無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在工程機械上的應用

摘要：重點(diǎn)分析了當前工程機械領(lǐng)域內被廣泛使用的若干類(lèi)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，通過(guò)大量的引證并結合現有的產(chǎn)業(yè)化應用實(shí)例對比總結各類(lèi)型通信技術(shù)手段的優(yōu)劣。根據不同工程項目的應用配合相應的硬軟件技術(shù)，實(shí)現工程機械和無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品的最優(yōu)化組合。
關(guān)鍵詞：藍牙；數傳電臺；GPRS；無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)

0 引言
在鐵路和港口的貨場(chǎng)、建筑生產(chǎn)工地，有很多工程機械設備交叉作業(yè)，大型戶(hù)外工程機械啟動(dòng)頻繁，工作環(huán)境惡劣，由操作人員現場(chǎng)控制的方式已經(jīng)不適應發(fā)展的需要。隨著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，基于對工程機械工作信息資源應用和生產(chǎn)管理的需要，決策者需要及時(shí)掌握現場(chǎng)的生產(chǎn)狀況，進(jìn)行綜合分析，作出準確、科學(xué)而有效的決策，指揮現場(chǎng)的生產(chǎn)工作。今天，幾乎所有的建筑工程機械設備通過(guò)遙控改造都能實(shí)現遙控，開(kāi)發(fā)一個(gè)通用的遠程監控系統平臺，可以快速方便的構建出符合用戶(hù)需要的無(wú)線(xiàn)數據通信監控系統，這必將有良好的應用前景。

1 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展
LMDS是近年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的一種寬帶無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，它具有大容量高帶寬和雙向數據傳輸的特點(diǎn)，工作在20GHz～40GHz頻段上，可實(shí)現從每秒幾千比特到25．6Mbs的用戶(hù)接入速率，具有很高的可靠性。相對于目前常見(jiàn)的有線(xiàn)接入方式ADSL、HFC、以太網(wǎng)接入技術(shù)，以及MMDS、衛星通信接入技術(shù)和不可見(jiàn)光纖無(wú)線(xiàn)系統等常見(jiàn)無(wú)線(xiàn)接入方式，LMDS非常適合于用戶(hù)數據密集的接入環(huán)境，可以充分滿(mǎn)足各種新興的寬帶業(yè)務(wù)，作為一種無(wú)線(xiàn)接入方式，順應了網(wǎng)絡(luò )高速化和寬帶化發(fā)展的趨勢。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wire―lms Sensor Network，WSN)是無(wú)線(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域最新的、最流行的應用。正是由于新，所以現在還沒(méi)有統一的標準，目前全球有許多研究機構和組織在進(jìn)行技術(shù)與規格的開(kāi)發(fā)，提出了不同的技術(shù)標準，并以ZigBee和Z―Wave最為成熟，基本形成兩大陣營(yíng)。追求應用領(lǐng)域最大化的ZigBee由于自身近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的特點(diǎn)最后很有可能落在工控、醫療等信息控制傳輸領(lǐng)域。類(lèi)似新銳技術(shù)的不斷涌現、成熟和應用帶動(dòng)了工程機械生產(chǎn)發(fā)展的新格局。例如建筑施工安裝技術(shù)中的大型構件液壓同步提升技術(shù)，采用柔性鋼絞線(xiàn)或剛性立柱承重、提升器集群、計算機控制和液壓同步提升等技術(shù)結合現代化施工方法，將上萬(wàn)噸的構件在地面拼裝后整體提升到預定高度安裝就位。但在大多數工程中，液壓提升器都處于高空位置，若就地控制對操作人員存在一定安全問(wèn)題；而且控制系統所處的高空環(huán)境和溫度氣候條件都不利于工作，分析和排除故障都很不方便。無(wú)線(xiàn)遙控液壓同步提升技術(shù)通過(guò)位于100m外的中央控制室遠程控制，將龍門(mén)起重機的剛性腿和主梁順利提升到位，大大的提高了現代化生產(chǎn)質(zhì)量。

2 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在工程機械領(lǐng)域的應用
2．1 筑路機械短程無(wú)線(xiàn)監控中的藍牙技術(shù)
當前筑路機械的發(fā)展方向是開(kāi)發(fā)各種智能化的筑路工程裝備，傳統的在線(xiàn)狀態(tài)監測，無(wú)論主動(dòng)式還是微機自動(dòng)監控系統，均需要將各傳感器提供的在線(xiàn)信號實(shí)測值通過(guò)相應的有線(xiàn)電纜傳輸至微機，與微處理器內存的標準值相比較。由于各種工況條件的局限，機載設備需盡量做到高可靠性和簡(jiǎn)單，這樣僅能對在振動(dòng)壓實(shí)、攤鋪找平中監測到的信號進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，無(wú)法進(jìn)行較全面系統的分析，可能誤檢、漏檢各種潛在的故障隱患；另一方面，現行的作業(yè)管理缺少統一的施工工藝模式，路面路基質(zhì)量完全由駕駛員的熟練程度決定，無(wú)完整的施工操作記錄，不能很好地控制施工進(jìn)度和質(zhì)量。藍牙技術(shù)以低成本的近距離無(wú)線(xiàn)連接為基礎，通常作用距離為10cm～10m，如果加大發(fā)射功率作用距離可達100m，完全可以達到筑路機械在線(xiàn)監控的要求。由于藍牙技術(shù)特有的抗干擾性能，在一個(gè)工區利用一個(gè)中心控制監測單元可以有效地對七臺(點(diǎn))設備進(jìn)行監控，達到實(shí)時(shí)監控的目的。作為一種沒(méi)有完全成熟的技術(shù)，藍牙還有待于實(shí)際使用的嚴格檢驗；其通訊速率也不是很高，可能會(huì )限制它在其他工程機械上的推廣。目前主流的軟件和硬件平臺均不提供對藍牙的支持，這使得藍牙的應用成本升高，普及難度增大。類(lèi)似的Z―Wave傳輸率僅有9．6kbps，以ZigBee來(lái)相對比較，即便不去談?wù)?．4GHz頻段的250Kbps傳輸率，在915MHz頻段上也至少有40Kbps(868MHz頻段上有20Kbps)，雖然WSN不強調數據的傳輸速度、傳輸量，但也不至于過(guò)低。由于藍牙芯片已多年大量生產(chǎn)，組件的量?jì)r(jià)均已達高度成熟，ZigBee當初設定以更低價(jià)格取代藍牙在控制領(lǐng)域應用，實(shí)現難度也日益增高，現今ZigBee只有把握自身傳輸距離及組網(wǎng)優(yōu)勢尋求最佳的使用定位。
2．2 塔吊無(wú)線(xiàn)遙控系統中的微功率通信技術(shù)
微功率短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)作為無(wú)線(xiàn)通信實(shí)用技術(shù)，一般使用單片射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構成專(zhuān)用或通用無(wú)線(xiàn)通信模塊。nRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻收／發(fā)器，工作于433/868／915 MHz 3個(gè)ISM頻道。nRF905提供了強大的跳頻機制，可以應用于許多特殊的場(chǎng)合。
在德國，幾乎所有的20t以上的移動(dòng)式吊車(chē)都裝上了比例無(wú)線(xiàn)電控制系統。通常，遙控裝置還配置了數據反饋設備，發(fā)射機上可配置大平面的LCD顯示屏，不斷的向吊車(chē)司機報告負荷、起重臂長(cháng)、負荷力矩、油溫、壓力等其它重要的運行參數。目前國內建筑工程等行業(yè)使用的塔吊多屬控制室形式，控制室束縛、視線(xiàn)不清、環(huán)境惡劣或指揮配合不當等因素皆可形成事故隱患。我國大量的建筑施工中小型企業(yè)所使用的塔吊型號多，所以在現有塔吊控制室控制的基礎上，結合微型計算機控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)出低功耗且具有高抗干擾能力和高可靠性的塔吊無(wú)線(xiàn)遙控系統：以MSP430超低功耗16位微控制器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF905為核心，采用軟件編碼和硬件譯碼的方式提高系統的抗干擾能力，系統發(fā)射器采用定時(shí)掃描、接收器采用無(wú)記憶輸出控制方式，既保證了安全操作可靠性又大幅度提高了生產(chǎn)效率，可廣泛應用于塔吊等一般的工業(yè)遙控系統中。
2．3 軍用工程機械領(lǐng)域中的無(wú)線(xiàn)數傳技術(shù)
傳統無(wú)線(xiàn)數據傳輸電臺應用在大的SCADA遙控遙測系統，適用于各類(lèi)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)數據傳輸，如電力負荷監控、數據采集、鐵路信號監控等工業(yè)自動(dòng)化系統。短波通訊與GSM移動(dòng)通訊等方式相比具有發(fā)射功率小、傳輸距離遠、建站迅速、機動(dòng)性好等特點(diǎn)，其通訊范圍半徑可達十幾千米至幾十千米，是軍用工程機械無(wú)線(xiàn)電通信的主要方式之一。
利用軍用工程機械車(chē)載短波電臺和監控中心無(wú)線(xiàn)電基站建立無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)，可實(shí)現工程機械作業(yè)的遠程監控。軍用工程機械遠程監控系統主要由車(chē)載狀態(tài)監測模塊、無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)(由車(chē)載短波電臺和監控中心無(wú)線(xiàn)電基站組建的非民用信道通訊網(wǎng)絡(luò ))和遠程監控中心3部分組成。車(chē)載狀態(tài)監測模塊主要完成信號采集、信號分析、狀態(tài)顯示、故障報警和人機交互等功能：首先對采集到的機械狀態(tài)信息進(jìn)行分析顯示，而后通過(guò)無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)將該信息傳輸給監控中心并據此分析機械狀態(tài)；遇有操作故障或下達指令時(shí)，監控中心通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將相關(guān)命令信息傳遞給工程機械車(chē)載狀態(tài)監測模塊，再由該模塊指示操作手執行相應動(dòng)作。
專(zhuān)業(yè)級別的無(wú)線(xiàn)數傳電臺組網(wǎng)費用都較高，并且通訊距離有一定的限制(平原地帶最遠為50km)，通信效果受建筑物、山體的影響較大。系統需要專(zhuān)業(yè)人員維護管理，整體建設、維護費用很高，不便于在工程機械領(lǐng)域內普及應用。雖然近年來(lái)SCADA系統發(fā)展迅速，但伴隨著(zhù)GPRS和CDMA網(wǎng)絡(luò )的日漸成熟，數傳電臺的市場(chǎng)反而下降。
2．4 工程車(chē)輛中的現代GPRS技術(shù)
GPRS通信充分利用現有的網(wǎng)絡(luò )資源，可以實(shí)現數據高速、大容量傳輸，高速數據傳輸最大可達160Kbps。其與數據中心建立的通信鏈路隨時(shí)收發(fā)用戶(hù)數據設備內的數據，按照接收和發(fā)送數據包的數量進(jìn)行流量計費，永久在線(xiàn)并具有很高的實(shí)時(shí)性，在工程機械系統中常常利用GPS、GIS通過(guò)空間衛星系統與電子地圖、無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )及計算機車(chē)輛管理信息系統結合，實(shí)現車(chē)輛定位、跟蹤和車(chē)輛管理等諸多功能。
路面施工工程機械包括裝載機、拌和站、自卸車(chē)、攤鋪機、壓路機等，現代智能工程機械的遠程在線(xiàn)監控系統(國家863項目)由挖掘機等工程機械群、GPS全球衛星定位系統、GPRS遠程通訊系統、因特網(wǎng)、客戶(hù)機群監控中心系統、便攜式數據采集系統和遠程企業(yè)監控系統組成。它依靠安裝在工程機械單機上的各種傳感器和控制器對設備的運行狀態(tài)參數、故障信息和位置參數進(jìn)行采集，將其轉換為CAN總線(xiàn)數據發(fā)送到固定地址，并經(jīng)處理器運算處理在LCD屏幕上顯示，若超過(guò)數據庫中相應正常狀態(tài)參數則啟動(dòng)故障報警程序提醒操作者；同時(shí)合并GPS定位信息及其它信息由GPRS模塊無(wú)線(xiàn)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)GGSN和SGSN到達遠程企業(yè)服務(wù)中心系統，實(shí)現客戶(hù)端與遠程監控服務(wù)端的通信。
與專(zhuān)業(yè)無(wú)線(xiàn)數傳電臺相比，GPRS實(shí)時(shí)性較差，因為目前的公網(wǎng)系統是話(huà)音優(yōu)先的系統，一旦通話(huà)接通率低，可能會(huì )遭到投訴，所以要確保通話(huà)優(yōu)先。GPRS相對而言“掉線(xiàn)”及“死機”問(wèn)題比較嚴重，當然這不僅是產(chǎn)品本身的問(wèn)題，與網(wǎng)絡(luò )運行情況也很有關(guān)系，所以系統集成商或客戶(hù)很難自行維護，必須要GPRS的運營(yíng)商配合才行，由于數據業(yè)務(wù)占的比例非常小，有時(shí)服務(wù)質(zhì)量難免會(huì )存在一定問(wèn)題。
2．5 監控港口工程機械中的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)
無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)不需要自己建立基站，無(wú)需申請專(zhuān)用頻道，無(wú)需網(wǎng)絡(luò )維護，享有及時(shí)網(wǎng)絡(luò )升級，技術(shù)比較成熟，功耗比較小。相對于傳輸距離只有兩三百米的專(zhuān)用射頻芯片nRF0433，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋利用電磁波收發(fā)信號，數據傳輸速率達llM～54Mbit／s，傳輸距離達到30km。在無(wú)公網(wǎng)信號或信號較差的標位安裝WLAN設備，能夠實(shí)現全網(wǎng)絡(luò )無(wú)盲區覆蓋。
港口碼頭上，機械設備是在露天野外工作的，經(jīng)常會(huì )遇到極為惡劣的環(huán)境，如刮風(fēng)、下雨、下雪、閃電、雷鳴，還有其他一些空間電磁干擾等。所以要求港口無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據通信系統必須有很好的抗干擾能力和穩定傳輸的能力。北京艾克塞爾(Axelwave)公司利用無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)進(jìn)行港口遠距離數據通訊，可以實(shí)現控制室與作業(yè)現場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息雙向傳輸。整套監控系統設計在作業(yè)現場(chǎng)周?chē)蛢炔坎渴鹆巳舾蔁o(wú)線(xiàn)基站，使得無(wú)線(xiàn)信號完全覆蓋到整個(gè)作業(yè)場(chǎng)地；同時(shí)在作業(yè)機械上安裝車(chē)載無(wú)線(xiàn)終端，現場(chǎng)作業(yè)人員配備手持無(wú)線(xiàn)終端，將一個(gè)個(gè)移動(dòng)的“信息孤島”變成一個(gè)個(gè)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)?，F場(chǎng)理貨人員通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，可將現場(chǎng)實(shí)時(shí)作業(yè)信息傳回堆場(chǎng)管理控制中心；大型作業(yè)機械的工作狀態(tài)和各項數據指標，可實(shí)時(shí)傳輸至中央控制室，實(shí)現對現場(chǎng)作業(yè)機械的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監控。特別值得注意的問(wèn)題是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)對于組網(wǎng)的環(huán)境要求比較嚴格，信號強弱受建筑、樹(shù)木等遮擋物的影響比較明顯，金屬棚頂反射和雨衰也是信號傳輸中要考慮的問(wèn)題，所以環(huán)境布局在構架無(wú)線(xiàn)通信系統的時(shí)候歷來(lái)都是設計人員規劃的重心。

3 結論
本文結合國內現有各類(lèi)無(wú)線(xiàn)通信工程項目和成熟技術(shù)，針對工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)的性質(zhì)特征總結架設無(wú)線(xiàn)工作數據傳輸系統的相關(guān)經(jīng)驗，分析論述了在工程機械上可行的無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統應用方案，得出如下結論：
(1)類(lèi)似建筑起重機這種大電流電機設備會(huì )產(chǎn)生電磁噪聲，干擾有線(xiàn)局域網(wǎng)信號，由于沒(méi)有電纜引起的電器噪聲，無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)在某些不利條件下的糾錯性能很可靠。但伴隨著(zhù)GPRS技術(shù)的廣泛，傳統數傳電臺的在工程領(lǐng)域中的地位逐漸被取代。
(2)利用基于GSM網(wǎng)的GPRS服務(wù)具有投資少、網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍廣、終端設備簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò )可靠性高、傳輸速度快、服務(wù)便宜、接入方便等諸如無(wú)線(xiàn)電臺、衛星通信、數字集群通信系統難以比擬的優(yōu)點(diǎn)。
(3)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)可選用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋建立工程機械的無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統，無(wú)需申請專(zhuān)用頻道，技術(shù)比較成熟，使用費用低。尤其無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋已在倉貨、醫療、交通、武警等應用領(lǐng)域收到了良好的效果，先進(jìn)將其引入到工程機械的無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統應用研發(fā)上是很理想的選擇。
此外，通過(guò)對上述生產(chǎn)實(shí)例的論述分析，也給日后進(jìn)一步開(kāi)發(fā)工程機群大型在線(xiàn)監控系統提供了理論基礎和發(fā)展路線(xiàn)。