淺析無線預(yù)警廣播設(shè)備的設(shè)計技術(shù)
陳淑武
(廈門四信通信科技有限公司，廈門 361008)
摘要: 詳細(xì)分析了山洪災(zāi)害防治縣級非工程措施建設(shè)項目對無線預(yù)警廣播設(shè)備的技術(shù)要求，并結(jié)合無線預(yù)警廣播設(shè)備在山洪災(zāi)害預(yù)警項目中的實際應(yīng)用經(jīng)驗及設(shè)備的研發(fā)經(jīng)驗，對無線預(yù)警廣播設(shè)備的設(shè)計技術(shù)進行了詳盡的總結(jié)及闡述。
關(guān)鍵詞: 山洪災(zāi)害；防治；預(yù)警廣播；無線
山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)主要由三部分組成：水雨情監(jiān)測系統(tǒng)、預(yù)警中心系統(tǒng)和預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)。其中，預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)的主要任務(wù)是將預(yù)警中心系統(tǒng)的決策信息及時以各種方式通知預(yù)警區(qū)內(nèi)的相關(guān)人員與人民群眾，以確保災(zāi)害帶來的財產(chǎn)損失及人民群眾的人生安全損害降至最低。而無線預(yù)警廣播設(shè)備是預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)中最主要的設(shè)備，它的性能在很大程度上決定了整個山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的性能，在山洪災(zāi)害防治中具有舉足輕重的地位。
無線預(yù)警廣播設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境都是偏遠(yuǎn)的農(nóng)村，環(huán)境復(fù)雜、惡劣，從而要求設(shè)計人員必須有針對性地采用切實可行的設(shè)計技術(shù)才能滿足要求。本文針對山洪災(zāi)害預(yù)警項目的實際需求，詳細(xì)討論了無線預(yù)警廣播設(shè)備設(shè)計中采用的多種實用性和先進性技術(shù)。
1 工業(yè)級應(yīng)用設(shè)計
1.1 關(guān)鍵器件選型
無線預(yù)警廣播設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境都是無人職守的工業(yè)應(yīng)用場合，溫差大，環(huán)境復(fù)雜、惡劣、多變，要求設(shè)備滿足高溫、低溫、濕熱工作要求。設(shè)計時，選用的關(guān)鍵器件要滿足工業(yè)級應(yīng)用的要求。
（1）CPU系統(tǒng)選型。CPU系統(tǒng)是無線預(yù)警廣播設(shè)備的核心處理系統(tǒng)，它的穩(wěn)定性、主頻等性能決定了整個設(shè)備的性能。建議采用工業(yè)級低功耗的32位CPU系統(tǒng)，比如ARM CPU系統(tǒng)，既能滿足穩(wěn)定性要求，也能滿足高速數(shù)據(jù)處理的性能要求。
（2）無線通信模塊選型。無線通信模塊是無線預(yù)警廣播設(shè)備的通信核心，它完成設(shè)備和預(yù)警中心系統(tǒng)之間通信鏈路的搭建。建議采用工業(yè)級低功耗的無線通信模塊，比如MC37I。
1.2 低功耗設(shè)計
無線預(yù)警廣播設(shè)備的很多應(yīng)用場合取電不方便，同時還要考慮山洪災(zāi)害發(fā)生時市電被破壞的情況，所以要求無線預(yù)警廣播設(shè)備采用蓄電池作為備用電源。這就要求設(shè)備必須滿足低功耗的要求，通常要求設(shè)備待機功耗小于0.5W。無線預(yù)警廣播設(shè)備的應(yīng)用特點，決定了設(shè)備大部分情況下都不需要處于正常工作狀態(tài)，此時就要讓設(shè)備進入功耗最低的休眠狀態(tài)，但又要保證設(shè)備在需要發(fā)布預(yù)警信息時能及時恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。
（1）關(guān)鍵器件選型。CPU系統(tǒng)和無線通信模塊必須選用低功耗的型號，具備多級休眠/喚醒模式。
（2）低功耗模式設(shè)計。在軟件設(shè)計上，進程要不斷判斷是否有預(yù)警信息，若在一定時間內(nèi)沒有預(yù)警信息，就要讓設(shè)備進入休眠狀態(tài)，并切斷所有不需要工作的外圍功能模塊的電源，以確保功耗降到最低。在硬件設(shè)計上，利用CPU系統(tǒng)的外部中斷來喚醒設(shè)備。對于遠(yuǎn)程的電話、短信及GPRS/CDMA預(yù)警信息，可以通過無線通信模塊的狀態(tài)信號來喚醒CPU系統(tǒng)。對于本地的預(yù)警信息，比如麥克風(fēng)預(yù)警、預(yù)制信息預(yù)警、MP3預(yù)警等，可以直接采用CPU外部中斷IO來喚醒設(shè)備。
（3）定時開關(guān)機模式設(shè)計。若要進一步降低功耗，需要設(shè)計定時開關(guān)機模式。在非汛期時間段，設(shè)備幾乎不需要工作，可以讓設(shè)備自動處于關(guān)機狀態(tài)，此時功耗幾乎為零；在汛期來臨前，讓設(shè)備自動開機。開關(guān)機的時間由用戶設(shè)置。設(shè)計方案如下：
定時開關(guān)機方案的主要思路是通過對系統(tǒng)電源的精確定時控制，以實現(xiàn)定時開關(guān)機功能。原理如圖1所示，主要包括：CPU 1、實時時鐘（RTC）模塊2、上電鎖存模塊3和電源控制模塊4。工作原理為：CPU 1對實時時鐘（RTC）模塊2進行參數(shù)設(shè)置并讀取其工作狀態(tài)，實時時鐘（RTC）模塊2根據(jù)CPU 1的設(shè)置進入相應(yīng)的定時工作模式，并在不同的工作狀態(tài)下輸出相應(yīng)的“開機”或“關(guān)機”狀態(tài)指示信號，該狀態(tài)指示信號經(jīng)過上電鎖存模塊3后控制電源控制模塊4開啟或切斷系統(tǒng)電源，從而完成系統(tǒng)的定時開機和定時關(guān)機功能。該方案可以實現(xiàn)間隔時間的定時開關(guān)機、實時點時間的定時開關(guān)機以及兩種方式混和的定時開關(guān)機，且時間間隔和時間點均可設(shè)置，精度可精確到秒。
1.3 供電方式設(shè)計
無線預(yù)警廣播設(shè)備大多安裝在偏遠(yuǎn)的農(nóng)村，而農(nóng)村容易斷電，甚至某些地方無法取電。而無線預(yù)警廣播設(shè)備作為災(zāi)害信息發(fā)布的通道，要確保任何時候都能正常工作。這就要求無線預(yù)警廣播設(shè)備的供電方式穩(wěn)定可靠。
（1）供電電源備份。采用AC220V市電和鉛酸蓄電池備份供電的方式，并實現(xiàn)自動切換，即當(dāng)市電正常時采用市電供電，市電不正常時自動切換到蓄電池供電，當(dāng)市電恢復(fù)正常時又自動切換到蓄電池供電，且切換過程不影響設(shè)備正常工作。
（2）蓄電池充放電管理。要具備蓄電池充電功能和過沖、過放保護功能，確保不影響蓄電池的使用壽命。蓄電池容量的選擇要根據(jù)設(shè)備的功耗及要求的工作時間而定。
（3）供電方式上報和遠(yuǎn)程監(jiān)控。為了方便管理和維護，設(shè)備要具備供電方式上報功能，同時遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心也要能隨時查詢到當(dāng)前的供電模式。
（4）太陽能或風(fēng)能供電。在某些無法取電的應(yīng)用場合，要設(shè)計太陽能或風(fēng)能供電的方式。太陽能板/風(fēng)能設(shè)備和蓄電池的選擇，要根據(jù)設(shè)備的功耗及要求的工作時間而定。
1.4 外殼設(shè)計
（1）材料選擇。采用金屬材料，起到屏蔽、抗干擾、散熱的作用。
（2）外殼和系統(tǒng)安全隔離。在無線預(yù)警廣播設(shè)備應(yīng)用中，外殼都要求接“安全地”。若外殼和系統(tǒng)不隔離，則不滿足安規(guī)要求，容易損壞設(shè)備。主要考慮天線接口和外殼安全隔離。
（3）機械強度。要考慮抗震、抗壓等要求，適合長途運輸和現(xiàn)場安裝。
（4）通風(fēng)散熱設(shè)計。要設(shè)計合適的通風(fēng)散熱孔，并和電路板設(shè)計配合，讓熱量以最短路徑排出。
（5）接地設(shè)計。外殼需設(shè)計“接地”點，便于設(shè)備接地保護。
2 穩(wěn)定可靠性設(shè)計
無線預(yù)警廣播設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)場分散，偏遠(yuǎn)，不易維護，且環(huán)境復(fù)雜、惡劣、多變。如何保證設(shè)備的穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)設(shè)備“免維護”，是設(shè)計人員必須首要考慮的問題。
（1）系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計。軟硬件看門狗是穩(wěn)定性設(shè)計的常用方法，但在惡劣的工控應(yīng)用場合，并不能完全解決問題。要確保設(shè)備在任何情況下正常工作，還需要在系統(tǒng)保護上采取措施，比如系統(tǒng)的電源控制等，真正實現(xiàn)“免維護”。
（2）防掉線機制設(shè)計。無線通信鏈路是預(yù)警信息的傳輸通道，必須保證無線鏈路實時在線，才能確保預(yù)警信息傳輸通暢。防掉線機制包括鏈路檢測和鏈路恢復(fù)兩個方面。鏈路檢測包括無線模塊狀態(tài)檢測和在線檢測。若鏈路檢測發(fā)現(xiàn)問題，就要進行鏈路恢復(fù)，包括無線模塊狀態(tài)恢復(fù)、重新發(fā)起連接、重新?lián)芴柕冗^程。
（3）協(xié)議兼容性設(shè)計。各地的GPRS/CDMA/3G網(wǎng)絡(luò)狀況差別很大，若TCP/IP協(xié)議兼容性不好，就會出現(xiàn)這個點工作正常，而另外一個點工作不正常的情況。要解決這個問題，只有根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)修改協(xié)議棧。所以就要求設(shè)計人員具備修改TCP/IP協(xié)議的能力，而不是簡單調(diào)用無線模塊內(nèi)嵌的TCP/IP協(xié)議棧。
（4）過壓/過流保護。農(nóng)村電網(wǎng)不穩(wěn)定，電壓波動大，設(shè)備要考慮寬壓工作要求，同時還要對過壓、過流進行保護。
（5）電磁兼容設(shè)計。包括ESD保護、浪涌保護等。
（6）防雷保護。AC220V電源輸入端、功放輸出端及天線端口要做防雷保護。AC220V電源輸入端防雷可以采用專用的防雷模塊，功放輸出端防雷通常采用避雷針，而天線端口防雷通常采用專用的天饋避雷器。
（7）通信方式備份。無線預(yù)警廣播設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)場偏遠(yuǎn)，多山，地形地勢復(fù)雜，無線信號不穩(wěn)定，單一的通信方式無法滿足山洪災(zāi)害預(yù)警的要求。通用的通信方式包括GPRS，CDMA，3G，調(diào)頻，PSTN，衛(wèi)星通信等。3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不夠，衛(wèi)星通信費用高，而PSTN屬于有線方式，電纜敷設(shè)及維護不方便，且抵抗災(zāi)害的能力差。所以，山洪災(zāi)害預(yù)警項目通常都采用GPRS/CDMA和調(diào)頻備份的方式。若要進一步提高通信可靠性，還可以采用GPRS和CDMA互為備份的“雙網(wǎng)雙待”模式。
3 標(biāo)準(zhǔn)易用性設(shè)計
（1）接口設(shè)計。各種用戶接口標(biāo)準(zhǔn)化，方便安裝及使用。
（2）高度智能化設(shè)計。從應(yīng)用角度考慮，要保證用戶無需太多設(shè)置即可快速使用。從產(chǎn)品設(shè)計角度考慮，產(chǎn)品自身要具備自檢及自恢復(fù)功能。在產(chǎn)品方案設(shè)計時，考慮模塊化設(shè)計，且CPU系統(tǒng)要能夠?qū)ν鈬泄δ苣K（比如TTS模塊、MP3模塊、調(diào)頻模塊、對講機模塊、無線通信模塊等）進行狀態(tài)檢測及控制，確保設(shè)備能完成狀態(tài)自檢及自恢復(fù)。同時，設(shè)備可上報自檢信息，用戶也可遠(yuǎn)程查詢設(shè)備的狀態(tài)信息。
（3）遠(yuǎn)程管理設(shè)計。無線預(yù)警廣播設(shè)備應(yīng)用量大，安裝地點分散、偏遠(yuǎn)，且無人職守。所以，遠(yuǎn)程管理是必須要具備的功能。遠(yuǎn)程管理包括遠(yuǎn)程參數(shù)配置、遠(yuǎn)程升級、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程控制等方面。同時，設(shè)備必須具備“應(yīng)答”功能，即根據(jù)用戶的指令做出“應(yīng)答”。
（4）位置管理設(shè)計。當(dāng)設(shè)備數(shù)量達到一定數(shù)量級時，要考慮設(shè)備的位置管理。常用的方法是采用GPS定位的方式，用戶可監(jiān)控每臺設(shè)備的具體位置，當(dāng)設(shè)備位置發(fā)生改變時，設(shè)備自動上報告警信息，以便管理。
（5）權(quán)限管理設(shè)計。無論預(yù)警發(fā)布還是設(shè)備管理，都要設(shè)計多級管理權(quán)限，才能滿足實際應(yīng)用需要。
4 功能性設(shè)計
為提高預(yù)警效果，無線預(yù)警廣播設(shè)備要具備多樣化的預(yù)警方式。主要包括本地預(yù)警、遠(yuǎn)程預(yù)警、語音廣播預(yù)警，LED顯示屏預(yù)警等。
（1）本地預(yù)警。包括本地麥克風(fēng)喊話預(yù)警，本地預(yù)制信息預(yù)警，本地音頻線輸入預(yù)警，本地MP3預(yù)警等，本地對講機呼叫預(yù)警等。
（2）遠(yuǎn)程預(yù)警。包括遠(yuǎn)程GPRS/CDMA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)語音預(yù)警，遠(yuǎn)程短信轉(zhuǎn)語音預(yù)警，遠(yuǎn)程電話預(yù)警，遠(yuǎn)程控制MP3預(yù)警，遠(yuǎn)程控制預(yù)制信息預(yù)警，遠(yuǎn)程調(diào)頻信息預(yù)警等。
（3）語音廣播預(yù)警。包括高音喇叭廣播預(yù)警和監(jiān)聽喇叭預(yù)警。
（4）LED屏顯示預(yù)警。無線預(yù)警廣播設(shè)備具備控制LED顯示屏的功能，以滿足預(yù)警信息通過LED屏顯示發(fā)布的功能。
（5）預(yù)警優(yōu)先級管理功能。當(dāng)多種預(yù)警發(fā)生時，設(shè)備自動根據(jù)預(yù)先設(shè)置的優(yōu)先級進行預(yù)警。
（6）預(yù)警信息循環(huán)播放功能。為提高預(yù)警效果，設(shè)備要具備預(yù)警信息循環(huán)播放功能。
5 結(jié)束語
無線預(yù)警廣播設(shè)備的設(shè)計人員只有結(jié)合實際應(yīng)用需求，遵循實用性和先進性相結(jié)合的基本原則，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)、無線通信技術(shù)、可靠性設(shè)計技術(shù)等綜合手段，才能更好地滿足山洪災(zāi)害預(yù)警項目的需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展，無線預(yù)警廣播設(shè)備的各項性能指標(biāo)也在不斷完善，從而進一步提高山洪災(zāi)害防治的總體水平。
參 考 文 獻
[1] 全國山洪災(zāi)害防治試點縣實施方案編制大綱
[2] 山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計方案指導(dǎo)書
[3] 全國山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)要求
[4] www.four-faith.com
作者簡介：
陳淑武，男，廈門四信通信科技有限公司，工程師
eddie@four-faith.com
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