无线数据传输网络在蒸汽计量中的应用

0 引言
  蒸汽能源计量系统企业一般使用现场总线网络，实现各个采集点的数据采集和传输，对于采集点集中、环境相对较好的条件下比较适用。但是对于采集点分布范围比较广、环境条件差的环境; 数据经过采集后，如何进行传输，到达控制主机进行显示和监控，成了一个关键的问题。传统的现场布线方式，布线不仅非常麻烦，线路还比较容易受腐蚀，线路一旦出现故障就很不容易定位。这种情况下，数据传输采用无线传输当然是非常简单高效的选择。
1 蒸汽计量系统结构
  蒸汽流量计量系统分为数据现场采集及发送和数据接收、显示及监控两大部分，如图1 所示。蒸汽能源计量中，数据的采集目前主要采用智能

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仪表即智能流量积算仪。智能流量积算仪采用的微处理器进行智能控制，适用于各种液体、一般气体、蒸汽、天然气等的流量检测与积算控制。采用查表法进行密度补偿，能自动对过热蒸汽、饱和蒸汽进行高精度的积算控制。智能流量积算仪带有和无线网络收发系统通信的接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，并具有联网功能，这是数据无线传输的重要环节。
  蒸汽计量系统的工作过程: 智能流量积算仪将从温度、压力和差压传感器采集到的电信号通过微处理器完成补偿等高精度的积算控制，一方面实现仪表现场温度、压力、差压、流量和累计量的转换和显示; 另一方面通过与无线网络收发系统的通信接口，将数据传输给无线网络收发器节点，再通过无线收发网络将数据送达电脑控制主机，由蒸汽计量软件和数据存储软件实现数据的显示、监控和存储。
采用的能源计量软件，对采集的数据进行显示和监控，并结合功能强大的SQL Server 2000关系数据库管理系统，对采集的周期性数据进行保存，以便实现历史数据的查询。能源计量软件可以实现蒸汽压力、温度、差压、瞬时流量、日累计和累计的显示和监控，还对各个测点参数，如管径、量程等进行显示。
  无线网络工作过程中，由于外部环境的干扰，通常误码率比较高，为了达到数据的可靠传输，系统制定了简单的传输协议，从机只有在主机要求的情况下才发送数据，并且主机的命令发送与数据发送处于两个不同的信道，实现了无线收发数据的可靠性。
  主机发出采集数据的命令要求，智能流量积算仪才将此时的数据打包，传给相连的无线收发器节点，再通过无线网络上传给主机。由于数据采集时，主机同时向各个测点发出采集命令，而各个测点数据先完成采集，再按照预先设定的先后顺序上传，有的测点由于采集数据不及时，而出现数据上传滞后的现象。但是，蒸汽能源计量对数据采集、传输的时效性要求不是特别高，几分钟的滞后并不影响数据的有效性。
2 无线数据传输收发网络
随着无线通信技术的发展，无线数据传输系统的应用领域在不断扩大，基于射频技术的监控系统是无线数据传输在无线通信领域和自动化控制领域的重要应用。无线数据传输和传统的有线连接不同，无线数据传输无需架线，无线模块硬件稳定，可以经受恶劣环境的考验。分布式数据采集中央系统在采集完数据后，将数据发送给无线模块，无线模块就会将数据通过无线发送到远程的基站，然后基站将数据通过串口传到管理中心。无线传输网络图如图2 所示。

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  由图2 可以看出，无线传输网络是平面网络结构，是无线传感器网络中简单的一种拓扑结构，所有节点为对等结构，具有完全一致的功能特性。这种网络拓扑结构简单、易维护、具有较好的可行性。
  另外，无线传输网络具有高实时性，穿透力强的特点。数据采集后传输速度非常快，并且此无线模块工作在230 MHz 载波频率下，无线传输距离比较远，穿透力强，对于现场环境的适应能力非常强。网络容量较高，规模的扩展性也很强。
2．1 无线收发器
  无线收发器是无线网络的核心环节，无线收发模块将数据的接收和发射结合为一体。无线收发器的结构框图见图3，主要由四部分组成，包括电源、无线收发模块、单片机及控制电路和LED 显示部分。

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　无线收发器的一体化数据传输模块的性能优异，它的显著特点是模块在内部完成了高频接收、参量放大、频道切换等功能，其外围所需元件少。接收机的灵敏度较高，而发射机具有邻道抑制比较大、启动时间短等优点。采用FSK 调制/解调，可直接进行数据输入、输出，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合。
  每个无线收发器节点多可以连接八个计量测点，完成数据的传输。同一个无线收发器节点下的计量测点的智能仪表采用串联连接。主机发出数据采集命令时，各个计量测点的智能仪表按照令牌方式，将数据打包上传给无线网络，控制主机进行显示和监控。
另外，无线收发器可直接与电脑串口进行连接，软件编程非常方便。由于采用了低发射功率、高接收灵敏的设计，在开阔的环境中使用时，使用距离远可达1 km。
2．2 无线网络的天线
  当无线收发器节点之间或与其他计算机相距较远时，随着信号的减弱，传输速率明显下降，根本无法实现与无线节点或与其他计算机之间通信，此时，就必须借助于无线天线对所接收或发送的信号进行放大。无线天线相当于一个信号放大器，主要用来解决无线网络传输中因传输距离、环境影响等造成的信号衰减。
无线天线的种类很多，蒸汽计量系统中无线传输网络选用的是全向天线。决定天线大小和形状的因素就是无线电波传播的方向。如果在各个方向同等接收或发送无线电波信号，意味着它要求各个方向都能工作，这种天线称作全向天线。全向天线将信号均匀分布在中心点周围360 度全方位区域，要架在较高的地方，适用于连接点距离较近，分布角度范围大，且数量较多的情况。
  由于计量测点分布较为分散，不在同一方向，且在各个计量测点之间没有影响无线电波信号的障碍，所以选用的棒形全向天线，使用效果良好。

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4 测试结果及分析
  结合本次实验测试环境，将速限制设置为20km/h，系统准确地进行了测速及拍照存储，如图6、7、8所示，表1 为测速结果数据，验证了系统是可行的。

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