统中能量和信息的平衡问题提供了指导思路。
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