基本介紹
- 中文名：遠程無線監控系統
- 外文名：remote monitoring system based on wireless network
- 所屬學科：信息科學
- 控制方式：保持型、完全型、完成型等4種
- 套用：水文水利、電力、機械生產、軍事
- 無線區域網路：擴展頻譜、窄帶調製、紅外線
簡介,無線區域網路,基於窄帶調製的無線區域網路,基於擴頻方式的無線區域網路,基於紅外線的無線區域網路,常見的無線接入技術,IEEE802.11 系列協定,藍牙技術,Home RF標準,Hiper LAN2標準,無線網路實現方法,C/S 結構,B/S 結構,遠程監控方式,保持型的遠程監控方式,完成型的遠程監控方式,完全型的遠程監控方式,人機互動遠程監控方式,系統模型,遠程監控終端系統,遠距離數據傳輸系統,現場設備監測與控制系統,
簡介
遠程控制技術由來已久，是控制領域的一項重要技術。傳統的遠程控制主要包括：基於無線的遠程控制、基於有線的遠程控制（包括基於公用電話網遠程控制、專用線路的遠程控制）。其中無線方式和電話線遠程控制套用比較廣泛，主要是這兩者初期建設的時間短，而且短時間套用中費用小，線路的維護費也比較低。利用無線技術進行監測與控制是未來發展的一大趨勢。
無線區域網路
從廣義上講，凡是採用無線傳輸媒體的計算機區域網路都可以稱為無線區域網路。無線區域網路的傳輸方式涉及採用的傳輸媒體、選擇的頻段及調製方式。目前無線區域網路的傳輸媒體主要是無線電波、紅外線。在採用無線電波作為傳輸媒體時按照調製方式不同，又可分為擴展頻譜方式和窄帶調製方式。
基於窄帶調製的無線區域網路
在窄帶調製方式中，數據基帶信號的頻譜直接搬移到射頻發射出去。窄帶調製方式在一個窄的頻帶內集中全部功率，並且無線電頻譜的利用率高，傳熱寒舉統的無線電系統都採用窄帶調製，如廣播電台、電視台與 GSM 手機等。窄帶調製方式的無線區域網路一般採用專用頻段，需要經過國家無線電管理部門的許可才能使用。
基於擴頻方式的無線區域網路
我國酷驗乎恥規定了中國狼試擴頻數據通信使用的頻段是 2.4～2.4835MHz。在擴頻方式中，數據基帶信號的頻譜被擴展到幾倍到幾束罪墓十倍後在被搬移到射頻發射出去。這一做法雖然犧牲了頻帶頻寬，卻提高了通信系統的抗干擾能力和安全性。由於單位頻帶內的功率降低，對其它電子設備的干擾也減少了。採用擴頻方式的無線區域網路一般選擇 ISM頻段。擴頻技術主要分為跳頻擴頻技術和直接序列擴頻技術。這兩種技術是在第二次世界大戰中軍隊使用的技術，其目的是希望在惡劣的戰爭環境中，依然能保持通信信號的穩定性和保密性。
基於紅外線的無線區域網路
IrDA技術的軟體和硬體技術已經很成熟，其主要技術優勢是：無需專門申請特定頻率的使用執照、具有移動通信設備所必須的體積小功率低的特點、傳輸速率較高（可達 16Mbps）；在實際套用中，由於紅外線具有很高的背景噪聲，受日光、環境照明等影響較大，一般要求的發射功率較高，而採用現行技術，特別是紅外線發光二極體 LED，很難獲得高的比特速率，而且 IrDA 是一種視距傳輸技術，中間不能有阻擋物，對非透明物體的透過性極差，因此傳輸距離受限。紅外線傳輸在無線區域網路領域可以說是一項比較成熟的技術，而且出於成本的考慮，紅外線發光二極體 LED 及接收器等元件也比射頻組件便宜。因此紅外線傳輸很早就套用在各類家用電器的控制及信息產品的數據傳輸上。目前廣泛使用的家電遙控器幾乎都是紅外線傳輸技術。
常見的無線接入技術
為了組建無線區域網路,不同的公司或組織提出了不同的解決方案,目前流行的無線區域網路協定包括 IEEE802.11 系列協定、藍牙技術、Home RF 和Hyper LAN2 標準等。無線區域網路家族中 IEEE802.11 協定標準已經成為主導地位,為各廠家和組織取得一致認可。阿抹境擔
IEEE802.11 系列協定
作為全球公認的區域網路權威，IEEE802 工作組建立的標準在區域網路領域內得到了廣泛套用。這些協定包括 802.3 乙太網協定、802.5 令牌環協定和802.3z100BASE-T 快速乙太網協定等。IEEE 於 1997 年發布了無線區域網路領域第一個在國際上被認可的協定—802.11 協定。1999 年 9 月，IEEE 提出802.11b 協定，用於對 802.11 協定進行補充，之後又推出了 802.11a、802.11g等一系列協定，從而進一步完善了無線區域網路規範。
藍牙技術
藍牙無線接入技術發布於 1998 年 5 月，它是由愛立信、諾基亞、IBM、Intel 和東芝等公司組成的特別興趣小組（SIG）制定的一個公共的、無需許可證的規範。其目的是用於行動電話、筆記本電腦、PDA、數位照相機等家用電器間短距離無線語音和數據通信。藍牙技術工作於 2.4GHz 的 ISM 頻段，基帶部分的數據速率為 1Mbit/s，有效無線通信距棕疊去離為 10～100m，採用時分雙工傳輸頸舉永方案實現全雙工傳輸。藍牙技術採用自動尋道技術和快速跳頻技術保證傳輸的可靠性，具有全向傳輸能力，但不需對連線設備進行定向。它是一種改進的無線區域網路技術，但其設備尺寸更小，成本更低。在任意時間，只要藍牙技術產品進入彼此有效範圍之內，它們就會立即傳輸地址信息並組建成網，這一切工作都是設備自動完成的，無需用戶參與。
Home RF標準
在美國聯邦通信委員會（FCC）正式批准 Home RF 標準之前，Home RF工作組於 1998 年為在家庭範圍內實現語音和數據的無線通信制訂出一個規範，即共享無線訪問協定（SWAP）。該協定主要針對家庭無線區域網路，其數據通信採用簡化的 IEEE802.11 協定標準。之後，Home RF 工作組又制定了 Home RF 標準，用於實現 PC 機和用戶電子設備之間的無線數字通信，是IEEE802.11 與泛歐數字無繩電話標準（ DECT）相結合的一種開放標準。Home RF 標準採用擴頻技術，工作在 2.4GHz 頻帶，可同步支持 4 條高質量語音信道並且具有低功耗的優點，適合用於筆記本電腦。
Hiper LAN2標準
2002 年 2 月， ETI 的寬頻無線接入網路（ Broadband Radio Access Networks，BRAN）小組公布了 Hyper LAN2 標準。Hiper LAN2 標準由全球論壇（H2GF）開發並制定，在 5GHz 的頻段上運行，並採用 OFDM 調製方式，物理層最高速率可達 54Mbit/s，是一種高性能的區域網路標準。Hiper LAN2標準定義了動態頻率選擇、無線小區切換、鏈路適配、多波束天線和功率控制等多種信令和測量方法，用來支持無線網路的功能。基於 Hiper LAN2 標準的網路有其特定的套用，可以用於企業區域網路的最後一部分網段，支持用戶在子網之間的 IP 移動性。在熱點地區，為商業人士提供遠端高速接入網際網路的服務，以及作為W-CDMA 系統的補充，用於 3G 的接入技術，使用戶可以在兩種網路之間移動或進行業務的自動切換，而不影響通信。
無線網路實現方法
目前網路的分散式應用程式主要有兩種通信結構：C/S 結構和 B/S 結構。
C/S 結構
C/S 結構，即 Client/Server(客戶機/伺服器)結構，是大家熟知的軟體系統體系結構，通過將任務合理分配到 Client 端和 Server 端，降低了系統的通訊開銷，可以充分利用兩端硬體環境的優勢，目前大多數套用軟體系統都是Client/Server 形式的兩層結構。
B/S 結構
B/S 結構，即 Browser/Server(瀏覽器/伺服器)結構，是隨著 Internet 技術的興起，對 C/S 結構的一種變化或者改進的結構。在這種結構下，用戶界面完全通過 WWW 瀏覽器實現，一部分事務邏輯在前端實現，但是主要事務邏輯在伺服器端實現，形成所謂 3 層結構。B/S 結構利用不斷成熟和普及的瀏覽器技術實現原來需要複雜、專用軟體才能實現的強大功能，並節約了開發成本，是一種全新的軟體系統構造技術。
遠程監控方式
從控制方式上來說，遠程控制可以分為四種控制方式：保持型的遠程監控方式、完成型的遠程監控方式、完全型的遠程監控方式、人機互動遠程監控方式。
保持型的遠程監控方式
在不斷的提高本身智慧型化水平、提高設備對突發事件的應對能力和系統的魯棒性的情況下，遠程監控端僅僅向設備控制系統發出控制命令，而由設備自主的完成這個命令，監控設備只對設備進行監視，在必要時對設備進行干預。這種模式可實現遠程設備的無人控制，可套用於危險環境和人力不能到達的地方等。
完成型的遠程監控方式
遠程監控系統僅僅向設備控制系統發出控制命令，而由設備自主的完成這個命令，遠程監控系統不對設備的具體實現過程進行監控，設備完成任務後向遠程監控系統報告。設備的操作控制完全由本地進行，設備在本地操作人員的監控下完成任務。
完全型的遠程監控方式
設備的本地控制系統僅僅控制設備的執行機構，全部的操作控制由遠程監控系統完成。這種方式設備的控制系統和設備是分離的，而在設備控制系統內信號的傳遞速度要求很高，控制系統能夠立刻對現場進行反應，要求通訊線路高速可靠。這種控制方式用於一些特殊的行業。
人機互動遠程監控方式
設備在本地操作人員和遠程監控系統的協同控制下工作，往往在遠程監控系統的指揮下工作，由本地操作人員對設備進行控制和維護工作。在任務的執行過程中，可隨意建立連線，進行設備之間和人員之間的互動，設備的狀態信息可隨時在遠程監控端採集。
系統模型
遠程無線監控系統可以劃分為：遠程監控終端系統、遠距離數據傳輸系統、現場設備監測與控制系統三部分。各部分分工協作，共同實現對設備的遠程監控，遠程無線監控系統模型如圖1。
圖1
遠程監控終端系統
遠程監控終端系統是用戶與現場設備進行互動的界面。從功能角度來看，主要包括遠程設備狀態的終端顯示、控制命令及參數的輸入、對命令參數和狀態數據進行必要的處理以及其他操作。由於微機的廣泛套用和價格越來越低廉，而且用於遠程監控的微機可以遠離工作現場，基於微機的遠程控制終端軟體發展迅速，微機成為遠程監控終端系統的主要操作平台。
遠距離數據傳輸系統
遠距離數據傳輸系統作為遠程控制的信息傳輸通道，進行各類控制數據的傳輸。傳輸的目的就是將現場的設備狀態信息儘快的傳輸到監控端，使操作人員通過對現場設備狀態的了解，決定下一步的措施（比如通過傳輸系統發出控制命令等）；另外還需要將監控端的控制信息傳輸到現場的控制主機，以便對設備進行控制。視頻圖像在某些遠程監控套用中起很重要的作用，而圖像信息量大、傳輸的質量要求高，對通信線路有一定的要求。目前，一般採用將視頻音頻信號和數據信號分開傳遞，使它們占用不同的通道、波段或頻段。一個通信系統通常由通信介質、通信協定、通信軟體、硬體系統等組成。
現場設備監測與控制系統
現場設備監測與控制系統是直接對現場設備進行監測控制的系統。主要任務是根據監控終端的控制數據對設備進行控制，同時監測設備的狀態，並作必要的分析，再將這些狀態通過傳輸通道反饋到監控端。現場監控系統實際是一個計算機控制系統，是以計算機為中心的集現場控制、管理、數據採集為一體的控制系統。
IEEE802.11 系列協定
作為全球公認的區域網路權威，IEEE802 工作組建立的標準在區域網路領域內得到了廣泛套用。這些協定包括 802.3 乙太網協定、802.5 令牌環協定和802.3z100BASE-T 快速乙太網協定等。IEEE 於 1997 年發布了無線區域網路領域第一個在國際上被認可的協定—802.11 協定。1999 年 9 月，IEEE 提出802.11b 協定，用於對 802.11 協定進行補充，之後又推出了 802.11a、802.11g等一系列協定，從而進一步完善了無線區域網路規範。
藍牙技術
藍牙無線接入技術發布於 1998 年 5 月，它是由愛立信、諾基亞、IBM、Intel 和東芝等公司組成的特別興趣小組（SIG）制定的一個公共的、無需許可證的規範。其目的是用於行動電話、筆記本電腦、PDA、數位照相機等家用電器間短距離無線語音和數據通信。藍牙技術工作於 2.4GHz 的 ISM 頻段，基帶部分的數據速率為 1Mbit/s，有效無線通信距離為 10～100m，採用時分雙工傳輸方案實現全雙工傳輸。藍牙技術採用自動尋道技術和快速跳頻技術保證傳輸的可靠性，具有全向傳輸能力，但不需對連線設備進行定向。它是一種改進的無線區域網路技術，但其設備尺寸更小，成本更低。在任意時間，只要藍牙技術產品進入彼此有效範圍之內，它們就會立即傳輸地址信息並組建成網，這一切工作都是設備自動完成的，無需用戶參與。
Home RF標準
在美國聯邦通信委員會（FCC）正式批准 Home RF 標準之前，Home RF工作組於 1998 年為在家庭範圍內實現語音和數據的無線通信制訂出一個規範，即共享無線訪問協定（SWAP）。該協定主要針對家庭無線區域網路，其數據通信採用簡化的 IEEE802.11 協定標準。之後，Home RF 工作組又制定了 Home RF 標準，用於實現 PC 機和用戶電子設備之間的無線數字通信，是IEEE802.11 與泛歐數字無繩電話標準（ DECT）相結合的一種開放標準。Home RF 標準採用擴頻技術，工作在 2.4GHz 頻帶，可同步支持 4 條高質量語音信道並且具有低功耗的優點，適合用於筆記本電腦。
Hiper LAN2標準
2002 年 2 月， ETI 的寬頻無線接入網路（ Broadband Radio Access Networks，BRAN）小組公布了 Hyper LAN2 標準。Hiper LAN2 標準由全球論壇（H2GF）開發並制定，在 5GHz 的頻段上運行，並採用 OFDM 調製方式，物理層最高速率可達 54Mbit/s，是一種高性能的區域網路標準。Hiper LAN2標準定義了動態頻率選擇、無線小區切換、鏈路適配、多波束天線和功率控制等多種信令和測量方法，用來支持無線網路的功能。基於 Hiper LAN2 標準的網路有其特定的套用，可以用於企業區域網路的最後一部分網段，支持用戶在子網之間的 IP 移動性。在熱點地區，為商業人士提供遠端高速接入網際網路的服務，以及作為W-CDMA 系統的補充，用於 3G 的接入技術，使用戶可以在兩種網路之間移動或進行業務的自動切換，而不影響通信。
無線網路實現方法
目前網路的分散式應用程式主要有兩種通信結構：C/S 結構和 B/S 結構。
C/S 結構
C/S 結構，即 Client/Server(客戶機/伺服器)結構，是大家熟知的軟體系統體系結構，通過將任務合理分配到 Client 端和 Server 端，降低了系統的通訊開銷，可以充分利用兩端硬體環境的優勢，目前大多數套用軟體系統都是Client/Server 形式的兩層結構。
B/S 結構
B/S 結構，即 Browser/Server(瀏覽器/伺服器)結構，是隨著 Internet 技術的興起，對 C/S 結構的一種變化或者改進的結構。在這種結構下，用戶界面完全通過 WWW 瀏覽器實現，一部分事務邏輯在前端實現，但是主要事務邏輯在伺服器端實現，形成所謂 3 層結構。B/S 結構利用不斷成熟和普及的瀏覽器技術實現原來需要複雜、專用軟體才能實現的強大功能，並節約了開發成本，是一種全新的軟體系統構造技術。
遠程監控方式
從控制方式上來說，遠程控制可以分為四種控制方式：保持型的遠程監控方式、完成型的遠程監控方式、完全型的遠程監控方式、人機互動遠程監控方式。
保持型的遠程監控方式
在不斷的提高本身智慧型化水平、提高設備對突發事件的應對能力和系統的魯棒性的情況下，遠程監控端僅僅向設備控制系統發出控制命令，而由設備自主的完成這個命令，監控設備只對設備進行監視，在必要時對設備進行干預。這種模式可實現遠程設備的無人控制，可套用於危險環境和人力不能到達的地方等。
完成型的遠程監控方式
遠程監控系統僅僅向設備控制系統發出控制命令，而由設備自主的完成這個命令，遠程監控系統不對設備的具體實現過程進行監控，設備完成任務後向遠程監控系統報告。設備的操作控制完全由本地進行，設備在本地操作人員的監控下完成任務。
完全型的遠程監控方式
設備的本地控制系統僅僅控制設備的執行機構，全部的操作控制由遠程監控系統完成。這種方式設備的控制系統和設備是分離的，而在設備控制系統內信號的傳遞速度要求很高，控制系統能夠立刻對現場進行反應，要求通訊線路高速可靠。這種控制方式用於一些特殊的行業。
人機互動遠程監控方式
設備在本地操作人員和遠程監控系統的協同控制下工作，往往在遠程監控系統的指揮下工作，由本地操作人員對設備進行控制和維護工作。在任務的執行過程中，可隨意建立連線，進行設備之間和人員之間的互動，設備的狀態信息可隨時在遠程監控端採集。
系統模型
遠程無線監控系統可以劃分為：遠程監控終端系統、遠距離數據傳輸系統、現場設備監測與控制系統三部分。各部分分工協作，共同實現對設備的遠程監控，遠程無線監控系統模型如圖1。
圖1
遠程監控終端系統
遠程監控終端系統是用戶與現場設備進行互動的界面。從功能角度來看，主要包括遠程設備狀態的終端顯示、控制命令及參數的輸入、對命令參數和狀態數據進行必要的處理以及其他操作。由於微機的廣泛套用和價格越來越低廉，而且用於遠程監控的微機可以遠離工作現場，基於微機的遠程控制終端軟體發展迅速，微機成為遠程監控終端系統的主要操作平台。
遠距離數據傳輸系統
遠距離數據傳輸系統作為遠程控制的信息傳輸通道，進行各類控制數據的傳輸。傳輸的目的就是將現場的設備狀態信息儘快的傳輸到監控端，使操作人員通過對現場設備狀態的了解，決定下一步的措施（比如通過傳輸系統發出控制命令等）；另外還需要將監控端的控制信息傳輸到現場的控制主機，以便對設備進行控制。視頻圖像在某些遠程監控套用中起很重要的作用，而圖像信息量大、傳輸的質量要求高，對通信線路有一定的要求。目前，一般採用將視頻音頻信號和數據信號分開傳遞，使它們占用不同的通道、波段或頻段。一個通信系統通常由通信介質、通信協定、通信軟體、硬體系統等組成。
現場設備監測與控制系統
現場設備監測與控制系統是直接對現場設備進行監測控制的系統。主要任務是根據監控終端的控制數據對設備進行控制，同時監測設備的狀態，並作必要的分析，再將這些狀態通過傳輸通道反饋到監控端。現場監控系統實際是一個計算機控制系統，是以計算機為中心的集現場控制、管理、數據採集為一體的控制系統。
