時間：2022-07-30 20:42:48
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇現代無線通信技術論文，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：無線通信；起重作業；溝通
前言
目前，劉家峽水電廠廠房安裝間安裝有兩臺400噸橋式起重機，作用是承擔水輪發電機組各部件分解檢修及安裝間各種起重吊裝任務。其作業方式為現場指揮人員手勢及哨音發令，天車司機受令執行操作的方式。這種方式為單方向發令并執行的操作，并沒有反饋環節，造成指揮人員與天車司機相互間無法溝通。由于廠房安裝間環境復雜，而且指揮人員與天車司機相距直線甚至達到30米， 并且環境嘈雜，經常出現受令司機錯誤理解指揮人員指令，或者兩臺天車同時作業時兩組作業人員相互產生干擾的情況。隨著科學的進步，設備的更新，指揮人員與天車司機的及時溝通顯得尤為重要。
1 無線通信技術
無線通信，顧名思義就是利用無線電波（非線纜）來實現與設備位置無關的人機信息交互。在工作現場。一些環境下禁止、限制使用電纜或很難使用電纜，有線通信系統很難發揮作用，因為無線通信效地彌補了有線通信的不足。
2 無線通信技術在使用時的特點
2.1 無線通信的優點：
（1）無線通拓撲更適合工業網絡應用，支持點到點的連接以及廣播拓撲；
（2）不需要布線，省去施工的麻煩，保證通信安全性。
2.2 無線通信的缺點：
（1）由于工作環境為發電廠，所以內場電磁場非常強大，無線通信會受到干擾；
（2）作業現場并排擺放發電機勵磁系統控制柜，無線通信會干擾勵磁系統正常運行。
3 無線通信在起重作業中的應用
從前面的介紹不難發現，無線通信技術具有著非常明顯的優點及缺點。本文以現場實際生產情況為出發點，探討無線通信技術在兩臺橋式起重機人機系統的應用。如圖1所示。
3.1 現場總體控制
現場總指揮可以直接向兩臺天車指揮人員下達吊裝命令，以實現整個吊裝過程的總體控制，以及總體吊裝方案的實施。
3.2 單臺天車人機交互
天車指揮人員接到吊裝命令后，在具體作業過程中可以直接向天車司機下達明確指令。而天車司機自身或天車遇到問題時也可以反饋給天車指揮人員，從而有效的避免了單向信息流造成的不可控現象。而且由于天車指揮人員直接看到被吊裝設備的實際情況，如果被吊裝設備出現問題可以及時果斷的進行緊急停車操作，從而極大地降低了現場發生事故和誤操作的概率。
3.3 雙天車聯動系統
水輪發電機組分解過程中，分解起吊發電機轉子時需要雙天車聯動動作，而且發電機定轉子線棒之間間隙很小，此時兩臺天車聯動動作過程中的平衡性及同步性顯得尤為重要。而兩組天車操作組在正式起吊前的鋼絲繩預緊及尋找平衡點的工作最重要的溝通協作可以方便的實現。
4 無線通信在應用中缺點的克服
無線通信實際是電磁波來傳遞信息，所以在發電廠這個強磁場特殊環境中有自身的缺點。
從原理上出發，只要所在磁場與無線通信的電磁波不是同一個頻率就可以有效克服它在使用過程中的缺點。所以我們在采用無線通信時，可以使用無線信號數字加密、解密方式，這樣不僅無線通信自身不會受到感染，而且無線通信電磁波也不會影響發電機組的自動化原件工作。
結束語
隨著科學的進步，設備的更新，在多工種協同作業過程中對起重操作要求越來越嚴格的情況下，我們使用無線通信技術對整個作業過程“可控、在控”成為可能。并且它適用于各種工業環境，即使在極惡劣的情況下也能夠保證安全性和可靠性。無線通信在起重作業的發展空間十分巨大！
致謝
在本次論文寫作過程中，感謝各級領導予以的大力支持，同時感謝機械分場起重班各位同事為本文提供建議及信息反饋。
同時由于專業知識有限，誠懇地請各位領導對本論文多加批評指正，使我們及時完善論文的不足之處。
謹此致謝！
參 考 文 獻
[1] 紀越峰等.現代通信技術.北京郵電大學出版社，2002年3月
【關鍵詞】無線通信；技術；測繪工程；應用
1前言
計算機技術的廣泛應用和信息數字化的高新技術的不斷進步，促進了當代測繪工程的迅猛發展，同時帶來了巨大且富有現實意義的發展前景和發展空間，測繪工程在理論方面或者是在實際操作上發生了翻天覆地的改變，由圖紙化的傳統測量技術向電子化的現代測量技術邁進，這將對采樣收集空間數據方面有著非常重要的積極影響，這不僅是時代潮流變化的發展要求，也是創建科技中國的首要任務。當然，關于常規化的通信技術運用在測繪工程上是無法滿足測繪工程發展的時代要求，所以我們要探究更為完美的無線通信技術，無線通信技術不僅能提高測繪工程的工作效率，使得在室外也能進行通訊并完成作業，解決了傳統上圖紙化作業的難題，降低了測繪人員的工作難度，減少了人力資源和時間的浪費，增強了測繪工程的準確度，這對測繪工程的改革與發展有著重要的積極作用。
2無線通信技術的概述
無線通信（Wirelesscommunication）是一種通過電磁波等信號媒介進行信息交換的通信方式。無線通信系統由多個移動站與一個基準站組成。移動站主要包括了電源、主機、GPRS等，另外基準站則包括GPS天線、電源、網管服務器等。
3無線通信系統兩大模塊的特點及表現
3.1無線通信系統中的硬件部分
硬件在選擇設備方面最重要還是單片機的選擇。單片機作為硬件部分的軸心，選擇符合要求的單片機對準確傳送原始數據和整個無線通信系統的正常工作有著極其重要的影響。單片機應該要符合數據傳送速度快、精確率高、穩定性能好、傳送長度長且具有語音傳送功能和能夠縮短數據處理時間的透明傳送功能等要求。同時也要考慮單片機的便攜性、占據空間的大小和損耗能量的多少。處于無線通信系統硬件部分的重要位置的部件———天線，能在輻射無線信號和接受無線信號的過程中正常安全在電磁波與高頻率電信號之間實施相互轉換反應。在選擇天線時，天線的指向圖要符合無線通信系統的電磁波覆蓋的標準，天線自身的功能特點要滿足無線通信系統的設計需求。例如，天線的長度大小要根據實際操作情況來選擇適合的天線，為了提高便攜性，天線接受信號的一端應選擇螺旋式；為了便于工作人員的安裝，天線輻射無線信號的一端應選擇較短的天線。移動站與副站應該選擇定向天線輻射集中程度的參數小的天線，相反，基準站與主站則選擇定向天線輻射集中程度的參數大的天線。由于信號在傳輸介質中傳播時，將會有一部分能量轉化成熱能或者被傳輸介質吸收，從而造成信號強度不斷減弱，因此在饋線的選擇上要選擇大直徑的饋線，避免信號強度的發生過度耗損。因為饋線越長，其自身損耗的能量也越大，因此，在安裝過程中要盡可能地縮減饋線的長度，保證通信的正常運行。作為硬件部分中不可或缺的部件———電源，它的作用是不可忽視的，在選擇電源的時候，要在確保無線通信系統能夠正常運行的基礎上盡可能選擇電波較小的，這樣才能防止干擾電臺接收的現象發生。無須手持掛在肩上即可對講的對講機———肩咪，是由揚聲器和話筒構成的，是無線通信系統硬件部分的構成部件。不同信號臺之間的溝通交流可以通過肩咪來實現，在測繪工程的實際操作現場中，現場觀測人員在測繪中或者進行檢查工作時發現問題可以及時利用肩咪與設計繪圖員進行溝通，克服困難，解決問題，從而保證測繪工程順利進行。
3.2無線通信系統的軟件部分
當無線通信系統的硬件部分完成將獲得的原始數據傳送到終端，系統的軟件部分就開始發揮其自身作用，處理原始數據，給工作人員在測繪過程中帶來了方便。在當前有關測繪的通信軟件中，GIS處于極其重要的地位。數據通信是將通信技術與計算機技術結合起來從而產生新的通信方式。要在不同地區之前實現傳輸信息的目的就一定要有傳輸信道，按照不同的傳送媒介，分為無線數據通信和有線數據通信。它們都是利用傳輸信道使得數據終端和計算機相聯結，從而實現數據終端各種資源共享。在軟件部分的設計編寫方面，要創建一個普遍適用各個客戶終端的掛載辦法是首要任務。來自微軟公司設計開發的ActiveX模式，有著能夠擺脫詳盡的編程語言，并能很好的使用到大部分的軟件開發環境中，而且可以對原來存在的軟件進行直接升級。在這種模式下開發運行，使得無線通信系統中的軟件部分在連接網絡的條件下實現交互的目的。軟件部分的設計開發一旦設計了符合標準要求的框架，增強軟件自身的通用性、可嵌入性、可植入性，就能保證無線通信系統在測繪工程中的合理運行和使用。
4無線通信技術在測繪工程中的應用分析
論文主要分析了GPRS無線通信技術在測繪工程中的應用情況，與傳統的測繪方式相比較，GPRS無線通信技術應用十分廣泛，具有實時性和準確性。利用網絡使得移動站中的GPRS無線數據終端與基準站的網管服務器連接起來，同時保證網管服務器的連接口與主機保持連接狀態，與此同時，在基準站的作用下數據會不斷進行修正，利用網絡連接使得GPRS無線數據終端能接收到數據，從而傳送到移動站，并通過主機精確計算出所在的位置，測繪工作人員才能知道具體的基準站位置。在無線通信技術的實際操作與應用中，要創建標準的測繪工程管理體系，才能保證數據傳送的穩定性與準確性，才能保證測繪工程作業的有效順利進行。在傳統的測繪工程中，工作區的建立都伴隨這臨時基準站，其工效和信息傳輸接收效率都非常低，隨著經濟建設的迅猛發展，城市化也逐漸發展成型，測繪工程量也越來越大，內容也越來越繁雜，傳統的測繪方式已經不再滿足時代潮流發展的需求，使用新興的無線GPRS無線通信技術，不僅能夠提高測繪工程的工作效率和信號發射接收效率，增強數據傳輸的穩定性、可靠性、安全性，確保測繪工程的順利進行。
5結語
總的來說，新型無線通信技術在測繪工程中的應用，不僅能夠打破傳統的空間測繪模式，達成室外隨時隨地通訊的目的，還能推動無紙化測繪方式的發展，提高測繪作業的工作效率，降低測繪人員的工作壓力，減少在時間和人力資源上不必要的浪費。無線通信技術在測繪工程的發展應用，給測繪產業帶來了不可估量的發展前景和發展空間，推動了測繪行業的迅猛發展。
參考文獻
[1]陳剛，羌鈴鈴.如何實現智能網雙平面容災[J].通信技術，2011，44（03）：103~105.
[2]何壽福.無線通信技術在測繪工程中的應用研究[J].通信技術，2012（7）
關鍵詞：無線網絡；軍隊；安全；物理層安全；可見光通信
中圖分類號：TN 929.3
文獻標識碼：A
DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.08.004
0 引言
進入二十一世紀的第二個十年以來，信息已經成為人類社會文明進步的要素資源，成為現代社會持續發展的基本條件。信息網絡空間已經成為繼陸、海、空、天之后的第五大國家疆域，成為世界各國戰略競爭的重要領域。信息安全已成為與國防安全、能源安全、糧食安全并列的四大國家安全領域之一。
近些年來，以美國為代表的信息技術強國利用自身所壟斷的全球信息技術優勢，加緊構建信息安全保障和攻擊體系，以進一步鞏固其在網絡空間的統治地位。在美國現有的國家信息安全體系中，政府、IT企業和社會團體分工協作，相互配合，共同推進美國國家和軍隊的信息安全體系建設。當前，美國政府部門作為信息安全戰略制定、網絡和信息安全項目策劃、網絡情報偵查、網絡防御以及網絡進攻的主導者，引領了整個美國信息安全領域的發展和規劃。其主要部門包括國土安全部、國防部、美軍網電司令部、商務部、聯邦調查局以及中央情報局；美國的IT企業則是網絡攻防的具體實施機構和重要支撐單位，是美國政府和軍隊海量情報數據的來源，同時也是實施網絡作戰的實施主體；而美國及其盟國中一些非營利性團體和學術組織則為美國政府和軍隊提供了輿論和技術層面的支持，同時進行了人才的輸出，以支撐日益強大的美國信息作戰部隊。
隨著無線與移動通信技術的高速發展，拋開有線束縛的無線通信技術為國家和軍隊的指揮和作戰帶來了極大的便利性，然而也埋下了極大的安全隱患。截至2014年年底，美國情報和軍隊相關部門在無線網絡中偵收和攻擊獲得的情報已經占到美國情報總量的約57.6%，凸顯了當前國家和軍隊無線網絡安全的嚴峻態勢。美軍網電司令部2015年戰略規劃指南顯示，未來美軍網電部隊將把無線領域作為網絡攻防作戰的重點，這對我國國防和軍隊網絡安全體系和技術提出了新的考驗。本論文從歷史出發，對交換技術進行了簡要的回顧，指出了當前交換網絡發展的瓶頸以及問題，并基于前沿的下一代智能網絡以及大數據交換網絡提出了展望和設想。
1 軍隊無線網絡安全現狀
我國的互聯網、電信網、廣電網和各類專網（包含軍網）組成的國家基礎網絡是國家和軍隊信息安全防護的重要對象，但是這些基礎社會建設過程中普遍存在著重建輕防，甚至只建不防的問題，造成網絡信息安全體系構建的極大障礙。
當前，我軍無線網絡通信手段主要包含戰場衛星通信、短波電臺通信、水下潛艇長波通信等戰時通信手段，以及軍隊日常辦公所使用的蜂窩網移動手機通信、單位無線局域網（Wi-Fi）以及家庭使用的寬帶及家庭無線局域網等非戰時通信手段。由于戰時通信技術具有較強的應用層加密以及物理層跳頻和擴頻保障，傳統的竊密和攻擊手段并不能很快奏效，反而是和平時期工作用無線局域網、個人手機、家庭Wi-Fi等上網和通話極易被偵聽和竊密，導致無意識泄密。據不完全統計，2014年以來軍隊、軍工企業等軍事相關單位因手機、家庭寬帶/Wi-Fi等被攻擊及竊聽的事件約470起，造成不可估量的軍事、經濟以及國家核心技術損失。
美國憑借其在信息領域的絕對優勢，不斷將其技術和設備輸出到中國，而國產化設備的低性能、高價格等不足進一步導致了黨政軍系統中日常無線網絡通信設備國產化程度極低，使得日常無線網絡的安全防線處于近乎失靈的狀態。在美國IT跨國公司和美國網絡部隊等諸如“棱鏡”項目面前，我軍的基礎網絡和重要信息系統幾乎完全處于不設防狀態。諸如思科、微軟、英特爾、IBM等IT企業幾乎完全控制了我國高端IT產品的生產及應用。據Gartner數據顯示，Windows系列操作系統在我國市場占有率超過9成，英特爾在微處理器市場上占有率也超過8成，谷歌的安卓操作系統在我國市場占有率達到8成。即使是國產的聯想、酷派等手機，其核心芯片和操作系統也多是國外生產，使得我國無法從技術層面根除安全隱患。
2 解決方案：物理層安全技術和可見光通信技術
針對目前日常軍隊無線網絡安全性的問題，本文提出了兩種可行的改進方案，能夠在現有技術的基礎上，從防止無線信號被偵收和泄漏的角度實現日常狀態下部隊營區無線通信的安全保密。
在現有的通信系統中，通信的保密性主要依賴于基于計算密碼學的加密體制，早在20世紀初就已有人提出將傳輸的信息與密鑰取異或的方法來增強信息傳遞的安全性。這種基于密鑰的加密方法首次由Shannon于1949年給出了數學的理論分析。假設發送者希望把信息M秘密地發送給接收者，稱M為明文信息。則加密的過程為，在發送端，發送者通過密鑰K以及加密算法f對所要傳輸的明文M進行加密，得到密文S。在接收端，接收者通過密鑰K以及與加密算法相應的解密算法，我們用f-1標記，來進行解密，從而得到明文M。通過對加解密過程的觀察，可以得知，有兩個方法防止竊聽者從竊聽到的S中獲取明文M： 一個是竊聽者不知道密鑰K，另外一個是解密算法非常困難，竊聽者難以在有限的時間用有限的資源進行解密。基于這兩個方法，延伸出了現代通信系統中非常常見的兩種加密形式，一個是對稱密鑰加密，一個是非對稱密鑰加密。
現代密碼學的加密體制主要是在物理層之上的幾層來實現的，譬如MAC層、網絡層、應用層等等，故有時也稱基于現代密碼學的安全為上層安全。物理層對于現代密碼學加密體制來說是透明的，即物理層安全與上層安全是獨立的。下面分別介紹物理層安全的兩個基礎知識，分別是：竊聽信道模型和安全傳輸速率。竊聽信道模型是物理層安全所研究的基本信道模型，安全傳輸速率是衡量物理層安全系統性能的重要指標。
物理層安全主要是利用特殊的信道編碼和無線信道的隨機特性使得秘密通信得以進行，它與現代密碼學不同之處在于，其安全程度并不依賴于Eve的計算強度，而是依賴無線信道環境的隨機特性。但是，從保密環節上來說，物理層安全與傳統的計算密碼學的安全卻有著本質的相似之處。如圖1所示。物理層安全中的編碼調制環節和信道的隨機性是安全通信的必要條件，正如現代密碼學體制中的加密算法和密鑰。編碼調制環節是指Alice根據Alice-Bob和Alice-Eve信道的信道條件，通過獨特的信道編碼來保證Alice與Bob之間安全又可靠的通信。從安全的角度來說，編碼調制環境可以被看作現代密碼學中的加密過程，信息加密后生成的密文記為Xn。密文經過無線信道和解調譯碼可以等同為現代密碼學中的解密環節，其中信道信息{h，g}可以看作公共密鑰，而Bob接收端的噪聲可以看作Bob的私鑰，Eve是沒有辦法獲得的。因此密文通過Bob的無線信道和解調譯碼，可以被Bob正確地譯碼解密；而此密文通過Eve的無線信道和解調譯碼，Eve是不能獲得任何信息的。由此可見，雖然物理層安全與傳統的基于現代密碼學的加密原理是完全不同的，但是它們在實現框架上卻也能夠找到共同點。物理層安全可以看作是以調制編碼等發送端的技術為“加密算法”，充分利用Alice-Bob和Alice-Eve之間無線信道的差異性，把無線信道看作“加密密鑰”，從而使得Alice與Bob之間形成了安全可靠的通信。
物理層安全技術由于可以獨立于上層而單獨實現秘密通信，因此在無線通信系統中，可以在保證現有上層安全措施不變的情況下，補充物理層傳輸的安全。這使得通信系統的安全性能得到額外一層的保護。另一方面，將物理層安全用來傳輸現代密碼學中的密鑰，也是增強系統的安全性的一種方法。
從實現的角度講，當前傳統的無線路由器等均使用了全向天線進行傳輸，有可能導致無線信號泄漏至營區外部造成泄密。由于物理層安全技術方案的存在，除了進行傳統的上層密碼和傳輸加密以外，考慮利用物理層定向天線和波束賦形技術使得無線信號定向的向營區內部輻射，使得竊聽者獲取的信息量近乎為0，從而進一步降低失泄密的風險，這是物理層安全技術在現有無線網絡中的應用改進。
根據香農公式，假設發射端信號表示為：y=hx+z，那么正常接收者bob收到的信號可以表示為：
此時人造噪聲設計對Bob沒有產生干擾的方向上均勻分布，從而實現了對目標用戶的正常信號發送，但是使得竊聽用戶獲得的干擾最大化，可用信息最小。
可見光通信（Visible Light Communications）是指利用可見光波段的光作為信息載體，不使用光纖等有線信道的傳輸介質，而在空氣中直接傳輸光信號的通信方式，簡稱“VLC”。
普通的燈具如白熾燈、熒光燈（節能燈）不適合當作光通信的光源，而LED燈非常適合做可見光通信的光源。可見光通信技術可以通過LED燈在完成照明功能的同時，實現數據網絡的覆蓋，用戶可以方便地使用自己的手機、平板電腦等移動智能終端接收這些燈光發送的信息。該技術可廣泛用于導航定位、安全通信與支付、智能交通管控、智能家居、超市導購、燈箱廣告等領域，特別是在不希望或不可能使用無線電傳輸網絡的場合比如飛機上、醫院里更能發揮它的作用。可見光通信兼顧照明與通信，具有傳輸數據率高、安全性強、無電磁干擾、節能、無需頻譜認證等優點，帶寬是Wi-Fi的1萬倍、第四代移動通信技術的100倍，是理想的室內高速無線接人方案之一。
據美國DAPRA報道，美軍已經生產出軍用可見光網絡及相關設備，用于國防部等軍事機關和設施的高速無線網絡通信。由于可見光室內傳輸光源直接指向用戶且傳輸距離遠小于傳統的微波無線通信，在不考慮人為主動泄密的情況下，可見光通信信號是無法截獲的，從技術上為通信的有效性和可靠性提供了強有力的支撐。
圖2給出了微波無線通信和可見光通信之間的比較。對于手機、Wi-Fi等微波無線通信手段，除了目標用戶能夠接收到無線信號以外，由于無線電波是全向發射的，竊聽者完全可以收到相同的信號，從而進行破譯或者攻擊，帶來安全隱患；而可見光通信依賴于室內的LED燈具，通常燈具會直接部署在工位上方，而照明具有定向發射的特點，因此位于營區外部的竊聽者無法收到任何信號，不能進行竊聽。從實現上講，可見光通信可以方便的利用LED臺燈、屋頂燈等照明燈具，通過加裝調制解調模塊即可使得燈具具有高速數據傳輸功能，可供營區內臺式機、筆記本電腦、平板電腦等高速無線上網，滿足高清視頻會議等高帶寬需求。
目前，關于可見光通信在室內外各種復雜環境下的信道測量與建模的工作還很欠缺，只有少量的研究結果。尤其是在有強光干擾、煙霧和灰塵遮擋的環境下的信道干擾模型，更是需要亟待解決的問題。
3 結論
軍隊作為國家的武裝力量，其信息安全問題尤為重要。在和平時期，如何從技術手段保證軍隊手機、Wi-Fi等無線通信安全，防止和平時期敵對勢力進行的無線網絡信號偵收和網絡攻擊，是當前要重點關注的問題。
論文摘 要:消防通信規劃是城市消防規劃中的重要內容,本文論述了目前我國消防通信規劃的現狀及編制中存在的問題,詳細介紹了消防部隊信息通信體系建設的現狀和未來發展趨勢,分析了當前消防通信規劃編制和實施中的重點問題,為消防通信規劃編制工作提供參考建議。
1、前言
隨著我國應急救援體系的發展,消防部隊已逐步成為城市主要的應急救援力量,廣泛參與到自然災害、事故災難、社會安全事件等公共突發事件的應急救援處置中,并承擔了部分非緊急的社會救助任務。消防通信是消防部隊開展滅火救援行動的根本保障,是未來城市應急救援體系中信息通信的主要組成部分。美國911恐怖襲擊事件中警察和消防員未建立統一的通信手段而造成的慘痛教訓凸現出城市消防通信規劃的重要性,所以在城市消防規劃編制過程中合理規劃和部署消防通信的建設和發展,在規劃方針的指導下逐步建立和完善城市消防通信體系,是消防部隊在執勤備戰和災害救助中全面發揮應急救援能力的根本保障。
2、消防通信規劃的現狀
消防通信規劃的編制主要由城市規劃設計單位和消防部門共同完成。由于城市建設和通信技術的高速發展,各地消防通信系統也在不斷的擴展和升級,消防通信建設所依據的《消防通信指揮系統設計規范》等規范文件的要求與目前的應用現狀相差較大,內容滯后且不全面,對規劃編制的指導意義不夠充分,一些通信指揮系統雖已達到火災報警、火警受理、滅火救援通信調度等應用的基本要求,實際中卻不能滿足新形勢下消防部隊應急救援通信指揮的需求。并且由于消防通信規劃的專業性較強、技術要求高、涉及的領域廣泛繁多、基礎設施建設發展不均衡等方面的原因,使消防通信規劃的編制工作難以有效和深入開展,造成部分城市消防通信規劃的內容空泛、缺乏深度、可操作性較差,不能切實有效的指導城市消防通信建設和發展。此外我國的應急管理體系建設起步較晚,部分消防通信規劃內容僅片面集中于火災事故方面,缺乏城市應急救援總體發展的綜合考慮,造成消防通信建設與城市應急救援體系建設脫節。
3、消防通信建設現狀
消防部隊的信息通信建設按照公安部消防局信息化建設的總體規劃部署和具體要求展開,實施主要依靠當地政府財政撥款、當地公安部門和電信部門的通信網絡建設以及消防部隊自身的信息化裝備建設來完成,目前各級消防部隊均已形成了相對獨立的消防信息通信體系。以下將從基礎通信網、消防通信指揮中心、消防綜合業務信息系統等幾個消防規劃中涉及的重點方面具體展開論述。
3.1 基礎通信網絡
基礎通信網絡是消防通信和城市應急通信的基礎設施,網絡的建設直接決定了消防部隊的信息應用能力,所以基礎通信網絡的發展是消防通信規劃的重點。目前消防部隊依托公安信息網、公眾電信網、無線超短波通信網、衛星通信網等多種通信網絡傳輸語音、圖像和數據,形成了一套較為完整的消防通信網絡體系,以下歸納為計算機通信網、有線通信網、無線通信網、衛星通信和短波通信網等幾部分介紹。
3.1.1 計算機通信網
目前消防部隊各級單位均已接入了以公安信息網為基礎的計算機通信網,這一網絡是消防部隊數據通信的基礎網絡,承擔滅火救援指揮調度、消防綜合信息管理等大部分信息系統的數據傳遞,并可實現ip語音電話和視頻傳輸等多媒體應用。為保證調度指揮等重要信息的可靠傳遞,部分節點間還建立了指揮調度專線和備份網路。在消防通信規劃中應按照當地公安信息網和消防部隊自身信息通信的建設情況以及各級消防部隊的信息通信需求,合理規劃消防計算機通信網,確保網絡的全面接入和可靠暢通。
3.1.2 有線通信網
有線通信網包括報警電話接入和報警信息查詢專線、指揮調度專線、辦公市話網和公安專線網等通信網絡,是城市各級消防隊站獲知災害事故發生和傳遞調度指揮命令的基礎信息通信網絡。其中報警電話接入專線是用于接受公用電話網的報警和城市消防遠程監控系統的火警信號及相關信息的通信線路。報警信息查詢專線是用于獲取報警電話的位置、裝機人身份等信息的數據專線。指揮調度專線是用于連接火警受理終端、各消防站以及各相關聯動單位的通信專線。辦公市話網和公安專線網是消防部隊內部各級部門之間和與公安機關之間通信的辦公電話網。有線通信網是傳統的消防通信基礎網絡,目前各城市基本完成了消防有線通信網的建設,在消防通信規劃中應以未來網絡容量和性能的改進及發展等內容為主,確保消防有線通信網的完備可靠,保證消防部隊對災害事故快速響應和出動調集命令的有效傳達。
3.1.3 無線通信網
無線通信是消防部隊在滅火救援展開和進行過程中用于災害現場信息傳遞的主要通信方式。目前各級消防部隊普遍配備了用于現場通信的350mhz超短波無線常規通信設備,并利用轉信臺擴展網絡覆蓋的范圍。大部分城市還依托當地公安無線集群通信系統建立了消防集群通信網,北京、上海等地還建設了具備網絡容量大、通話質量高、應用功能多等特點的數字集群通信網。消防部隊以超短波無線通信為基礎構成了由城市消防通信指揮網、現場指揮網和滅火救援戰斗網組成的三級無線通信網絡,并且利用gprs、cdma、3g等公眾移動通信技術以及超短波、微波數傳設備等多種手段建立無線數據通信網,用于傳輸滅火救援現場的圖像和數據信息。此外公眾移動電話網也是消防部隊重要的輔助通信手段。合理規劃城市消防無線通信網,構建可靠的無線通信體系是消防部隊在滅火救援過程中戰斗力有效發揮的根本保證。
3.1.4 衛星通信和短波通信
在地震、泥石流等大型自然災害救援或野外應急救援中,依賴中繼站的常規無線通信網往往會受到傳輸距離和范圍、電力供給、極端環境影響等方面的局限,不能滿足消防部隊信息通信的需要,此時衛星通信和短波通信等應急通信方式成為救援現場最有效的信息通信手段。目前公安部消防局已對消防衛星通信體系做出總體的規劃和部署,并推進消防衛星通信網的建設,一些城市的消防部隊先后配備了“動中通”衛星通信設備、便攜衛星站、短波電臺等應急通信裝備,在玉樹地震和舟曲縣特大泥石流等自然災害救助和部分大型跨區滅火應急救援中顯現出極強的應急通信保障能力。消防衛星通信和短波通信是應急通信體系中的重要部分,是城市有效抵御極端災害的基礎保障設施。
3.2 消防通信指揮中心
消防通信指揮中心是消防部隊信息通信和作戰指揮的中樞,具有受理報警、滅火救援指揮調度、信息情報支持等功能,負責火災及其它災害事故的接處警受理和消防救援力量的調度指揮。按照公安部“三臺合一”的要求,目前我國大部分地級以上城市均已設置了包括治安、交通、消防在內的接處警指揮中心,建立了統一的集中受理和多部門聯動的接處警平臺,一些城市還進一步將醫療救護、安全生產等應急救援相關的領域納入其中,并形成城市綜合應急救援指揮中心。部分通信指揮中心還具備使用手機定位技術和gis技術確定報警人的位置、使用短信平臺受理報警、即時監控救援力量的行動狀態、通過圖像監控系統獲取災害發生區域的現場狀況和交通狀況等功能。在消防通信規劃中應針對本地的實際情況,綜合考慮未來城市應急救援體系的發展,確定消防通信指揮中心的建設發展方案。
移動消防通信指揮中心是設置在專門的通信指揮車中并集成了消防通信指揮相關功能的移動指揮平臺,通常包括調度指揮臺、輔助決策信息系統、多種無線通信系統、火場圖像系統、視頻會議系統、現場廣播、供電及照明等其他輔助設備,是眾多救援力量參與的復雜災害事故處置現場中通信指揮的關鍵因素。按照城市規模和應急救援體系的建設情況,配置不同功能組件和不同移動及通信能力的消防通信指揮車是消防通信規劃中的重要問題。
3.3 消防綜合業務信息系統
消防綜合業務信息系統是包括了滅火救援指揮、消防監督管理、部隊管理和消防公眾服務等多種應用功能的信息系統集成,是消防通信中應用軟件的主要部分。按照消防部隊信息化建設總體規劃和部署,各級消防部隊將逐步推廣和應用包括消防基礎數據平臺、消防公共服務平臺及各消防綜合業務信息系統等部分的一體化業務平臺。目前各地統一按照公安部消防局部署方案的要求,逐步開展了消防監督管理、部隊管理和公眾服務等信息系統的推廣和應用,而對于消防基礎信息平臺、滅火救援指揮系統等面向滅火救援指揮和管理的信息系統,因受到基礎信息數據庫和通信基礎設施建設情況的局限,各地的應用程度差異較大。在消防通信規劃中,應將建立和完善城市地理信息、火災風險信息、危險源信息、水、電、生產、醫療救護信息等內容的城市應急救援基礎信息數據庫,以及按照城市應急救援的具體需求開展消防指揮調度系統、消防指揮決策系統、重大危險源評估系統、模擬演練等系統的應用納入到消防通信規劃中重點建設。
4、未來發展趨勢
隨著信息通信技術的高速發展,眾多高性能的通信技術將逐步應用于消防通信領域中,不斷推進消防通信的發展。目前第四代移動通信技術已進入實驗性應用階段,在不久的將來勢必將成為消防通信體系中高質量傳輸數據信息的重要手段。信息通信硬件設備的發展,使信息通信裝備的通信性能和移動性能不斷提升,設備成本將更加低廉,未來隨著多媒體單兵信息裝備的深入應用,使災害救援現場各級指戰員具備強大的信息通信能力,數字集群通信、衛星通信、微波數據通信等通信設備也將廣泛裝備到各級消防部隊中,逐步成為普遍配備的常規通信手段。隨著城市災害聯網監控系統的建設,消防通信指揮中心可以智能感知火災等災害事故的發生并及時獲取相關災情信息,極大的提高消防部隊對災害事故響應能力。此外物聯網、遙感技術、傳感器技術、ad hoc網絡等應用于消防領域,可以即時、全面、深入的獲得滅火和應急救援現場的災情狀況和救援實力狀況,實現天空地一體的消防通信體系和數字化指揮調度體系。在消防通信規劃中,應結合未來通信新技術的發展,合理規劃和部署城市消防通信建設。
5、問題和建議
消防通信的發展應與城市應急救援體系各方面的發展情況及相關領域的具體情況協調統一。由于通信技術的發展速度較高,消防通信規劃編制中應準確預見未來城市消防通信的需求,在首先確立適合消防通信發展總體框架基礎上靈活的選擇兼容性好、生命力強并具備開放和統一標準的技術和設備,有效避免重復建設,并盡量降低系統升級換代和改造的成本。發展中還應重視基礎通信設施建設,切忌盲目追求新技術和熱點技術。可靠度和抗災能力是消防通信系統中不能忽視的問題,應充分考慮應急狀況下缺乏電源供給、設備損壞、大量用戶占用等特殊情況的系統運行,合理劃分系統中緊急與非緊急應用的分工、采取冗余和備份設計、增設應急狀態的專用模式等手段提高系統可靠程度和對災害的抗擊能力。此外消防通信系統設計中還應充分考慮到互聯網、公安網、公眾話務網、政務網等多個獨立通信網絡中各種系統間數據的融通,設計中應盡量將系統各具體應用建立在統一的平臺和網絡中,并采用一些安全穩妥的連接手段,共享和交換各網絡間的信息數據。
參考文獻
[1] gb50313.防通信指揮系統設計規范[s].
張昊.論重特大災害消防應急通信技術[j].消防科學與技術,2011,30(2):132-136
莫曉漪.現代城市消防規劃的若干問題[j].廣西民族大學學報,2007,(8):117-121.
論文關鍵詞：擴頻通信原理特點發展應用
論文摘要：擴頻通信是現代通信系統中新的通信方式，它具有較強的抗干擾、抗衰落和抗多徑性能，頻譜利用率高。本文介紹了擴頻通信的工作原理、特點、及其發展應用。
一、擴頻通信的工作原理
在發端輸人的信息先調制形成數字信號，然后由擴頻碼發生器產生的擴頻碼序列去調制數字信號以展寬信號的頻譜，展寬后的信號再調制到射頻發送出去。在接收端收到的寬帶射頻信號，變頻至中頻，然后由本地產生的與發端相同的擴頻碼序列去相關解擴，再經信息解調，恢復成原始信息輸出。可見，一般的擴頻通信系統都要進行3次調制和相應的解調。一次調制為信息調制，二次調制為擴頻調制，三次調制為射頻調制，以及相應的信息解調、解擴和射頻解調。與一般通信系統比較，多了擴頻調制和解擴部分。擴頻通信應具備如下特征：(1)數字傳輸方式；(2)傳輸信號的帶寬遠大于被傳信息帶寬；(3)帶寬的展寬，是利用與被傳信息無關的函數(擴頻函數)對被傳信息的信元重新進行調制實現的；(4)接收端用相同的擴頻函數進行相關解調(解擴)，求解出被傳信息的數據。用擴頻函數(也稱偽隨機碼)調制和對信號相關處理是擴頻通信有別于其他通信的兩大特點。
二、擴頻通信技術的特點
擴頻信號是不可預測的、偽隨機的寬帶信號，其帶寬遠大于要傳輸的數據(信息)帶寬，同時接收機中必須有與寬帶載波同步的副本。擴頻系統具有以下特點。
1．抗干擾性強
擴頻信號的不可預測性，使擴頻系統具有很強的抗干擾能力。干擾者很難通過觀察進行干擾，干擾起不了太大作用。擴頻通信系統在傳輸過程中擴展了信號帶寬，所以即使信噪比很低，甚至在有用信號功率低于干擾信號功率的情況下，仍能不受干擾、高質量地進行通信，擴展的頻譜越寬，其抗干擾性越強。
2.低截獲性
擴頻信號的功率均勻分布在很寬的頻帶上，傳輸信號的功率密度很低，偵察接收機很難監測到，因此擴頻通信系統截獲概率很低。
3.抗多路徑干擾性能好
多路徑干擾是電波傳播過程中因遇到各種非期望反射體(如電離層、高山、建筑物等)引起的反射或散射，在接收端的這些反射或散射信號與直達路徑信號相互干涉而造成的干擾。多路徑干擾會嚴重影響通信。擴頻通信系統中增加了擴頻調制和解擴過程，利用擴頻碼序列間的相關特性，在接收端解擴時，從多徑信號中分離出最強的有用信號，或將多徑信號中的相同碼序列信號疊加，這樣就可有效消除無線通信中因多徑干擾造成的信號衰落現象，使擴頻通信系統具有良好的抗多徑衰落特性。
4.保密性好
在一定的發射功率下，擴頻信號分布在很寬的頻帶內，無線信道中有用信號功率譜密度極低，這樣信號可以在強噪聲背景下，甚至在有用信號被噪聲淹沒的情況下進行可靠通信，使外界很難截獲傳送的信息，要想進一步檢測出信號的特征參數就更難了．所以擴頻系統可實現隱蔽通信。同時，對不同用戶使用不同碼，旁人無法竊聽通信，因而擴頻系統具有高保密性。
5.易于實現碼分多址
在通信系統中，可充分利用在擴頻調制中使用的擴頻碼序列之間良好的自相關特性和互相關特性，接收端利用相關檢測技術進行解擴，在分配給不同用戶不同碼型的情況下，系統可以區分不同用戶的信號，這樣同一頻帶上許多用戶可以同時通話而互不干擾。
三、擴頻技術的發展與應用
在過去由于技術的限制，人們一直在走增加信號功率，減少噪聲，提高信噪比的道路。即使到了70年代，偽碼技術已經出現，但作為相關器的“碼環”的鐘頻只能做到幾千赫茲也無助于事．近幾年，由于大規模集成電路的發展，幾十兆赫茲，甚至幾百兆赫茲的偽碼發生器及其相關部件都已成為現實，擴頻通信獲得極其迅速的發展．通信的發展史又到了一個轉折點，由用信噪比換帶寬的年代進入了用寬帶換信噪比的年代．從最佳通信系統的角度看擴頻通信．最佳通信系統一最佳發射機+最佳接收機．幾十年來，最佳接收理論已經很成熟，但最佳發射問題一直沒有很好解決，偽碼擴頻是一種最佳的信號形式和調制制度，構成了最佳發射機．因此，有了最佳通信系統一偽碼擴頻+相關接收這種認識，人們就不難預測擴頻通信的未來前景．從9O年代無線通信開始步人擴頻通信和自適應通信的年代．擴頻通信的熱浪已經波及短波、超微波、微波通信和衛星通信，碼分多址(CDMA)已開始廣泛用于未來的峰窩通信、無繩通信和個人通信以及各種無線本地環路，發揮越來越大的作用．接入網是由傳統的用戶線、用戶環路和用戶接入系統，逐步發展、演變和升級而形成的．現代電信網絡分為3部分：傳輸網、交換網和接入網．由于接入網發展較晚，往往成為電信發展的“瓶頸”，各國都很重視接入網的發展，因此各類接人技術和系統應運而生．由于ISM(IndustryScientificMedica1)頻段的開放性，經營者和用戶不需申請授權就可以自由地使用這些頻段，而無線擴頻技術所使用的頻段(2．400～2．483)正是全世界通用的ISM頻段，包括IEEE802.11協議架構的無線局域網也大部分選用此頻段．在無線接人系統中，擴頻微波與常規微波相比有著3個顯著的優點：抗干擾性強、頻點問題容易處理、價格比較便宜．而且，擴頻微波接入技術相對有線接入技術來說，有成本低、使用靈活、建設快捷的優勢，在接入網中起著不可替代的作用．
擴頻微波主要應用在以下幾個方面．語音接入(點對點)；數據接入；視頻接入；多媒體接入；因特網(Internet)接入。
論文關鍵詞：車輛實時動態監控系統,郵件攬投,車輛管理
1、引言
現階段，郵政EMS的郵件攬投和車輛管理依然是粗放式生產和管理，無法和國外大型快遞公司進行競爭，現代科學技術并沒有引入其中，采用的仍是傳統的生產模式和管理方法，管理沒有精細化，缺乏先進的生產技術和管理經驗。就此，筆者將車輛實時動態監控系統引入EMS郵件攬投和車輛管理中。
隨著無線通信技術和計算機技術的發展，為各個行業中交通物流的管理提供了新的技術手段，從而可以有效提高現有的行業管理與服務效率，GPS車輛監控系統充分利用了現代科學技術的最新成果，綜合利用計算機網絡、全球衛星定位（GPS）、無線通信、地理信息系統（GIS）等多學科的前沿技術，與行業的應用特點緊密結合，提供基于GPS位置服務的車輛監控管理平臺。
車輛實時動態監控系統是以GPS車載導航技術為依托,針對現場特點而開發的系統。GPS車載導航技術由GPS、地理信息系統及無線通信技術構成。GPS接收機接收GPS衛星的導航信號,獲取運動體的實時位置；無線通信技術把運動體的實時位置及附加信息傳送到監控中心；地理信息系統(GIS)則把計算機技術、圖形技術、數據庫技術融合于一體,在調度中心對監控物體的空間位置及用戶賦予的屬性信息進行管理、顯示和分析,達到實時動態監控的目的。
這一技術又稱為智能交通(ITS),如把該技術應用于中國郵政EMS攬投中,將增強EMS攬收和投遞能力，降低人力資源的管控成本，提高企業管理水平，避免車輛的閑置，讓其得到充分使用,對保障車輛安全都能起到積極作用。
2、EMS車輛管理現狀
2.1、攬投工作
每天早上各個攬投部將郵件派攬給各個攬投員，讓其進行投遞。攬投人員對郵件派投以后，把投遞局留存聯交給收班人員，收班人員再依次把妥投信息錄入微機，郵件的實際妥投狀態和上網查詢的妥投信息至少存在半天的時差。而順豐快遞，在郵件妥投以后，就能即時地將相應的妥投信息傳遞到網絡平臺上，供客戶查詢，為企業贏得美譽度。
2.2、車輛歸集
每天下午在郵件攬投工作結束以后，EMS車輛必須停在指定的地點，進行歸集。但是有部分攬投人員在收班以后，對車輛并沒有進行歸集，收班后印有EMS標識的車在大街上隨處可見，直接導致部分車輛油耗量較大，并帶來安全隱患。
3、EMS車輛實時動態監控系統介紹
將車輛實時動態監控系統引入EMS中,可對郵件攬收和投遞生產過程進行可視化管理,同時將EMS車輛納入信息化管理,對人、車、物進行有序地調度管理，保證EMS安全、快捷生產。GPS車輛監控系統一方面利用GPRSCDMA等信道，將車輛的位置信息、報警信息和服務信息實時傳送到監控系統； GPS監控平臺是車輛監控系統的核心，提供GPS信息的采集、格式轉換與分發服務，響應用戶的各種命令請求，提供數據庫應用與存儲服務，完成用戶身份識別與安全控制。它包括：用戶服務（UAS）、派發中心（EGF）、數據庫應用服務器（DAS）、通訊接口（CI）及系統信息管理（MIS）軟件包等。
各監控分中心根據相應權限安裝監控端，通過INTER網絡接入GPS車輛監控系統，也可通過專線方式接入。為保證系統的安全性，可在客戶服務器上加上防火墻以保證系統不受外部侵入和損害。
GPS綜合服務平臺是車輛調度服務中心的核心，提供GPS信息的采集、格式轉換與分發服務，響應用戶的各種命令請求，提供數據庫應用與存儲服務，完成用戶身份識別與安全控制。它包括：用戶服務（UAS）、派發中心（EGF）、數據庫應用服務器（DAS）、通訊接口（CI）及系統信息管理（MIS）軟件包等。系統采用模塊化設計，運行平臺為UNIXLINUXWINDOWS操作系統，數據庫采用目前最流行最穩定的ORACLE數據庫。GPS綜合服務平臺與各種車載終端相連接的接口為獨立的通信接口（CI），可以實現專網終端、公網終端并網運行，并可以任意擴充終端種類，無需修改服務程序。其另一個重要部分是GPS專用GIS控件，專注于快速、形象、生動的顯示GPS信息。在每一個模塊快速、高效、穩定運行的基礎上，各模塊間可實現無縫連接，完成不同監控應用；不同GPS移動單元，不同通訊方式在同一個系統上的統一運行。
由于GPS定位派發的特殊性，要求系統能夠盡可能快地將GPS定位數據分發到不同的監控端，而丟失一兩個定位數據是可以容忍的。在應用中，監控用戶向系統發出的登錄、呼車、車輛控制等命令相對有限，而網絡中最大流量的數據是GPS定位數據包，所以系統間各個部分之間相連采用TCP/IP網絡，并大量采用UDP協議傳輸數據。由于UDP是無連接傳輸，系統開銷小，適合于大數據量的傳輸，而對于系統中命令的傳輸，采用命令確認機制，使保證命令正確傳輸，這樣使系統以最高的效率轉發GPS定位數據包，同時能夠保證命令信息的正確傳輸。
由于科技發展的日新月異，特別是無線通訊發展迅速，而GPS定位派發系統要與無線通訊系統連接，所以系統的可擴展性也影響到了系統的使用，只有方便升級和擴展的系統才能適應當前的用戶需求，因此系統采用服務器分布模塊式設計，以不同的服務器實現不同的功能，使系統功能的增加不需要對整個系統做修改。
3.1系統拓撲結構
監控系統的拓撲結構是由監控中心和移動端構成,如圖1所示。移動端即EMS車輛,監控中心設置在網運部,通過無線傳輸方式進行數據通訊。
圖1
1）、軟件平臺
軟件平臺包括以下軟件:
windows操作系統；
VB6.0；
MapX5.0；
Access數據庫管理系統。
2）、通訊方式
無線上網進行數據通訊。
3）、移動目標配置
配PDA采用無線上網，EMS此前購置的一批PDA可以采用。
3.2系統功能
利用有效方式實現多終端分級管理模式。系統包括基本GIS功能模塊、移動目標(車輛)跟蹤模塊、數據庫管理模塊。
關鍵詞： 全球定位系統；填筑工程；質量控制；集成系統；面板堆石壩
介紹
目前,管理填筑施工面板堆石壩的質量主要采用"雙重控制"的質量控制方法，其中一種是手動控制碾壓參數，參數包括厚度、充填層的粗糙度、和壓實機的滾次和軋實速度；另一種是在該區域對孔取樣進行手動測試。該方法對國內混凝土堆石壩的發展具有積極的推動作用。然而，隨著混凝土面板堆石壩規模的擴大，傳統的手工管理機制不再滿足當代機械化施工和進度的需要。位于中國湖南省清江流域的水布埡混凝土面板石堆大壩，在所有相同類型的大壩中，以233米的高度排名世界第一。該工程總充填量為1.6?07立方米并且一個月的最多灌裝量超過6?05立方米，所以需要更多的量來控制大壩填筑施工的質量。為了及時地監督大壩的填筑施工質量，為灌裝工程開發一個碾壓方面的工程質量監督系統是非常重要的，這個系統具有實時、連續、自動化和高精度的特點。監督系統對于提高水布埡工程的工程質量具有很大的意義。
作為一種全新的當代空間衛星導航和位置定位系統，GPS已經在越來越多的領域逐漸代替了普通光學和電子測量儀。自從20世紀80年代，特別是在90年代以后，GPS技術已經結合現代通信技術引領空間定位技術進行一次革命性的變革。通過GPS技術同時確定三維坐標的方法已經從具有近海安的陸地至整個海洋和外層空間,從靜力學到運動學,從單點定位到網區分,從后處理到實時定位和導航改變了傳統技術，并且由于絕對和相對點位精度已經達到米級、厘米級、亞毫米級，GPS的應用和影響領域已經擴大到各行各業。現代數據通訊技術、計算機技術、電子技術、代表GPS的空間定位技術的快速發展和完善使實時連續地、自動地監督高精度具有可行性。根據在灌裝工程中對于碾壓方面的工程質量管理的要求，利用GPS技術、無線數據通信技術、計算機技術、數據處理和分析技術，并結合碾壓機，在2004年，武漢大學和清江水電開發責任有限總公司共同研發了一種在灌裝工程中適于監督碾壓方面質量問題的實時監控系統，也就是填筑施工質量的實時監控系統（后來簡稱為GPS）。這個系統具有實時、高精度、連續性、自動化等綜合功能，所以能應用于對大壩、公路、保護堤、飛機場等的灌裝壓實實時監督，因而成為一個確保工程的施工質量的行之有效的助手。結合工程的要求以及此系統的特征，本論文主要討論此系統的構成、關鍵技術、方案設計，分析GPS系統的高精度問題，并且對GPS系統的初步應用進行了研究。
1 GPS實時監控系統的構成和特征
1.1構成
該系統的硬件裝置主要包括以下三個方面：
1)GPS衛星信號的接受系統
2)無線網絡的數據通信系統
3)計算機系統
圖1.系統的網絡結構的介紹
根據在灌裝和搗打工程的壓實需要和工程管理對此系統的要求，系統由監控中心、網絡中繼站、現場亞控制站、GPS參考站和移動終端（包括碾壓機和交通質量監控工作）組成，移動終端是對于地形環境對無線通信的影響。圖1是灌裝工程中工程質量監控系統的介紹。如果地形環境好，并且現場的灌裝工程與系統的監控系統不是很遠，那么網絡中繼站可以去掉。
1.1.1監控中心
監控中心是此系統的心臟，它將GPS參考站的微分數據輸入到GPS移動電臺，同時，通過無線數據傳輸連續實時地接受由移動電臺反饋的位置信息。結合施工的需要，裝備在監控中心的電子顯示屏能夠實時地顯示碾壓機械以及在水壩壓實平面上的質量監管工作車輛的精確移動位置和狀態信息，遠程監視灌裝工程壓實質量的狀態，并且提供給領導者基本信息以做出決定。系統數據的處理、分析、儲存等等也在監控中心操作。
1.1.2現場次監察站
現場次監察站系統控制中心的延伸，而且為現場的監察人員提供了便利。通過訪問監控中心的信息，監察人員就能夠在監察辦公室實時掌握工程施工和施工質量的現狀。一旦出現質量偏差，監察人員就能夠應對施工現場的施工人員，提醒工作人員并要求他們整頓。
1.1.3 GPS參考站
GPS參考站為了利用差分GPS技術提高系統的監控精度而設置的。我們在一個已知點上設置GPS接收機作為參考站進行GPS觀測工作，然后實時向GPS移動電臺輸出GPS觀測數據和參考站的已知位置信息，然后利用載波相位的差分處理方式處理連同移動電臺的GPS觀測數據，最后計算出移動電臺的空間位置信息，而且定位精度可以提高。以上的方法叫做差分GPS技術。一般來說，為了方便提供支撐力量，管理和維護，GPS參考站設置在監控中心。為了確保監控精度，必須強調的是GPS監控站和施工區域之間的距離要少于5-6千米，并且這個距離控制要求要在實踐中滿足。
1.1.4 移動終端
移動終端包含安裝在工程監控車里和碾壓機里的系統需求裝備。
1)安裝在碾壓機里德移動終端
安裝在碾壓機里的移動終端主要包括集成系統單元，GPS接收機天線和無線通信天線。系統單元結合計算機工業平臺的主要設備，GPS接收機，無線通訊等等。移動終端是像GPS移動站似的移動監控裝備進行GPS移動觀測。它的控制項目主要包括碾壓機的軋制軌跡、軋制速度和軋制次數。移動終端會連續實時地向監控中心反應有效的觀測結果。同時，利用在碾壓機的司機的系統單元里的數據和表，計算機的工作平臺實時反應了碾壓機的工作狀態。碾壓機的操作者要檢核他或她的工作是否滿足顯示屏上的質量需求。
論文摘要：擴頻通信是現代通信系統中新的通信方式，它具有較強的抗干擾、抗衰落和抗多徑性能，頻譜利用率高。本文介紹了擴頻通信的工作原理、特點、及其發展應用。
一、擴頻通信的工作原理
在發端輸人的信息先調制形成數字信號，然后由擴頻碼發生器產生的擴頻碼序列去調制數字信號以展寬信號的頻譜，展寬后的信號再調制到射頻發送出去。在接收端收到的寬帶射頻信號，變頻至中頻，然后由本地產生的與發端相同的擴頻碼序列去相關解擴，再經信息解調，恢復成原始信息輸出。可見，一般的擴頻通信系統都要進行3次調制和相應的解調。一次調制為信息調制，二次調制為擴頻調制，三次調制為射頻調制，以及相應的信息解調、解擴和射頻解調。與一般通信系統比較，多了擴頻調制和解擴部分。擴頻通信應具備如下特征：(1)數字傳輸方式；(2)傳輸信號的帶寬遠大于被傳信息帶寬；(3)帶寬的展寬，是利用與被傳信息無關的函數(擴頻函數)對被傳信息的信元重新進行調制實現的；(4)接收端用相同的擴頻函數進行相關解調(解擴)，求解出被傳信息的數據。用擴頻函數(也稱偽隨機碼)調制和對信號相關處理是擴頻通信有別于其他通信的兩大特點。
二、擴頻通信技術的特點
擴頻信號是不可預測的、偽隨機的寬帶信號，其帶寬遠大于要傳輸的數據(信息)帶寬，同時接收機中必須有與寬帶載波同步的副本。擴頻系統具有以下特點。
1．抗干擾性強
擴頻信號的不可預測性，使擴頻系統具有很強的抗干擾能力。干擾者很難通過觀察進行干擾，干擾起不了太大作用。擴頻通信系統在傳輸過程中擴展了信號帶寬，所以即使信噪比很低，甚至在有用信號功率低于干擾信號功率的情況下，仍能不受干擾、高質量地進行通信，擴展的頻譜越寬，其抗干擾性越強。
2.低截獲性
擴頻信號的功率均勻分布在很寬的頻帶上，傳輸信號的功率密度很低，偵察接收機很難監測到，因此擴頻通信系統截獲概率很低。
3.抗多路徑干擾性能好
多路徑干擾是電波傳播過程中因遇到各種非期望反射體(如電離層、高山、建筑物等)引起的反射或散射，在接收端的這些反射或散射信號與直達路徑信號相互干涉而造成的干擾。多路徑干擾會嚴重影響通信。擴頻通信系統中增加了擴頻調制和解擴過程，利用擴頻碼序列間的相關特性，在接收端解擴時，從多徑信號中分離出最強的有用信號，或將多徑信號中的相同碼序列信號疊加，這樣就可有效消除無線通信中因多徑干擾造成的信號衰落現象，使擴頻通信系統具有良好的抗多徑衰落特性。
4.保密性好
在一定的發射功率下，擴頻信號分布在很寬的頻帶內，無線信道中有用信號功率譜密度極低，這樣信號可以在強噪聲背景下，甚至在有用信號被噪聲淹沒的情況下進行可靠通信，使外界很難截獲傳送的信息，要想進一步檢測出信號的特征參數就更難了．所以擴頻系統可實現隱蔽通信。同時，對不同用戶使用不同碼，旁人無法竊聽通信，因而擴頻系統具有高保密性。
5.易于實現碼分多址
在通信系統中，可充分利用在擴頻調制中使用的擴頻碼序列之間良好的自相關特性和互相關特性，接收端利用相關檢測技術進行解擴，在分配給不同用戶不同碼型的情況下，系統可以區分不同用戶的信號，這樣同一頻帶上許多用戶可以同時通話而互不干擾。三、擴頻技術的發展與應用
在過去由于技術的限制，人們一直在走增加信號功率，減少噪聲，提高信噪比的道路。即使到了70年代，偽碼技術已經出現，但作為相關器的“碼環”的鐘頻只能做到幾千赫茲也無助于事．近幾年，由于大規模集成電路的發展，幾十兆赫茲，甚至幾百兆赫茲的偽碼發生器及其相關部件都已成為現實，擴頻通信獲得極其迅速的發展．通信的發展史又到了一個轉折點，由用信噪比換帶寬的年代進入了用寬帶換信噪比的年代．從最佳通信系統的角度看擴頻通信．最佳通信系統一最佳發射機+最佳接收機．幾十年來，最佳接收理論已經很成熟，但最佳發射問題一直沒有很好解決，偽碼擴頻是一種最佳的信號形式和調制制度，構成了最佳發射機．因此，有了最佳通信系統一偽碼擴頻+相關接收這種認識，人們就不難預測擴頻通信的未來前景．從9O年代無線通信開始步人擴頻通信和自適應通信的年代．擴頻通信的熱浪已經波及短波、超微波、微波通信和衛星通信，碼分多址(CDMA)已開始廣泛用于未來的峰窩通信、無繩通信和個人通信以及各種無線本地環路，發揮越來越大的作用．接入網是由傳統的用戶線、用戶環路和用戶接入系統，逐步發展、演變和升級而形成的．現代電信網絡分為3部分：傳輸網、交換網和接入網．由于接入網發展較晚，往往成為電信發展的“瓶頸”，各國都很重視接入網的發展，因此各類接人技術和系統應運而生．由于ISM(IndustryScientificMedica1)頻段的開放性，經營者和用戶不需申請授權就可以自由地使用這些頻段，而無線擴頻技術所使用的頻段(2．400～2．483)正是全世界通用的ISM頻段，包括IEEE802.11協議架構的無線局域網也大部分選用此頻段．在無線接人系統中，擴頻微波與常規微波相比有著3個顯著的優點：抗干擾性強、頻點問題容易處理、價格比較便宜．而且，擴頻微波接入技術相對有線接入技術來說，有成本低、使用靈活、建設快捷的優勢，在接入網中起著不可替代的作用．
擴頻微波主要應用在以下幾個方面．語音接入(點對點)；數據接入；視頻接入；多媒體接入；因特網(Internet)接入。
四、結語
擴頻通信是通信的一個重要分支和發展方向，是擴頻技術與通信相結合的產物。本文主要論述了擴頻通信的特點、理論可行性及典型的工作方式。擴頻通信的強抗干擾性、低截獲性、良好的抗多路徑干擾性和安全性等特點，使它的應用迅速從軍用擴展到民用通信中，它的易于實現碼分多址的特點，使它能與第三代移動通信系統完美結合，發展前景極為廣闊。
參考文獻：
[1]曾興雯等.擴展頻譜通信及其多址技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2004.
關鍵詞：物聯網，智能家居，控制器，單片機
0.引言
物聯網智能家居系統是通過互聯網，構成集家庭通信、設備自動控制、安全防范等功能于一體的控制系統，即把家庭中各種家用電器、保安裝置和計量設備連接到一起組成家庭內部網絡，由家庭智能控制器（中央控制器）進行統一管理。使用該系統，用戶可通過短信及互聯網等方式實現家居智能無線監控。
1.物聯網簡介
物聯網的英文名稱為'TheInternet of Things” 。由該名稱可見，物聯網就是“物物相連的互聯網”。這有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎之上的延伸和擴展的一種網絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。論文參考網。因此，物聯網的定義是通過射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、 全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。
這里的“物”要滿足一定條件才能夠被納入“物聯網”的范圍：本方案可以滿足物聯網條件。1、有信號接收器，2、利用GSM無線通信技術。3、CPU自帶存儲功能。4、使用單片機與DSP芯片微控制器。5、操作系統界面是手機或者電腦。6、擁有專門的單片機和DSP應用程序。7、數據發送器是模擬啟動器。8、遵守互聯網協議。9、 唯一編碼就是電子標簽上唯一的代碼，也可以是小型遠程控制器的程序編碼序列。
2.物聯網智能家居系統的工作原理與功能
物聯網智能家居系統有四部分組成，分別是信號接收器、中央控制單元、模擬啟動器和遠程遙控控制器四部分組成，下面分別介紹。
2.1 信號接收器
由單片機控制的軟件程序的單元，用來接收主人發來的指令。
2.2 模擬啟動器
指令的執行者，通過各種智能家居小型遠程遙控器的接口和相關指令來控制各種智能家居的相應功能，類似于電腦中的主板，通過它與各種各樣的智能家居相連。模擬啟動器是執行單元，它需要按不同家電的要求，執行相應的功能。
2.3 小型遠程遙控器
可嵌入手機中的信號收發芯片，通過它將主人的指令發送到信號接收器。
2.4 中央控制器
中央控制器是由單片機和DSP芯片以及其他相關器件組成的控制單元，它內部集成了四大系統：室內環境控制系統、安詳生活系統、夢幻燈光系統和安全家居系統，所有對智能家居的操作指令都是由中央控制器發出的。論文參考網。
具體工作圖原理為：
解釋為：用戶將要所達到的效果以文字的形式發送出去，信號接收器接收到信息后，轉化為可識別的代碼傳送到中央控制器，中央控制器進行必要的處理和分析后，一面將指令傳送到模擬啟動器，一面將指令傳遞到實時顯示模塊進行顯示，模擬啟動器根據指令，分別啟動相關的遠程控制器，從而達到對相應智能家居的控制與操作。完成相應操作后，遠程控制端口會返回一條完成指令，再由中央控制器通過信號接收器反饋給使用者，用戶可根據反饋信息決定下一步操作。
用戶不操作的情況下，中央控制器會自動接受、監控各類傳感器，根據不同的設置要求，實時監控各類環境數據，一旦變化超出設定范圍，中央控制器會自動產生指令，模擬啟動器會控制相應的智能設備進行調節，從而營造安全舒適的家居條件。
3.具體應用
本系統采用的是GSM無線通信技術，將手機或者電腦信號轉換為具體的發送指令，來遠程控制室內的家居，中央控制器則要按照具體的指令來啟動模擬啟動器，讓它在預定的步驟下，準確、及時地控制各種智能家居的工作。在本系統內部集成了四大系統：室內環境控制系統、安詳生活系統、夢幻燈光系統和安全家居系統，以安全居家系統為例說明其應用。
安全家居系統組成：
功能特點：
將系統中的防盜裝置裝在門窗上，當盜賊靠近門窗時，傳感器檢測到人體信號,門窗(窗簾)控制器發出指令,門窗自動關閉，如果盜賊滯留不走或強行突入，智能主控器會發出報警聲阻嚇盜賊并自動循環撥打15組報警電話，通知您和小區報警中心有盜賊入侵，以便及時采取相應措施。
在門上安裝報警器，當主人離家時，在遙控器上啟動設防狀態，如遇盜賊強行撬門，智能主控器便會發出報警聲阻嚇盜賊，同時還會自動循環撥打多組報警電話，通知保安人員或戶主及時應對。
若遭遇壞人入室，可即時發送報警信號，方便求救,也可用于家中老人、小孩意外事故和急病呼救報警。論文參考網。
當遇到大風來臨或雨雪將至，窗門還會自動關閉。窗戶立即自行關閉，令您出門無憂無慮。
當燃氣監測器檢測到煤氣、液化氣.等有害氣體，智能控制器自動發出相應的指令，將窗戶、排氣扇自動開啟，同時發出警聲并將警情傳遞給主人手機或者電腦和保衛處。
一旦有火災發生，傳感器會第一時間檢測到煙霧信號，智能控制器發出指令 ，將門窗打開，同時發出警聲并將警情傳報警中心或給主人手機或者電腦上。
具體執行如下：
4.結束語
當今快速發展的時代，人們對生活快節奏的要求越來越迫切，對生活質量的要求日益提高，尤其在發展比較快的大都市里，人們對時間的利用也越來越合理，而科技在迅猛發展，手機和電腦的普及率又達到了前所未有的水平，這樣就為物聯網的興起創造了先機。所以基于物聯網的智能家居系統，必然會成為現代人生活中不可缺少的一部分。
參考文獻
[1] 艾紅．基于ARM 的嵌入式遠程監控系統[J]．工業控制計算機,2008.2l
[2] 王永初著，最佳控制系統設計基礎[M].科學出版社．2000
[3] 韓江洪．智能家居系統與技術[D].合肥工業大學出版社，2005．
[4] 趙繼春．基于GPRS無線智能家居安防系統的研究與實現[D]．邯鄲：河北工程大學，2007．
關鍵詞： ZigBee技術； 人員定位； 無線通信； mesh網絡； 模塊化
中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）26-0238-02
Application of Operator Patrol System Based on ZigBee in the Cabin
LI Yan-sheng，SUN Lin，WANG Ya-kun
（College of Communication and Electronic Engineering， Qingdao University of Technological， Qingdao 266033， China）
Abstract：The cabin internal structure of large ship is complex， and the positioning problem of cabin operator should be solved urgently. The operator patrol system in the cabin takes the ZigBee technology as the core， uses the modular design. The whole system is divided into： ZigBee terminal equipment， ZigBee router equipment and ZigBee coordinator equipment. This system transmitted data by the mesh network， and displayed personnel location information in the host computer. By the simulation experiment， this system could realize the function of real-time positioning， disaster warning， and host computer display， and realize the application of operator patrol system based on ZigBee in the cabin.
Key words： ZigBee； personnel positioning； wireless communication； mesh； modularization
1 概述
大型艦船體型、規模、承載量巨大，其船艙內部結構更是復雜多變，這給艦船指揮員對船上人員的掌控和艙內緊急事故的處理增加了很大的難度。因此，在船艙控制中心實時觀測船艙內部操作人員的位置和狀態，實現對艙內人員的考勤和精確定位，并能夠及時收發報警信息，對于大型的、結構復雜的艦船內部的操作人員的安全及工作效率的提高有著重要的意義。
目前，常見的人員定位技術中，全球定位技術（Global Positioning System，簡稱GPS）應用于室外定位，在室內由于建筑物遮擋無法完成精確定位[1]；紅外線定位技術在傳輸過程中很容易受障礙物的影響且僅能進行視距內的定位[2]；射頻識別系統（Radio Frequency Identification，簡稱RFID）應用于區域識別，無法在區域內部實現人員的實時定位，且RFID讀卡器造價偏高[3]。
ZigBee技術是一種新興的低功耗、低復雜度、近距離的無線通信技術，適用于短距離無線通信[4]。它制定了新的通信標準，在無線傳感器網絡中隨機放置數個微型傳感器節點，構成一個無線傳感器網絡，節點之間相互通信交換數據來完成定位，每個節點之間通過路由的方式把數據信息從一個節點傳遞給另外一個節點[5][6]。 ZigBee 技術最重要的特征是低能耗和低成本[7]。因此，本研究選用ZigBee技術來完成船艙內部操作人員安全巡檢系統的方案設計。
2 船艙內部操作人員安全巡檢系統設計方案
本論文設計的船艙內部操作人員安全巡檢系統方案如圖1所示。船艙安全巡檢系統根據每個模塊的功能和位置不同，由三個主要部分構成：ZigBee終端模塊，ZigBee路由器模塊和ZigBee協調器模塊[8]。根據各模塊的要求和具體任務，分別進行了硬件電路設計。
圖示說明：上圖九宮格中，每個格子代表一個船艙；每個船艙內放置固定位置的ZigBee路由器設備，同時，每個船艙內有數量不等的攜帶ZigBee終端設備的人員，ZigBee協調器接收ZigBee路由器設備發送的信號，并上傳至上位機進行數據處理和顯示。
該船艙巡檢系統中，在每一個船艙放置一個或多個固定位置的ZigBee路由器，這些路由器組成無線網格網絡（Mesh網絡）進行數據傳輸，可移動的ZigBee終端設備與ZigBee路由器組成星型網絡。本系統的核心問題是判斷人員進入哪一個ZigBee路由器的識別范圍。
當攜帶ZigBee終端設備的人員進入某一船艙后，ZigBee終端設備會每隔5s將自身的靜態、動態信息主動發送給附近的ZigBee路由器，發送完成后進入低功耗模式。船艙內的ZigBee路由器檢測到該定位終端，并進行數據傳輸。然后，ZigBee路由器將自身的地址信息和接收到的若干ZigBee終端設備的信息一起打包發送給ZigBee協調器，經過上位機的數據處理和傳輸顯示，判斷并確認終端設備所在的位置。當然可以在較大的船艙內部放置多個路由器，進行精確定位。
由于ZigBee路由器的信號向四周輻射，因此當人員從一個船艙到了另一個船艙時，其終端設備可能仍然和上一個船艙內的ZigBee路由器相連，這樣就不能和剛進入的船艙內的路由器相連。為了解決該問題采用以下方法：
1）終端設備需要檢測ZigBee路由器信號的強度，通過接收到的ZigBee路由器信號的強度來判斷是否切換路由。
2）控制ZigBee路由器的發射信號，適當的減小路由器的發射功率，避免出現上述情況。
3 各模塊硬件電路設計
3.1 ZigBee終端模塊
ZigBee終端模塊需要每位船艙內操作人員隨身攜帶，這就要求其體積小，功耗低，成本低，靈敏度高，可充電。這為終端模塊的設計提出了要求：能夠實時發送攜帶有ZigBee終端設備人員的個人信息和位置信息以實現定位功能；支持報警功能，當艙內安全操作人員發現險情（漏水、火災等）時，可通過ZigBee終端設備上的報警按鈕及時向主機發出報警信息；當攜帶有ZigBee終端設備的工作人員由一個船艙進入另一個船艙時，ZigBee終端設可根據ZigBee路由器發出的信號強弱判斷是否切換連接，并自動完成切換。
根據上述設計需求，ZigBee終端模塊主要由四部分構成：CC2530主控芯片、電源管理模塊、終端按鍵、無線通信模塊。其系統設計如圖2所示。
考慮到電源模塊供電的可靠性、經濟性，ZigBee終端設備選用鋰電池作為電源。同時，為了更直觀地顯示ZigBee終端設備的工作狀態，終端設備設計有LED指示燈，當設備開啟并且存有電量時，LED指示燈閃爍；否則，無任何指示。
3.2 ZigBee路由器模塊
ZigBee路由器模塊設計要求：ZigBee路由器需接收周圍若干ZigBee終端設備信號；ZigBee路由器能夠將接收到的多個終端設備的信號強度信息和自身的地址信息匯總后發送到ZigBee協調器；ZigBee路由器能能夠確定終端設備是否報警，并采集自身電池電壓，上傳至ZigBee協調器。
根據以上設計要求，ZigBee路由器采用芯片CC2530+CC2591模塊控制，CC2591芯片進行功率放大。同時，采用了STM8系列單片機，以采集路由器電池電壓及發送報警信號。另外，還包括LED顯示模塊，無線通信模塊等，其系統設計如圖3所示。
3.3 ZigBee協調器模塊
ZigBee協調器模塊與ZigBee路由器模塊采用相同的模塊設計，通過CC2591芯片將信號功率放大，擴大信號傳輸范圍。
ZigBee協調器模塊設計需求：ZigBee協調器模塊需接收各艙內ZigBee路由器發送來的數據信息，并上傳至上位機，由上位機進行數據處理并顯示；另外，當ZigBee終端模塊發出報警信號時，ZigBee協調器模塊能夠識別報警信號，并向ZigBee路由器設備發出報警信號，使路由器設備進行聲光報警，提醒周邊船艙內部操作人員抓緊時間撤離危險區域。
ZigBee協調器模塊主要由CC2530芯片及CC2591芯片控制，同時設計有接口轉換電路、復位電路、穩壓電路等。
4 船艙內部操作人員安全巡檢系統測試
為了更好的檢測船艙內部操作人員安全巡檢系統的功能和完整性，本文組建了一個簡易的無線定位仿真系統，進行定位測試，并選用了MyComPort V 4.1.1串口調試軟件進行串口調試。ZigBee路由器地址配置直接由撥碼開關控制，不使用單片機進行配置，更加方便、簡單。
為使同一信道不同網絡能同時工作，應更改ZigBee各模塊的PANID值，只有ZigBee各模塊的PANID和CHANNEL值均相同的模塊才能組成一個網絡，每個網絡都應該是1主機N路由的方式。
經各模塊組網運行，系統測試效果如圖4所示。經測試，船艙內部操作人員安全巡檢系統能夠實現在相對封閉空間內對人員的定位功能，并能實現ZigBee終端設備發送報警信號，上位機控制附近ZigBee路由器設備進行聲光報警等功能。
5 結論
ZigBee技術作為無線通訊領域的后起之秀，在短距離無線控制、數據傳輸領域都具有廣闊的應用前景。本文基于ZigBee技術構建船艙內部覆蓋的無線傳感器網絡，使系統在成本、功耗以及綜合使用效果上有了很大的突破。本系統采用模塊化設計，并利用AD 09軟件進行了PCB制版制作。通過對該系統在模擬環境中的測試，驗證了本系統的可行性和實用性。通過測試，本系統能夠實現對ZigBee終端設備攜帶人員的艙內實時定位，災害報警，上位機顯示等功能，實現了ZigBee技術在船艙內部空間的定位應用。
參考文獻：
[1] 秦曉靜. 基于ZigBee技術的井下人員定位系統的研究[D]. 長春：長春理工大學，2012.
[2] 呂文婷. 基于ZigBee技術的無線定位系統的研究[D]. 哈爾濱：黑龍江大學，2009.
[3] 陳峰. 基于ZigBee的井下人員定位系統的研究[D]. 焦作：河南理工大學，2012.
[4] 胡柯，郭壯輝，汪鐳. 無線通信技術ZigBee研究[J]. 電腦知識與技術，2008（6）：1049-1051.
[5] 張朋. 基于ZigBee的室內人員定位監控系統的設計[J]. 信息技術，2010（10）：34-37.
[6] 劉洋，楊潔明. 基于CC2431的井下人員定位方法研究[J]. 煤礦機械，2010，31（6）：49-51.
論文摘要:針對目前通信技術的發展狀況及就業形勢,并結合我院實驗室現狀,提出了建設綜合通信網絡實驗平臺的必要性;給出了綜合通信網絡實驗平臺的拓撲結構;論述了SDH傳輸系統、程控交換系統及EPON光接入等系統的詳細配置情況。
隨著通信技術的發展及信息業務量的劇增,社會對通信專業人才的需求不斷加大,從近幾年的就業情況來看,企業需要的是既有較好的理論基礎,又有較強的實踐能力,并且了解通信行業技術的綜合應用型人才。因此,高校必須不斷完善通信實驗室建設,改進實驗模式,才能適應市場對人才的需求。我院于2009年提出了建設綜合通信網絡實驗平臺的計劃,并獲得了中央地方共建專業特色實驗室項目的資助。
1實驗室現狀及建設綜合實驗平臺的必要性
2000年以來我院先后建設了計算機技術、電子技術、通信原理、高頻電子、EDA等基礎實驗室及檢測與控制專業實驗室。2004年通信專業開始招生,為滿足教學要求,籌建了通信專業實驗室。由于當時學校經費緊張,制定了通信專業實驗室的建設在現有基礎上分兩步走的計劃:第一步,建設以滿足教學需求的基本型專業實驗室,主要完成光纖、程控、通信網、移動通信等專業課程實驗。該實驗室建設方案以各種實驗箱及相關的儀器設備組成,基本1人1箱,其特點是:技術成熟,投資少,維護方便。第二步,建設綜合通信網絡實驗室。第一步建設方案已于2006年完成。
2006年以來,通信專業實驗室在實驗教學工作中發揮了其應有的作用。但這些設備各自獨立,沒有形成網絡,系統性不強,實驗內容多以演示、驗證為主。隨著通信技術的迅猛發展,這類實驗室條件局限性較大,沒有通信全程全網的系統性,學生對所學的專業課程缺乏系統整體概念,無法滿足對通信技術的深入研究及市場對人才的需求。因此建設綜合通信網絡實驗平臺是非常必要的。
2綜合通信網絡實驗平臺的建設思路與目標
隨著通信行業的不斷發展,電信領域正在向著移動化、寬帶化的方向不斷融合。因此,綜合通信網絡實驗平臺建設的基本思路是建設一個集傳輸、交換、寬帶接入及有線、無線通信為一體的綜合現代通信網絡,是一個類似于電信系統的全真式網絡。該系統能夠實現模擬網絡運行,各個網絡對接,并能夠完成每種設備平臺的實訓與研究。通過該實驗系統,讓學生從軟件到硬件全方位感受現代通信的真實環境,對所學專業有直觀的認識及深入的了解,提高專業素質,鍛煉動手能力,把學生培養成符合社會需求的綜合型、應用型通信技術人才。
3綜合通信網絡實驗平臺的建設方案與內容
建設方案既要技術先進,又要經濟合理,通過反復多次的論證,提出了適應現有資金條件,適合當代通信技術發展的綜合通信實驗平臺。整個平臺由SDH傳輸網、程控交換網、移動無線接入網、EPON光接入網、網規、網優等系統構成。
3.1 網絡拓撲結構網絡拓撲結構如圖1所示。
圖1 綜合通信網絡實驗平臺拓撲圖
3.2 光傳輸系統
光傳輸系統是整個實驗網絡的核心,溝通了各模塊之間的通信聯絡。系統采用SDH技術,由3臺STM-1設備構成環形網絡。SDH技術是目前通信網絡的主流技術,它以其突出的技術優勢為網絡提供優質、高效、可靠的通信業務,能夠滿足寬帶數據及視頻圖像等多業務的傳輸需求,自愈功能強。掌握傳輸技術對通信工程專業的學生來說,是非常重要的。
傳輸系統選用華為公司的Optix155/622HMetro1000型設備,主要功能及配置如下:
(1)系統高階交叉能力為136×136VC4,低階交叉能力1638×1638VC12。
(2)單臺傳輸系統配置STM-1光接口2個,E1接口21個,FE接口數量為4個,支持155M至2.5G光速率的在線升級能力。
(3)具備多業務處理能力,提供多路E1,T1,E3和T3業務及各種音頻接口,數據接口功能。
(4)系統采用MSTP第三代技術,支持以太網信號的匯聚、二層交換和VLAN。
(5)傳輸系統配備了設備級管理軟件,在提供完備的網元級管理功能的同時,提供了網絡層管理功能,支持傳統業務的端到端管理。
(6)整個傳輸網絡保護機制健全,交叉、時鐘、電源均采用1+1保護措施,具備強大的告警分析和故障自動診斷功能,提高了網絡系統的安全性和可靠性。
3.3 程控交換系統
程控交換系統采用華為公司C&C08程控交換設備,通過傳輸網絡及其他配合設備構建一個完全模擬實際應用的,具有局間交換、遠端接入功能的完整交換網絡。主要配置為:
(1)系統交換能力為16K×16K,配置模擬電話用戶96路,數字中繼120DT(最大可擴充至50000線模擬用戶及10000線數字中繼)。
(2)提供中國1號信令、7號信令,滿足局間通信的要求;提供語音業務及其他綜合接入業務,配置各種接口。
(3)提供設備級網管軟件,可對硬件設備進行設置、配置, 進行信令的觀測、跟蹤等。
3.4 TD-SCDMA移動通信無線網絡系統
TD-SCDMA技術是目前廣為使用的新技術,大幅提升了數據傳輸速率,實現了移動寬帶,能夠處理圖像、音樂、視頻等多種媒體形式,提供網頁瀏覽、電話會議、電子商務等多種信息服務。
系統由TD-SCDMA無線側基站控制器單元(RNC)、無線側基帶處理及射頻單元(Node B)及無線網絡操作維護中心(OMC-R)等主要設備及相關系統軟件組成。
TD-SCDMA無線側基站控制器單元(RNC)采用華為公司新一代基站控制器DRNC820型設備,該設備集成度高、容量大、可靠性好,可以滿足未來高速分組業務發展,大大提升TD-SCDMA全系統的帶寬和容量。系統采用MAIO(Multiple Access To I n One)技術,統一ATM,TDM和IP交換體系,既支持對2G傳輸資源的前向兼容,也支持向全網IP的演進。設備采用模塊化設計,支持單框解決方案與平滑升級;采用雙平面GE Star交換網,可提供最大120Gbps的交換容量;接口豐富,可提供多種組網方式。
TD-SCDMA無線側基帶處理及射頻單元采用業界技術領先的多形態統一模塊設計,具有體積小、容量大、功耗低、安裝靈活的特點,最大可支持36載扇的TD-SCDMA基帶處理能力。
操作維護系統主要完成軟件管理、故障管理、性能管理、測試管理、傳輸管理等功能。
3.5 EPON光接入系統
EPON光接入系統采用華為公司MA5680T型設備,具備多種豐富的功能特性,可提供大容量、高速率、高帶寬的語音、數據和視頻業務接入。設備為GPON/EPON一體化設備,滿足用戶擴容升級需要;系統能力滿足背板交換容量為275Gbps,業務交換容量雙向為68G;單框可支持ONU/ONT數為7168;支持3層特性,支持RIPV1/V2和OSPF路由協議;滿足多種FTTx組網應用,滿足基站傳輸、IP專線互聯、批發等業務組網需求。
3.6 網規網優系統
無線網絡測試系統選用鼎利公司的測試軟件,具備完善的GSM/GPRS/TD-SCDMA/HSDPA網絡測試功能。能夠提供多種測試方法。
3.7 專用e-bridge實驗軟件
由于本次實驗平臺選用的硬件設備均為商用設備,所以要考慮整個網絡系統如何適合于學生進行實驗,一般來說,實際商用設備的管理終端數只有一個,這樣對于有40名學生的班級來說,需要分40組,顯然不現實。訊方公司研發的專用e-bridge實驗軟件,解決了多人操作的問題,滿足每個系統平臺可以40名學生進行實驗操作,把商用設備轉化為適合高校教學的實驗設備。
專用e-bridge實驗軟件具備實驗過程控制功能,實驗教師可靈活分配實驗項目和實驗時間,可以調整每組學生的實驗時間,軟件能同時滿足多人多次上機實驗的要求。
綜合實驗平臺系統組成除配置以上設備、軟件外,還考慮設置了通信電源設備、光纖配線架、數字配線架、音頻配線架等其他配合設備。
4實驗項目內容
整個實驗系統通過通信網管軟件,可滿足40個學生終端進行實驗操作,可開展的主要實驗項目內容如下:
關鍵詞:WISHBONE;FPGA;片上系統;IP核
中圖分類號:TP302.2; TP338.1文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)31-0000-00
Design of Sensor Control System on Chip Based on Wishbone
HUANG Wang-hua1, LIU Yi-jun2
(1.Guangdong Textile Polytechnic,Foshan 528041,China;2.Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)
Abstract: The paper has designed a sensor control system IP core based on the analysis of traditional sensor node structure,which is under WISHBONE standard.This IP core has been carried out in Xilinx's Spantan 3 series FPGA chip successfully. First of all the paper designs the sensor node control system frame,in which SHT7X is a sensor module and CC2420 is a wireless communication module, and then it inrtoduces the detaile design of sub modules, including the MCU, interface modules and the system connecte module, all these modules are under WISHBONE Bus standard. Finally, after synthesizeing ,implementing and programming,the result shows that the IP core only uses 625 Slices, and its highest frequency is up to 78.740MHz.
Key words: WISHBONE;FPGA;SoC;IP core
無線傳感器網絡是當今國內外研究的熱點之一,它是計算機技術、通信技術和傳感器網絡技術相結合的產物[1]。目前,傳統的傳感器節點由傳感器、信號調理、ADC、微處理器、電源、無線通訊和天線組成。這種傳感器節點最大的特點是電路模塊化、體積較大、功耗也不低。近幾年來,隨著FPGA和SoC技術的發展,嵌入式系統逐漸由板級向芯片級設計過渡。本論文就在FPGA芯片上傳感器控制系統進行了設計,設計采用了WISHBONE總線標準,通過調試功能達到了設計要求。
1 傳感器網絡節點和WISHBONE總線簡介
傳感器網絡一般是由一定數量的傳感器節點通過網絡搭建起來,根據業務應用要求的不同選擇監測不同數據的傳感器。目前,傳統的傳感器節點由傳感器、信號調理、ADC、微處理器、電源、無線通訊和天線組成。傳感器主要完成數據采集,其類型由被監測的物理信號的形式決定。ADC主要完成模擬信號到數字信號的變換,通常市面上的傳感器模塊都集成了數模轉換功能。微處理器主要完成數據處理和操作控制,通常采用低功耗的,如MicroChip公司的PIC系列等。通訊單元主要負責數據的網絡傳遞,一般由低功耗、短距離的無線通信模塊組成。
Wishbone[2]總線是一種開源的片上總線標準,現由OPENCODES組織維護。該總線采用了主/從結構,由主部件發起每次與從部件之間的數據傳輸,支持常見的四種IP核聯接方式,包括:點對點、數據流、共享總線和交叉開關。
2 結構總體設計
因該設計所涉及的傳感器節點主要以監測大氣溫度和濕度為目的,為了提高數據采集的準確度和減少功耗,節點采用了瑞士SENSIRION公司開發的數字溫濕度傳感器SHT7X系列傳感器。該模塊為插針型,方便傳感器的安裝和系統調試。同時為了方便自適應組建網絡,本傳感器節點采用CC2420作為無線通信模塊。該無線通信模塊可以通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設置芯片的工作模式,并實現讀/寫緩存數據、讀/寫狀態寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態可設置發射/接收緩存器。
傳感器節點控制模塊的設計直接影響著整個無線傳感器網絡的質量。該文利用FPGA技術設計了節點的控制模塊,模塊系統結構圖如圖1所示。
該片上系統主要由一個8位的MCU,片內存儲器數據RAM,WISHBONE總線控制器和各外設控制器IP核組成。其中MCU IP核主要負責整個片上系統的控制和數據處理,該MCU采用PIC16C5X系列的33條經典控制指令[3],根據FPGA芯片的特點和應用的需求設計相應的體系結構。RAM IP核主要用來存放監測數據,該IP核由FPGA芯片的RAM塊組成。各外設控制器IP核,主要負責根據外設接口類型,將內部平行數據格式轉換成相就的數據格式,比如LCD-WISHBONE接口IP核,將內部數據總線的數值根據數碼管進行編碼;UART-WISHBONE接口IP核將內部數據總線的平行數據轉換成相應波特率的UART串行數據,等等。以上IP核不管是MCU IP核還是接口控制器IP核都用WISHBONE片上系統總線標準進行規格化。最后通過WISHBONE總線將各功能IP核模塊連接起來,各IP核訪問總線由總線控制模塊控制。
3 系統各模塊的設計
3.1 微控制器IP核
該IP核采用傳統的LOAD/STORE結構,即指令操作數基本來自寄存器,運算結束后結果也放回寄存器中,指令執行前要先提取數據,指令結束后要結果存儲好。整個系統由控制器根據指令控制其它單元的操作,如取址、取數,ALU運算等。
MCU IP核在Syscon模塊時鐘的驅動下,首先指令寄存器根據PC值取出指令,這就是取指階段。接下來是譯碼器對指令進行譯碼,并從存儲器中取出操作數。然后ALU根據譯碼結果對操作數進行運算,最后寫回存儲器或輸出結果。IP核接口采用WISHBONE標準,其中地址標志位用于選擇外設。
3.2 IIC-WISHBONE控制器IP核
IIC(Inter-Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線標準,用于連接微控制器及其設備[4]。該控制器IP核主要用于連接濕溫感應器SHT7X,通過本IP核將感應器的串行數據轉換為8位并行數據。轉換過程中,通過對一系列寄存器的操作,可以設置器件速度,控制操作,接收傳輸數據等。該IP核采用了字節傳輸控制模式,在感應器時鐘的觸發下,從感應器中讀取采集的數據,當數據緩存器滿時,即鎖定,并通過命令寄存器,請求占用總線,直到MCU響應。這樣就完成了以次數據采集。
3.3 SPI-WISHBONE接口
SPI(Serial Parallel Bus)總線是由Motorola公司提出的,可以允許外設以串得方式與MCU進行通信的一個總線[5]。總線是一種高速的、全雙工、同步的通信總線,并且只由4條信號線組成,分別是:SCLK(時鐘線)、/CS(片選線)、SDO(數據輸出線)和SDI(數據輸入線)。該IP核主要用于連接無線模塊CC2420,將經MCU處理后的數據通過該IP核傳遞給CC2420。
3.4 UART-WISHBONE接口
UART(即Universal Asynchronous Receiver Transmitter 通用異步收發器)是廣泛使用的串行數據傳輸協議。UART允許在串行鏈路上進行全雙工的通信。在嵌入式系統設計中經常會用到UART接口來進行通信,將UART功能集成到SoC設計中從而簡化了電路,縮小了面積,還充分利用芯片剩余邏輯單元。UART主要由UART內核、信號監測器、移位寄存器、波特率發生器、計數器、總線先擇器和奇偶校驗器總共七個模塊組成。主要部分功能介紹如下:UART內核主要完成控制周圍其它部分在收發數據時的操作;信號監測器對輸入信號進行實時監測,一有新的數據立即通知UART內核;總線選擇用于選擇奇偶校驗的輸入是數據發送總線還是數據接收總線。
4 系統集成
通過前面個IP核的設計、測試和電路優化,接下來主要是將各IP核集成起來。在IP核設計過程中已對IP核接口進行WISHBONE標準化。為了將多個WISHBONE總線接口標準的各IP核連接成一個片上系統,WISHBONE總線標準主要有四種聯接方式,包括端對端、數據流、共享和交叉總線。本設計主要考慮到系統外設數量較少,同時系統對數據的實時性要求不高,為了設計的簡便,本設計采用共享式互聯方式[6]。
總線控制模塊根據主設備(MCU)輸出的地址高四位進行選擇從設備,在本系統中,從設備可以擴展到16個。主設備輸出的低四位地址為各接口控制器IP核內的寄存器地址,用于暫存操作命令和數據。
5 系統綜合/實現/調試
在完成系統集成的功能測試后,就可將設計進行綜合實現。綜合是指將電路的高級語言(VHDL、 Verilog、 SystemVerilog等)或原理圖轉換成低級的,可與CPLD/FPGA相映射的網表文件,就是按照某種規定描述電路的基本組成和如何相互連接的文件[7]。
綜合前主要是設定設計的約束,包括引腳和時鐘等。然后在ISE自帶的高性能的綜合工具中進行綜合,最后綜合結果顯示該系統IP核只占用了625各Slice,僅用了器件3%的資源,同時時鐘也達到了約束要求,具體情況如圖2所示。
綜合后占用FPGA資源情況如下:
Number of Slices: 625 out of166403%
Number of Slice Flip Flops:510 out of332801%
Number of 4 input LUTs:1115out of332803%
Number of bonded IOBs: 20 out of 519 3%
Number of BRAMs:3 out of84 3%
Number of GCLKs:4 out of2416%
IP核時序情況如下:
Minimum period: 12.700ns (Maximum Frequency: 78.740MHz)
Minimum input arrival time before clock: 5.166ns
Maximum output required time after clock: 11.848ns
隨后進行實現,通過ISE自帶工具查看布局布線情況,可以發現主要分布在BANK2,且較集中。然后利用Generate Programming File命令生成BIT位流文件,最后用編程工具iMPACT將位流文件直接下載到FPGA芯片中,通過對運行情況的分析,設計達到了預定要求。
6 小結
該文主要完成了基于WISHBOEN總線的片上傳感器控制系統的設計,設計的內容包括MCU、IIC接口、ISP接口和URAT接口,以及對采用WISHBONE總線標準對其進行規范化。然后通過共享式總線控制模塊將各IP核聯接起來。最后將系統IP核下載到Spartan-3A DSP 1800A開發板進行了調試,設計基本達到要求。
參考文獻:
[1] 敦旭峰,田豐,孫小平.無線傳感器網絡節點的研究與設計[J].沈陽航空工業學院學報,2007,24(5):61-64.
[2] Microchip Technology Inc.PIC16C5X Datasheet[Z].1998.
[3] 陳穗光,葛建華.I2C總線接口協議設計及FPGA的實現[J].山西電子技術,2006(6):37-38.
[4] 孫豐軍,余春暄.SPI串行總線接口的VERILOG實現[J].現代電子技術,2005,16(20):105-107.
