工業惡劣環境下無線監測系統抗干擾能力研究

文/胡文虹

引言

隨著我國經濟近年來的快速發展，企業為了提高自身在激烈競爭中的生存能力，不斷采用多種先進的生產設備。無線通信技術的發展及應用，相較有線網絡，具有經濟、安裝簡便等優點，被廣泛的應用于許多生產企業，實現無線實時監測系統。如地下礦井的安全監測系統、海洋環境監測系統、工業能源監測系統、還有一些人力不方便到達野外環境工作區的監測等等。在這些監測系統安裝使用的工業環境，有些生產企業環境很復雜，使用的先進設備，對提高企業效能有很大幫助，但相對無線信號卻是惡劣環境，這些設備或設施的存在，會對無線信號產生一定的干擾，而干擾會影響數據采集的準確度，而嚴重時會影響系統的正常工作。在這樣惡劣的環境下，需要對系統的抗干擾能力進行分析，保證采集數據在無線傳輸中的準確度，從而確保系統可靠正常的運行。

以水泥廠的能耗和排放無線監測系統為例進行分析研究，在不影響企業原來的生產監控系統的情況下，采用無線信號傳輸，不僅提高系統運行的可靠性，更要確保獲得的數據準確性和可靠性，使無線監測系統正常運行。

圖1 系統無線網絡結構示意圖

一、系統概況

一般系統的結構由控制中心和N個網絡節點組成。通常以網狀結構為主。

生產現場儀表經無線傳感終端節點來獲得現場各個監測對象的信息或數據，處理后無線網絡將信息向上傳送到系統監測中心，通過軟件對接收到的數據按企業要求進行處理，主要功能有對生產過程的實時監測，儲存數據、計算并分析統計；可以查詢、輸出、打印等，為企業提供生產數據依據。

二、無線信號的干擾因素及影響

對無線信號傳輸過程的干擾因素較多，干擾有輻射干擾、線路干擾，另外企業生產中采用的設備多為鋼鐵金屬，而鐵金屬對信號的有隔離作用，同時無線波傳輸過程中遇到障礙產生的反射折射造成的干擾。對無線的傳輸造成不良影響。

圖2 未使用變頻器的信號

圖3 使用變頻器后的信號

（一）主要干擾因素

在企業生產環境和使用設備，主要的干擾源分為兩類，

1.輻射干擾：許多生產企業設備有高聳的塔、庫、等，在信號傳送過程中易產生無線波的折射、反射等阻礙，發生信號干擾現象。這類干擾的輻射傳輸是通過介質以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁場的規律向周圍空間發射。

2.電磁干擾。電磁干擾，通常由電磁輻射發生源如馬達和機器產生的。水泥廠生產設備采用了變頻控制設備、大功率的電磁起動設備等，一方面降低了企業的電耗成本，但在生產線的自動控制回路中，對信號的傳播特別是直流弱電信號會產生較大干擾，形成漂移、噪聲或非點等。這些干擾影響自動控制系統中數據信號的正常采集和傳播，嚴重時會使系統無法正常工作。如圖1，未使用變頻器和使用變頻器產生干擾后的信號進行對比。可以分析出來，這些干擾導致信號嚴重失真。

（二）干擾對無線信號產生的危害

干擾對企業生產產生的影響比較多，不同的設備表現出來的現象也所不同，但由于干擾會導致信號失真，具體的現象主要有以下幾個方面。

1.電子儀表因干擾而使讀數錯誤，可能會使結果出現較大偏差

2.接收信號的電子設備因信號傳輸失真而出現錯誤指令，導致設備出現誤操作，嚴重時可能會影響設備正常運行。

3.對于無線信號，設備通信失真，直接導致信號中斷，影響系統正常運行，甚至硬件設備的損壞。特別是對電子系統、設備， 強烈的電磁干擾可能使靈敏的電子設備因過載而損壞。

三、提高系統良好抗干擾性的措施

圖4 數據調制——解調示意圖

確保系統的自健性，自身具有良好的抗干擾能力，這是系統能夠在工業較惡劣的環境中，仍能正常工作的基本條件。無線監測系統首先要解決這一問題。確保系統自身具有良好的抗干擾能力，在惡劣工作環境下，能抵抗干擾，確保系統正常運行。

（一）網絡ZigBee技術。

IEEE802.15.4定義了ZigBee的物理層和媒體訪問層兩個物理層標準，兩個物理層都基于直接序列擴頻(DSSS)技術，CSMS-CA確認幀等機制。有效的提高了網絡無線通信的工作可靠性。

（二）直接序列擴頻技術

直接序列擴頻英文全稱Direct Sequence Spread Spectrum，其實質是對信號電波進行調制—解調的過程，如圖3所示，原始數據信號源在發送端通過擴頻，接收端接收信號首先解擴，最后復原數據。無線電波在傳播過程中，會因為環境因素產生多徑干擾，利用擴頻編碼之間的相關特性，干擾信號將在大部分被抑制掉了。系統采用擴頻技術，通過擴展射頻帶寬，部分窄帶頻譜對寬頻信號不會干擾，從而減少信號失真的影響，有效抑制了水泥廠環境中信號受阻礙引起的信號反射折射產生的多徑干擾； 有效減少水泥廠生產線中設備產生的電磁干擾。

（三）CSMS-CA、確認幀機制

CSMA-CA是一種分布式介質訪問控制協議，也稱之為載波偵聽機制，采取退避機制，先偵聽判別空閑通道，可有效避免信道通信過程中的沖突，或是通道兩個或兩個以上空閑通道閑置的情況，提高信號傳輸過程中的可靠性。

確認幀是通過在信號發送和接收過程中通過一個幀來確認數據是否被接收以及任務接收后是否完成，通過確認后說明通信任務完成，此項任務結束。該項機制提高了通信性能和工作可靠性。

（四）其他措施

1.其通訊端口易產生干擾，無線信號接口R232/485，采用光電隔離器，可消除一部分干擾，效果比較明顯。

2.針對水泥廠內干擾較大的變頻和大功率電磁起動等設備，有比較成熟的多種解決方法，可有效增強系統抗干擾能力。如模擬信號隔離裝置等。

3.選擇合適的參數，降低設備產生的電磁、電波或噪音等等因素產生的干擾，當達到合適占時，可有效降低設備產生的電磁干擾。

4.在設備中安裝濾波電抗器，防止在電路中產生共振，消除次諧波的電壓或電流，從而減少對電網的干擾。

四、結論

除了提高系統自身的抗干擾能力，在硬件設置及線路中也可采取了抗干擾設置，輔助增強系統的抗干擾能力。如信號線和通訊線采用屏蔽線；在電源端加裝濾波器，根據無線通訊距離，設置合適的中斷傳輸點，減少無線信號因環境產生的輻射干擾等；如合理布線，避免動力線和信號線平行，做好接地系統，如單獨地地，確保接地良好，接地電阻小于4歐姆。

總之，確保系統自身的穩定性，同時輔助硬件設置，增強抗干擾能力，比較有效的提高水泥廠能源無線監測系統的抗干擾能力，確保了系統正常運行。