1、作者简介：魏菊霞（1981.10），女，本科，电子信息工程专业，三级工程师，联系电话 13519469290，通讯地址：甘肃省金昌市金川区北京路 84 号 邮编：737100，邮箱：移动物料信息分布式传输方法及应用魏菊霞（金川集团股份有限公司 甘肃.金昌 737100）摘要：在流程工业生产中，移动物料计量信息的传输普遍采用电台和无线模块。接收电台周围环境严重影响计量信息的传输效果，尤其是钢结构厂房、电磁干扰区内，数据传输过程中的丢包率、误码率相当严重。本文提出一种多节点分布式传输方法，根据各个生产作业区环境条件设置相应的 WIFI 节点数，实现对作业区的无线信号覆盖。网络覆盖区内无线模块、PD
2、A 终端（PDA） 、终端查询设备通过节点工作频段和阵列天线自适应调节，实现数据传输最佳化。铜熔炼生产现场测试表明，可以有效消除周围环境的电磁干扰，数据丢包率低于 0.1%。关键词：分布式传输；WIFI 节点；自适应调节；阵列天线；丢包率中图分类号：TP 文献标志码：B A method WIFI node; self-adaption; antenna array; packet loss rate0 引言移动物料计量是冶金炉窑实现投入产出在线计算和进行金属平衡计算的前提条件，也是金属冶炼生产中产品质量控制的关键环节。传统的移动物料计量信息传输普遍采用无线电台接收和无线终端模块发射方式。无线
3、电台经过多年发展，经历从模拟信号调制向数字传输的演变过程，传输速率、安全可靠性有一定的提高。无线电台可以用于组建通讯点数不多、传输数据流量小的无线网络 【1,2】 。由于无线电台采用无线设备终端逐一扫描的工作方式，其数据传输实时性不高。同时无线电台占用特定通讯频段，须向无线电管理委员会申请批准后方可架设。接收电台周围环境严重影响计量信息的传输效果，在电磁辐射国标许可范围内，尤其是钢结构厂房、电炉、转炉、闪速熔炼等高温冶金炉窑聚集区，数据传输过程中的丢包率、误码率相当严重。随着物联网技术的发展，性价比高、环境适应性强、绿色环保的分布式多节点数据传输技术将成为今后各大生产企业移动物料信息传输的主流
4、，并最终取代传统集中式无线电2台传输模式 【1】 。1 关键技术问题基于WIFI无线网络覆盖下的移动物料信息计量系统主要包括数据信息采集协议解析与封装、数据传输链路系统构建、无线节点阵列天线自适应调节算法、复杂电磁环境下的调频抗干扰算法，通过各个节点感知的覆盖区内移动终端射频信号的强度和周围环境电磁辐射分布特性，强制移动终端在节点之间主动切换漫游，及时调节信号载波频段和节点阵列天线的方向选择，最大限度降低环境电磁干扰对计量信息传输过程造成的影响 【3,4】 。1.1 数据传输链路中间物料转运是冶金生产过程中不可缺少的步骤，为及时统计炉窑投入产出情况，为配料操作提供决策支持，移动物料的数据信息传
5、输非常重要。为实现移动车辆的数据信息WIFI无线网络环境下稳定可靠传输，系统根据数据功能流向不同将无线节点划分为3路VLan进行软件隔离。如图1所示，3路VLan通道分别用于PDA移动终端、车载终端和终端查询3个子系统与远程数据服务器之间进行数据记录存储更新。PDA移动终端与服务器数据库采用数据同步更新模式，PDA移动终端的应用程序获取车载移动物料的计量数据后启动SQL Server Mobile客户端代理将数据记录暂存至本地数据库，同时启动SQL Server Client引擎将暂存至本地数据库的数据记录通过VLan1 业务链路同步更新至远程数据服务器，在完成同步更新操作后删除本地数据库记录
6、。移动物料计量应用程序S Q L S e r v e r M o b i l e 客户端代理S Q L S e r v e r M o b i l e数据节点S Q L S e r v e r C l i e n t数据采集终端 1R S 2 3 2T C P / I Pv L a n 2 业务v L a n 1 业务h t t pTCP/IPS Q L S e r v e r M o b i l e 服务器I I SS Q L S e r v e r 服务器数 据 服 务 器TCP/IPP D A 移 动 终 端R S 2 3 2 协议解析数据处理A D O 对象定义及连接初始化数据记录更新
7、车 载 终 端v L a n 3 业务S Q L O L E D B 链接库定义初始化A D O 对象定义及连接初始化数据记录更新和查询查询输入输出接口D C S 控制系统终端查询系统图 1 分布式传输数据链路结构3Fig.1 Link structure for distributed data transmission车载终端应用程序对来自于移动物料称重设备RS232端口的数据依据约定的协议编码规则进行解析获取计量数据信息，按照生产要求对数据进行处理，经操作人员选定后形成数据操作记录，启动数据库ADO对象引擎并进行远程数据库连接初始化，将当前数据记录通过VLan2业务链路采用http协议插
8、入到远程数据库指定的数据表内。终端查询应用程序通过查询输入输出接口指定查询炉号和炉次，终端查询系统定义并初始化SQLOLEDB动态链接库，同时启动数据库 ADO对象引擎并进行远程数据连接初始化，在远程服务器端执行对象的查询更新操作。当前炉次的最终查询结果输出到DCS控制系统，为炉窑在线自动配料提供数据支持。1.2 阵列天线自适应调节算法移动物料在环境复杂的多节点WIFI无线网络覆盖区内移动转运时，为达到计量数据信息传输最优，物料转运车辆和PDA移动终端必然在覆盖区内多个节点间进行漫游，同时为实现同一节点不同移动终端及转运车辆射频信号分配合理，节点阵列天线需根据其覆盖区内的移动终端PDA和车辆数
9、量自动调节阵列天线指向角和分配每个终端对应的天线数量 【5】 。覆盖区内每个数据中继站分布的终端数量 ，主动iQ漫游阈值 ，选择数据传输路径 ；根据数据传输路径 ，调整阵列天线方位 、数量 和射频发iRiRki，iP射功率 ；实时更新系统状态，根据终端在覆盖区的空间位置状况、障碍物分布、各数据中继站接收iRF到的终端射频信号强度 ，调整参数信息，重新规划数据传输路径 【6,7】 ；各参数计算公式和含义如下：RECI(1)10,-|，kCEMI(2)URECLLIIF，(3) iQjNijii QjNn ,0;,1,1, (4) NFiIRiRECo ,1)(max| ） ，（(5) iki k
10、nhL ,;,rcs，(6)iIiIPniRECRECi 1)()(1，(7)tv(8)niPIFUii ,1)(max，是发射射频信号强度类型；EMIC是数据中继站数量；N是第 个数据中继站接入的授权终端数量；iQ是覆盖区域内的接入授权移动终端数量； n是数据中继站接收到的移动终端信号强度类型等级， ，数据中继站接收信号强度低，k 1-k4，数据中继站接收信号强度一般， ，数据中继站接收信号强度高；0k 1k是数据中继站信号强度等级下限值，若覆盖网络内存在较强信号，则主动进行切换；LI是数据中继站信号强度信号上限值，高于该值时，移动终端不进行中继站漫游；U是数据中继站对移动终端进行管理的阈值
11、；是当前移动终端对应所有数据中继站射频信号强度最大值；0R是当前移动终端对应的每个数据中继站射频信号强度；i是数据中继站接收到的移动终端射频信号强度值；ECI是数据中继站接收到的第 个移动终端的射频信号强度值；)(R i是数据中继站阵列天线对应第 个移动终端的调整方向角，单位为弧度；ki,是 个移动终端应分配的天线数量；P是中继站阵列天线总数量；是移动终端距中继站的直线距离，单位为m ；L是移动终端距中继站的水平直线距离，单位为m ；h是无线电波传输速度，为 ；v sm/03，是中继站无线信号到对应移动终端所用时间，单位为s；t是中继站单根天线的最大射频功率，单位是 。maxPdB1.3 跳频
12、抗干扰算法数据信息通过无线链路进行传输时，往往会受到邻近节点及周围环境因素的影响，尤其是在高温、高粉尘、强电磁干扰、多节点协同工作的终端移动场合，移动终端接收到的数据极易出现丢包、误码现象。为获得最佳传输效果，覆盖域内的节点采用跳频技术尽可能避开强干扰和邻近节点的载波频段。覆盖域内节点在网络控制器的管理下，实时获取各节点电磁干扰强度 、预设载波频率 ，在评价指标SiFNiF最小条件下，由式(9)的评价指标和约束条件可得覆盖域内节点的最佳载波频段 。Q i(9)是覆盖域内节点数量；n是第 个节点的最佳载波频率，根据 的载波分布区间即可确定最佳通讯信道；iFiF是第 个节点的预设载波频率， ；N
13、14,2N是第 个节点电磁干扰强度。Si1.4 数据通讯协议解析移动物料计量数据是由称重主机的串行端口以 RS232 通讯链路发送至无线发射模块，经模块透明协议转发后至移动终端(PDA)和查询终端。移动终端(PDA)和查询终端的数据采集模块入口定义并初始化无线发射模块装置的 IP 地址和通讯端口，PDA 终端通过 DNS 域名服务获取本地 IP 地址，在完成本地通讯端口定义后进行套接字(Socket)初始化绑定（Bind），然后建立套接字连接，客户端接受来自 TCP 服务器的数据流，并进行解析获取计量数据 【8】 ，如图 2 所示。PDA 终端根据移动物料的来源、去向，在完成5计量检斤操作后对
14、计量数据的完整性进行检查，最终形成一条记录封装，暂存至本地数据库，由本地数据库将操作记录同步更新至远程服务器数据库。图 2 数据解析流程Fig.2 Step of data parsing process2 实施工程案例以金川集团公司铜冶炼厂一熔炼车间实际工程实施为例说明 【8,9】 ，该车间厂房空间为 ，m2540车间厂房内共有1台铜合成炉( 闪速熔炼+ 电极贫化区)、7台转炉、 4台电炉、2台阳极炉，厂房内高温高粉尘，由于受电炉和铜合成炉贫化区电极以及动力系统变压器影响，电磁干扰极大，致使手机无法正常通讯。本项目采用分布式无线通讯模式对车间内移动物料进行在线计量，在车间厂房顶部和炉后共架设
15、6个通讯节点、5个终端模块、6台PDA终端、6套终端查询系统、1台数据服务器，网络节点通过光纤接入网络交换机，PDA终端、无线模块和查询终端通过无线TCP/IP 进行数据交互，由调度室的无线网络控制器是是i=i+1RTData.len24RTData(i)=”02” RTData(i+23)=”0D”RTDataRecv(i)15读取缓冲区数据串RTTDataRecv 及其长度 RiRRTData=+Hex(RTDataRecv(i)RTData=”0”+Hex(RTDataRecv(i)是否是否输出解析结果否6统一进行调度管理和资源实时分配，网络结构如图3所示。图 3 计量系统的分布式网络结
16、构Fig.3 The Distribution network structure for measuring system网络控制器通过交换机对进入覆盖区内的所有授权查询终端、手持PDA、无线模块及控制节点进行实时定位、网络地址动态分配、被动漫游阈值调整、信息传输管理。本例采用双通讯链路冗余传输模式，一路由计量主机相连的无线模块经由节点直接至远程数据服务器，另一路由无线模块经由节点发送至PDA终端，再通过节点传输至远程数据服务器。数据服务器部署SQLServer2005企业级数据库，查询终端运行WinCE5.0 系统，PDA终端运行Mobile6.0系统。为提高设备的运行效率和查询速度，查询
17、终端和PDA终端均部署轻量级SQLCE4.0 数据库，现场查询终端和PDA 设备数据记录的存储和查询由SQLCE与远程SQLServer采用 “PULL”、“ PUSH”模式实现数据的即时同步更新。 PDA主要对称重计量数据进行检斤、标识物料来源及去向，形成计量记录。查询终端主要检索远程数据库记录，提取所需信息，对炉况状态进行跟踪，为冶金炉窑配料提供决策指导。3 应用效果移动物料计量信息分布式冗余传输算法解决了复杂环境下的无线数据传输问题，提高了数据传输的稳定性和可靠性，图4为电磁污染下的传输稳定性数据记录，如图4所示，在电磁信号污染达40%以上时，7系统仍能稳定可靠地进行数据传输。图5为PD
18、A终端和查询终端的应用界面，图6为查询终端的应用界面，现场应用情况表明功能完善，操作方便。图 4 电磁污染状态下传输稳定性Fig.4 Transmission stability in RF pollution图 5 PDA 应用界面Fig.5 Application interface for PDA8图 6 查询终端应用界面Fig.6 Application interface for terminal client4 结论移动物料信息分布式传输系统融合物联网信息技术，与集中式电台传输系统相比，具有绿色环保、传输带宽高、数据吞吐量大、数据实时性强、可靠稳定等特点，系统性价比高，方便组网，是
19、新一代工业领域移动数据传输技术发展的趋势 【9】 。5 参考文献： 1宋伟伟. 分布式系统数据传输中间件设计与导航技术研究D.北京:北方交通大学，2006.2李书卉.分布式计算中的数据传输与管理的研究与实现D.大连:大连理工大学，2004.3万翔，施齐霖.分布式传输关键系统设计J. 船舶电子工程， 2015,35(4)：96-98.4杜金莲，李鑫，赵凤朝. 分布式网络地形漫游数据系统的设计与实现J.计算机科学，2013，40(10) ：18-21.5路博，王宝胜，徐宁，等. 无线数据管理系统在选矿厂的开发与应用 J. 矿冶，2014,23(5)，77-80.6周仕飞，贾伟嘉，张立卓.基于二项式概率的冗余传输策略 J.计算机工程，2011,37(1)：98-101.7赵杰，盖志刚，惠力，等.用于海洋水文数据无线传输的 GPRS 模块设计J.气象水文海洋仪器，2011,28(4)：49-52.8冯天晶，王焕钢，徐文立，等. 基于筒壁振动信号的磨机工况监测系统 J. 矿冶，2010,19(2)：66-69.9蒯英，步辉，李郑刚.铜冶炼中间物料计量数据采集系统的开发 J.中国有色冶金，2011,40(2)：41-44.
