鐵水運輸動(dòng)態(tài)監測系統無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)設計

中心站通信控制器通過(guò)AirLink擴頻通信機發(fā)到中繼站的數據格式如下：

查詢(xún)信息格式：

廣播DGPS差分信息格式：

中繼站應答信息格式：

中心站和中繼站的數據傳輸率為19200bps。

3.2 中繼站與移動(dòng)車(chē)輛

中繼站的通信控制器通過(guò)中繼站的WIT915擴頻通信機和車(chē)載設備WINT915擴頻通信機進(jìn)行數據交換。若中繼站通信控制器和移動(dòng)車(chē)載設備通信控制器之間采用查詢(xún)的方式進(jìn)行車(chē)輛位置數據的交換，由于鐵水運輸動(dòng)態(tài)監測系統監控車(chē)輛較多（約85輛），查詢(xún)一遍所有車(chē)輛位置數據耗時(shí)較長(cháng)。其次，在鐵水運輸過(guò)程中，同一時(shí)刻移動(dòng)的車(chē)輛較少，停止的車(chē)輛較多，而停止車(chē)輛的位置沒(méi)有變化，控制中心只需保留上次傳過(guò)來(lái)的車(chē)輛位置數據即可，無(wú)需進(jìn)行車(chē)輛位置更新。為了在有限的信道內傳送有效的位置數據，采用了根據車(chē)輛運行速度動(dòng)態(tài)控制車(chē)輛信息報告時(shí)間間隔的通信方式，即根據車(chē)輛的動(dòng)動(dòng)狀態(tài)來(lái)調整車(chē)輛信息的發(fā)送頻度。當車(chē)輛在停止狀態(tài)時(shí)，車(chē)輛的信息每隔一分鐘發(fā)送一次，以保持和控制中心的數據聯(lián)系。當車(chē)輛在移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，車(chē)輛信息報告頻度隨著(zhù)速度的增加而提高，及時(shí)向中繼站發(fā)送最新的車(chē)輛信息。車(chē)輛信息的傳送時(shí)刻完全由車(chē)載通信控制器根據車(chē)輛的運行情況來(lái)確定，省去了查詢(xún)方式下的下行數據鏈路占用的傳送時(shí)間，可以提高車(chē)輛有效信息的傳送效率和信息的實(shí)時(shí)性。

為了保證在車(chē)輛信息自主發(fā)送時(shí)，不生數據傳輸的碰撞，利用WIT915擴頻通信機在半雙工模式下的CSMA通信協(xié)議來(lái)傳送數據。CSMA通信協(xié)議是IEEE802.3協(xié)議中的一種數據傳送方式，廣泛應用于計算機局域網(wǎng)中，在數據傳輸中進(jìn)行載波偵聽(tīng)和多重訪(fǎng)問(wèn)。當需要發(fā)送車(chē)輛的位置數據時(shí)，車(chē)載通信控制器首先讀取WIT915擴頻通信機送出的載波檢測DCD電平指示。當載波檢測DCD電平為高時(shí)，表示目前信道中有別的通信機正發(fā)送數據。此時(shí)車(chē)載通信控制器隨機延時(shí)等待數毫秒，再次讀取通信機的載波檢測DCD電平。若此時(shí)載波檢測DCD電平為低，表示此時(shí)信道中沒(méi)有WIT915擴頻通信機發(fā)送數據，信道空閑，可以發(fā)送數據，則車(chē)載通信控制器將WIT915擴頻通信機的RTS電平抬高。此時(shí)，WIT915擴頻通信機切換到發(fā)送狀態(tài)，同時(shí)發(fā)出載波信息占據信道，車(chē)載通信控制器隨后將數據通過(guò)WIT915擴頻通信機發(fā)出。當車(chē)輛的位置數據發(fā)送完畢后，車(chē)載通信控制器將WIT915擴頻通信機的RTS電平置低，使通信機停止發(fā)送載波和數據，讓出信道，供其它WIT915擴頻通信機發(fā)送數據。

采用CSMA通信協(xié)議發(fā)送車(chē)輛位置數據，可以使每一時(shí)刻只有一臺WIT915擴頻通信機處于發(fā)射狀態(tài)，從而可以盡量避免碰撞干擾，使車(chē)輛的信息傳送可靠。WIT915擴頻通信機的收發(fā)切換時(shí)間很短，最大不超過(guò)400μs,且WIT915擴頻通信機的數據傳輸率可高達38400bps，經(jīng)過(guò)壓縮后的車(chē)輛信息又很短（約40bit），因而每個(gè)車(chē)載通過(guò)控制器發(fā)送車(chē)輛位置數據時(shí)占用信道的時(shí)間很短，可以保證數據傳輸的實(shí)時(shí)性。當然，在極端情況下，有可能兩臺WIT915擴頻通信機同時(shí)檢測信道空、同時(shí)發(fā)送數據，發(fā)生碰撞。但因所發(fā)送的車(chē)輛信息量較小，數據傳輸率很高，發(fā)生碰撞的概率很低。即使發(fā)生碰撞，在擴頻通信中，通信機仍有可能解調出正確的數據。若擴頻通信機解調出錯，通過(guò)CRC校驗進(jìn)行剔除，通過(guò)下一次車(chē)輛信息發(fā)送對車(chē)輛信息進(jìn)行更新。

中繼站轉發(fā)的中心站DGPS差分數據，也由中繼站的通信控制器通過(guò)中繼站的WIT915擴頻通信機以CSMA的通信方式向各個(gè)車(chē)載設備廣播發(fā)送。CSMA通信協(xié)議中采用CRC校驗，以保證數據的可靠性。

通信控制器以CSMA方式發(fā)送數據的程序框圖如圖4所示。

在有數據發(fā)送時(shí)，檢測信道。若信道忙，則隨機延時(shí)一段時(shí)間，并將計數器加1，再檢測信道。如此循環(huán)，當計數器累加到M次后，則退出信道檢測循環(huán)。此時(shí)，認為信道忙，并置信道忙標志，此次數據發(fā)送放棄。在信道忙標志置位后，將車(chē)輛在停止時(shí)發(fā)送數據的間隔由1分鐘提高到10秒鐘。這樣做是為了保證在信道阻塞干擾消失后，使所有車(chē)輛位置的更新時(shí)間最長(cháng)不超過(guò)10秒鐘。

3.3 中轉臺數據傳輸

在鐵水運輸過(guò)程中，車(chē)輛有時(shí)會(huì )進(jìn)入鋼結構的廠(chǎng)房?jì)?。為了使?chē)輛在進(jìn)入廠(chǎng)房?jì)纫材軌驅④?chē)輛的信息發(fā)送到中繼站，因此，在廠(chǎng)房?jì)仍O置了中轉臺。通信轉發(fā)如圖5所示。

中轉臺設有兩臺WIT915擴頻通信機，一臺通信機置于廠(chǎng)房?jì)?，另一臺通信機置于廠(chǎng)房外。轉發(fā)通信控制器通過(guò)廠(chǎng)房?jì)鹊腤IT915擴頻通信機，接收廠(chǎng)房?jì)鹊能?chē)輛發(fā)送的信息，然后通過(guò)廠(chǎng)房外的WIT915擴頻通信機以CSMA的方式轉發(fā)出去。通信控制器在轉發(fā)數據時(shí)，要使廠(chǎng)房?jì)鹊腤IT915擴頻通信機處于禁止接收數據狀態(tài)，以防止廠(chǎng)房外WIT915擴頻通信機轉發(fā)的數據被廠(chǎng)房?jì)萕IT915擴頻通信機收到，形成循環(huán)轉發(fā)狀態(tài)。

4 性能分析

在鐵水動(dòng)輸動(dòng)態(tài)監測系統中，車(chē)輛的運行速度最高不超過(guò)每小時(shí)15公里，即最快每秒運動(dòng)4.1米（可按5米來(lái)估算）。車(chē)輛的位置每變化5米，發(fā)送一次更新的位置數據，則車(chē)輛的位置更新速率最快為每秒一次。車(chē)輛位置數據連同同步碼和校驗碼在內一共為10個(gè)字符（每字符為八位二進(jìn)制數）。若車(chē)載通信控制器以19200bps速率異步方式（一個(gè)起始位，一個(gè)停止位，八位數據）向中繼站發(fā)送數據，所需時(shí)間為100/19200=5.2ms；若采用CSMA通信協(xié)議在同一信道中通信，在理想情況（不考慮眨時(shí)等待和碰撞）下，在一秒鐘內可傳送不同位置數據的車(chē)輛數為1000/5.2=192輛。若考慮延時(shí)等各種不利怦，按耗時(shí)增加一倍考慮，則在一秒鐘內可傳送不同位置數據的車(chē)輛數為192/2=96輛。因為中繼站和中心站的數據交換速率為異步19200bps，因此，可以保證所有車(chē)輛的位置數據能夠在一秒鐘內傳送到中心站。所以，所設計的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)具有每秒實(shí)時(shí)傳送更新96輛車(chē)信息的能力，達到了鐵水運輸動(dòng)態(tài)監測系統能夠管理85輛車(chē)的要求。由于采用CRC校驗，整個(gè)系統的誤碼率達到10 -6以下，滿(mǎn)足了車(chē)輛信息傳輸所需的誤碼率要求。

在鐵水運輸動(dòng)態(tài)監測系統實(shí)際運行中，所有車(chē)載WIT915擴頻通信機和中繼站的WIT915擴頻通信機都工作在同一信道中，車(chē)輛的位置能夠及時(shí)得到更新，沒(méi)有出現信道擁堵、車(chē)輛位置無(wú)法實(shí)時(shí)傳送的現象，達到了設計目的。若管理的車(chē)輛數目增加，只需按中繼站的通信范圍，將中繼站的WIT915擴頻通信機設置到不同的信道，車(chē)載通信控制器則根據車(chē)輛的位置在不運動(dòng)區域自動(dòng)將車(chē)載WIT915擴頻通信機的信道切換到與此區域中繼站一致的信道上，即可使所管理車(chē)輛的數目成倍增加。