[科普中国]-远程无线监控系统

简介

远程控制技术由来已久，是控制领域的一项重要技术。传统的远程控制主要包括：基于无线的远程控制、基于有线的远程控制（包括基于公用电话网远程控制、专用线路的远程控制）。其中无线方式和电话线远程控制应用比较广泛，主要是这两者初期建设的时间短，而且短时间应用中费用小，线路的维护费也比较低。利用无线技术进行监测与控制是未来发展的一大趋势。

无线局域网从广义上讲，凡是采用无线传输媒体的计算机局域网都可以称为无线局域网。无线局域网的传输方式涉及采用的传输媒体、选择的频段及调制方式。目前无线局域网的传输媒体主要是无线电波、红外线。在采用无线电波作为传输媒体时按照调制方式不同，又可分为扩展频谱方式和窄带调制方式。

基于窄带调制的无线局域网在窄带调制方式中，数据基带信号的频谱直接搬移到射频发射出去。窄带调制方式在一个窄的频带内集中全部功率，并且无线电频谱的利用率高，传统的无线电系统都采用窄带调制，如广播电台、电视台与 GSM 手机等。窄带调制方式的无线局域网一般采用专用频段，需要经过国家无线电管理部门的许可才能使用。

基于扩频方式的无线局域网我国规定了中国扩频数据通信使用的频段是 2.4～2.4835MHz。在扩频方式中，数据基带信号的频谱被扩展到几倍到几十倍后在被搬移到射频发射出去。这一做法虽然牺牲了频带带宽，却提高了通信系统的抗干扰能力和安全性。由于单位频带内的功率降低，对其它电子设备的干扰也减少了。采用扩频方式的无线局域网一般选择 ISM频段。扩频技术主要分为跳频扩频技术和直接序列扩频技术。这两种技术是在第二次世界大战中军队使用的技术，其目的是希望在恶劣的战争环境中，依然能保持通信信号的稳定性和保密性。

基于红外线的无线局域网IrDA技术的软件和硬件技术已经很成熟，其主要技术优势是：无需专门申请特定频率的使用执照、具有移动通信设备所必须的体积小功率低的特点、传输速率较高（可达 16Mbps）；在实际应用中，由于红外线具有很高的背景噪声，受日光、环境照明等影响较大，一般要求的发射功率较高，而采用现行技术，特别是红外线发光二极管 LED，很难获得高的比特速率，而且 IrDA 是一种视距传输技术，中间不能有阻挡物，对非透明物体的透过性极差，因此传输距离受限。红外线传输在无线局域网领域可以说是一项比较成熟的技术，而且出于成本的考虑，红外线发光二极管 LED 及接收器等元件也比射频组件便宜。因此红外线传输很早就应用在各类家用电器的控制及信息产品的数据传输上。目前广泛使用的家电遥控器几乎都是红外线传输技术。1

常见的无线接入技术为了组建无线局域网,不同的公司或组织提出了不同的解决方案,目前流行的无线局域网协议包括 IEEE802.11 系列协议、蓝牙技术、Home RF 和Hyper LAN2 标准等。无线局域网家族中 IEEE802.11 协议标准已经成为主导地位,为各厂家和组织取得一致认可。

IEEE802.11 系列协议作为全球公认的局域网权威，IEEE802 工作组建立的标准在局域网领域内得到了广泛应用。这些协议包括 802.3 以太网协议、802.5 令牌环协议和802.3z100BASE-T 快速以太网协议等。IEEE 于 1997 年发布了无线局域网领域第一个在国际上被认可的协议—802.11 协议。1999 年 9 月，IEEE 提出802.11b 协议，用于对 802.11 协议进行补充，之后又推出了 802.11a、802.11g等一系列协议，从而进一步完善了无线局域网规范。

蓝牙技术蓝牙无线接入技术发布于 1998 年 5 月，它是由爱立信、诺基亚、IBM、Intel 和东芝等公司组成的特别兴趣小组（SIG）制定的一个公共的、无需许可证的规范。其目的是用于移动电话、笔记本电脑、PDA、数码照相机等家用电器间短距离无线语音和数据通信。蓝牙技术工作于 2.4GHz 的 ISM 频段，基带部分的数据速率为 1Mbit/s，有效无线通信距离为 10～100m，采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙技术采用自动寻道技术和快速跳频技术保证传输的可靠性，具有全向传输能力，但不需对连接设备进行定向。它是一种改进的无线局域网技术，但其设备尺寸更小，成本更低。在任意时间，只要蓝牙技术产品进入彼此有效范围之内，它们就会立即传输地址信息并组建成网，这一切工作都是设备自动完成的，无需用户参与。

Home RF标准在美国联邦通信委员会（FCC）正式批准 Home RF 标准之前，Home RF工作组于 1998 年为在家庭范围内实现语音和数据的无线通信制订出一个规范，即共享无线访问协议（SWAP）。该协议主要针对家庭无线局域网，其数据通信采用简化的 IEEE802.11 协议标准。之后，Home RF 工作组又制定了 Home RF 标准，用于实现 PC 机和用户电子设备之间的无线数字通信，是IEEE802.11 与泛欧数字无绳电话标准（ DECT）相结合的一种开放标准。Home RF 标准采用扩频技术，工作在 2.4GHz 频带，可同步支持 4 条高质量语音信道并且具有低功耗的优点，适合用于笔记本电脑。

Hiper LAN2标准2002 年 2 月， ETI 的宽带无线接入网络（ Broadband Radio Access Networks，BRAN）小组公布了 Hyper LAN2 标准。Hiper LAN2 标准由全球论坛（H2GF）开发并制定，在 5GHz 的频段上运行，并采用 OFDM 调制方式，物理层最高速率可达 54Mbit/s，是一种高性能的局域网标准。Hiper LAN2标准定义了动态频率选择、无线小区切换、链路适配、多波束天线和功率控制等多种信令和测量方法，用来支持无线网络的功能。基于 Hiper LAN2 标准的网络有其特定的应用，可以用于企业局域网的最后一部分网段，支持用户在子网之间的 IP 移动性。在热点地区，为商业人士提供远端高速接入因特网的服务，以及作为W-CDMA 系统的补充，用于 3G 的接入技术，使用户可以在两种网络之间移动或进行业务的自动切换，而不影响通信。

无线网络实现方法目前网络的分布式应用程序主要有两种通信结构：C/S 结构和 B/S 结构。

C/S 结构C/S 结构，即 Client/Server(客户机/服务器)结构，是大家熟知的软件系统体系结构，通过将任务合理分配到 Client 端和 Server 端，降低了系统的通讯开销，可以充分利用两端硬件环境的优势，目前大多数应用软件系统都是Client/Server 形式的两层结构。

B/S 结构B/S 结构，即 Browser/Server(浏览器/服务器)结构，是随着 Internet 技术的兴起，对 C/S 结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，用户界面完全通过 WWW 浏览器实现，一部分事务逻辑在前端实现，但是主要事务逻辑在服务器端实现，形成所谓 3 层结构。B/S 结构利用不断成熟和普及的浏览器技术实现原来需要复杂、专用软件才能实现的强大功能，并节约了开发成本，是一种全新的软件系统构造技术。

远程监控方式从控制方式上来说，远程控制可以分为四种控制方式：保持型的远程监控方式、完成型的远程监控方式、完全型的远程监控方式、人机交互远程监控方式。

保持型的远程监控方式在不断的提高本身智能化水平、提高设备对突发事件的应对能力和系统的鲁棒性的情况下，远程监控端仅仅向设备控制系统发出控制命令，而由设备自主的完成这个命令，监控设备只对设备进行监视，在必要时对设备进行干预。这种模式可实现远程设备的无人控制，可应用于危险环境和人力不能到达的地方等。

完成型的远程监控方式远程监控系统仅仅向设备控制系统发出控制命令，而由设备自主的完成这个命令，远程监控系统不对设备的具体实现过程进行监控，设备完成任务后向远程监控系统报告。设备的操作控制完全由本地进行，设备在本地操作人员的监控下完成任务。

完全型的远程监控方式设备的本地控制系统仅仅控制设备的执行机构，全部的操作控制由远程监控系统完成。这种方式设备的控制系统和设备是分离的，而在设备控制系统内信号的传递速度要求很高，控制系统能够立刻对现场进行反应，要求通讯线路高速可靠。这种控制方式用于一些特殊的行业。

人机交互远程监控方式设备在本地操作人员和远程监控系统的协同控制下工作，往往在远程监控系统的指挥下工作，由本地操作人员对设备进行控制和维护工作。在任务的执行过程中，可随意建立连接，进行设备之间和人员之间的交互，设备的状态信息可随时在远程监控端采集。2

系统模型远程无线监控系统可以划分为：远程监控终端系统、远距离数据传输系统、现场设备监测与控制系统三部分。各部分分工协作，共同实现对设备的远程监控，远程无线监控系统模型如图。

远程监控终端系统远程监控终端系统是用户与现场设备进行交互的界面。从功能角度来看，主要包括远程设备状态的终端显示、控制命令及参数的输入、对命令参数和状态数据进行必要的处理以及其他操作。由于微机的广泛应用和价格越来越低廉，而且用于远程监控的微机可以远离工作现场，基于微机的远程控制终端软件发展迅速，微机成为远程监控终端系统的主要操作平台。

远距离数据传输系统远距离数据传输系统作为远程控制的信息传输通道，进行各类控制数据的传输。传输的目的就是将现场的设备状态信息尽快的传输到监控端，使操作人员通过对现场设备状态的了解，决定下一步的措施（比如通过传输系统发出控制命令等）；另外还需要将监控端的控制信息传输到现场的控制主机，以便对设备进行控制。视频图像在某些远程监控应用中起很重要的作用，而图像信息量大、传输的质量要求高，对通信线路有一定的要求。目前，一般采用将视频音频信号和数据信号分开传递，使它们占用不同的通道、波段或频段。一个通信系统通常由通信介质、通信协议、通信软件、硬件系统等组成。

现场设备监测与控制系统现场设备监测与控制系统是直接对现场设备进行监测控制的系统。主要任务是根据监控终端的控制数据对设备进行控制，同时监测设备的状态，并作必要的分析，再将这些状态通过传输通道反馈到监控端。现场监控系统实际是一个计算机控制系统，是以计算机为中心的集现场控制、管理、数据采集为一体的控制系统。2