淺析無線預警廣播設備的設計技術

陳淑武

(廈門四信通信科技有限公司，廈門 361008)

摘要: 詳細分析了山洪災害防治縣級非工程措施建設項目對無線預警廣播設備的技術要求，并結合無線預警廣播設備在山洪災害預警項目中的實際應用經驗及設備的研發經驗，對無線預警廣播設備的設計技術進行了詳盡的總結及闡述。

關鍵詞: 山洪災害；防治；預警廣播；無線

山洪災害預警系統主要由三部分組成：水雨情監測系統、預警中心系統和預警發布系統。其中，預警發布系統的主要任務是將預警中心系統的決策信息及時以各種方式通知預警區內的相關人員與人民群眾，以確保災害帶來的財產損失及人民群眾的人生安全損害降至最低。而無線預警廣播設備是預警發布系統中最主要的設備，它的性能在很大程度上決定了整個山洪災害預警系統的性能，在山洪災害防治中具有舉足輕重的地位。

無線預警廣播設備的應用環境都是偏遠的農村，環境復雜、惡劣，從而要求設計人員必須有針對性地采用切實可行的設計技術才能滿足要求。本文針對山洪災害預警項目的實際需求，詳細討論了無線預警廣播設備設計中采用的多種實用性和先進性技術。

1 工業級應用設計

1.1 關鍵器件選型

無線預警廣播設備的應用環境都是無人職守的工業應用場合，溫差大，環境復雜、惡劣、多變，要求設備滿足高溫、低溫、濕熱工作要求。設計時，選用的關鍵器件要滿足工業級應用的要求。

（1）CPU系統選型。CPU系統是無線預警廣播設備的核心處理系統，它的穩定性、主頻等性能決定了整個設備的性能。建議采用工業級低功耗的32位CPU系統，比如ARM CPU系統，既能滿足穩定性要求，也能滿足高速數據處理的性能要求。

（2）無線通信模塊選型。無線通信模塊是無線預警廣播設備的通信核心，它完成設備和預警中心系統之間通信鏈路的搭建。建議采用工業級低功耗的無線通信模塊，比如MC37I。

1.2 低功耗設計

無線預警廣播設備的很多應用場合取電不方便，同時還要考慮山洪災害發生時市電被破壞的情況，所以要求無線預警廣播設備采用蓄電池作為備用電源。這就要求設備必須滿足低功耗的要求，通常要求設備待機功耗小于0.5W。無線預警廣播設備的應用特點，決定了設備大部分情況下都不需要處于正常工作狀態，此時就要讓設備進入功耗最低的休眠狀態，但又要保證設備在需要發布預警信息時能及時恢復到正常工作狀態。

（1）關鍵器件選型。CPU系統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）低功耗模式設計。在軟件設計上，進程要不斷判斷是否有預警信息，若在一定時間內沒有預警信息，就要讓設備進入休眠狀態，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。在硬件設計上，利用CPU系統的外部中斷來喚醒設備。對于遠程的電話、短信及GPRS/CDMA預警信息，可以通過無線通信模塊的狀態信號來喚醒CPU系統。對于本地的預警信息，比如麥克風預警、預制信息預警、MP3預警等，可以直接采用CPU外部中斷IO來喚醒設備。

（3）定時開關機模式設計。若要進一步降低功耗，需要設計定時開關機模式。在非汛期時間段，設備幾乎不需要工作，可以讓設備自動處于關機狀態，此時功耗幾乎為零；在汛期來臨前，讓設備自動開機。開關機的時間由用戶設置。設計方案如下：

定時開關機方案的主要思路是通過對系統電源的精確定時控制，以實現定時開關機功能。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進行參數設置并讀取其工作狀態，實時時鐘（RTC）模塊2根據CPU 1的設置進入相應的定時工作模式，并在不同的工作狀態下輸出相應的“開機”或“關機”狀態指示信號，該狀態指示信號經過上電鎖存模塊3后控制電源控制模塊4開啟或切斷系統電源，從而完成系統的定時開機和定時關機功能。該方案可以實現間隔時間的定時開關機、實時點時間的定時開關機以及兩種方式混和的定時開關機，且時間間隔和時間點均可設置，精度可精確到秒。

1.3 供電方式設計

無線預警廣播設備大多安裝在偏遠的農村，而農村容易斷電，甚至某些地方無法取電。而無線預警廣播設備作為災害信息發布的通道，要確保任何時候都能正常工作。這就要求無線預警廣播設備的供電方式穩定可靠。

（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，并實現自動切換，即當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，當市電恢復正常時又自動切換到蓄電池供電，且切換過程不影響設備正常工作。

（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設備的功耗及要求的工作時間而定。

（3）供電方式上報和遠程監控。為了方便管理和維護，設備要具備供電方式上報功能，同時遠程的監控中心也要能隨時查詢到當前的供電模式。

（4）太陽能或風能供電。在某些無法取電的應用場合，要設計太陽能或風能供電的方式。太陽能板/風能設備和蓄電池的選擇，要根據設備的功耗及要求的工作時間而定。

1.4 外殼設計

   （1）材料選擇。采用金屬材料，起到屏蔽、抗干擾、散熱的作用。

（2）外殼和系統安全隔離。在無線預警廣播設備應用中，外殼都要求接“安全地”。若外殼和系統不隔離，則不滿足安規要求，容易損壞設備。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，適合長途運輸和現場安裝。

（4）通風散熱設計。要設計合適的通風散熱孔，并和電路板設計配合，讓熱量以最短路徑排出。

（5）接地設計。外殼需設計“接地”點，便于設備接地保護。

2 穩定可靠性設計

無線預警廣播設備的應用現場分散，偏遠，不易維護，且環境復雜、惡劣、多變。如何保證設備的穩定可靠，實現設備“免維護”，是設計人員必須首要考慮的問題。

（1）系統的穩定性設計。軟硬件看門狗是穩定性設計的常用方法，但在惡劣的工控應用場合，并不能完全解決問題。要確保設備在任何情況下正常工作，還需要在系統保護上采取措施，比如系統的電源控制等，真正實現“免維護”。

   （2）防掉線機制設計。無線通信鏈路是預警信息的傳輸通道，必須保證無線鏈路實時在線，才能確保預警信息傳輸通暢。防掉線機制包括鏈路檢測和鏈路恢復兩個方面。鏈路檢測包括無線模塊狀態檢測和在線檢測。若鏈路檢測發現問題，就要進行鏈路恢復，包括無線模塊狀態恢復、重新發起連接、重新撥號等過程。

（3）協議兼容性設計。各地的GPRS/CDMA/3G網絡狀況差別很大，若TCP/IP協議兼容性不好，就會出現這個點工作正常，而另外一個點工作不正常的情況。要解決這個問題，只有根據不同的網絡修改協議棧。所以就要求設計人員具備修改TCP/IP協議的能力，而不是簡單調用無線模塊內嵌的TCP/IP協議棧。

（4）過壓/過流保護。農村電網不穩定，電壓波動大，設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。無線預警廣播設備的應用現場偏遠，多山，地形地勢復雜，無線信號不穩定，單一的通信方式無法滿足山洪災害預警的要求。通用的通信方式包括GPRS，CDMA，3G，調頻，PSTN，衛星通信等。3G網絡覆蓋范圍不夠，衛星通信費用高，而PSTN屬于有線方式，電纜敷設及維護不方便，且抵抗災害的能力差。所以，山洪災害預警項目通常都采用GPRS/CDMA和調頻備份的方式。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“雙網雙待”模式。

3 標準易用性設計

   （1）接口設計。各種用戶接口標準化，方便安裝及使用。

   （2）高度智能化設計。從應用角度考慮，要保證用戶無需太多設置即可快速使用。從產品設計角度考慮，產品自身要具備自檢及自恢復功能。在產品方案設計時，考慮模塊化設計，且CPU系統要能夠對外圍所有功能模塊（比如TTS模塊、MP3模塊、調頻模塊、對講機模塊、無線通信模塊等）進行狀態檢測及控制，確保設備能完成狀態自檢及自恢復。同時，設備可上報自檢信息，用戶也可遠程查詢設備的狀態信息。

   （3）遠程管理設計。無線預警廣播設備應用量大，安裝地點分散、偏遠，且無人職守。所以，遠程管理是必須要具備的功能。遠程管理包括遠程參數配置、遠程升級、遠程診斷、遠程控制等方面。同時，設備必須具備“應答”功能，即根據用戶的指令做出“應答”。

   （4）位置管理設計。當設備數量達到一定數量級時，要考慮設備的位置管理。常用的方法是采用GPS定位的方式，用戶可監控每臺設備的具體位置，當設備位置發生改變時，設備自動上報告警信息，以便管理。

   （5）權限管理設計。無論預警發布還是設備管理，都要設計多級管理權限，才能滿足實際應用需要。

4 功能性設計

 為提高預警效果，無線預警廣播設備要具備多樣化的預警方式。主要包括本地預警、遠程預警、語音廣播預警，LED顯示屏預警等。

   （1）本地預警。包括本地麥克風喊話預警，本地預制信息預警，本地音頻線輸入預警，本地MP3預警等，本地對講機呼叫預警等。

   （2）遠程預警。包括遠程GPRS/CDMA數據轉語音預警，遠程短信轉語音預警，遠程電話預警，遠程控制MP3預警，遠程控制預制信息預警，遠程調頻信息預警等。

   （3）語音廣播預警。包括高音喇叭廣播預警和監聽喇叭預警。

   （4）LED屏顯示預警。無線預警廣播設備具備控制LED顯示屏的功能，以滿足預警信息通過LED屏顯示發布的功能。

   （5）預警優先級管理功能。當多種預警發生時，設備自動根據預先設置的優先級進行預警。

   （6）預警信息循環播放功能。為提高預警效果，設備要具備預警信息循環播放功能。

5 結束語

 無線預警廣播設備的設計人員只有結合實際應用需求，遵循實用性和先進性相結合的基本原則，采用網絡技術、工業控制技術、無線通信技術、可靠性設計技術等綜合手段，才能更好地滿足山洪災害預警項目的需求。隨著物聯網等新興技術的發展，無線預警廣播設備的各項性能指標也在不斷完善，從而進一步提高山洪災害防治的總體水平。

參 考 文 獻

[1]  全國山洪災害防治試點縣實施方案編制大綱 

[2]  山洪災害監測預警系統設計方案指導書

[3]  全國山洪災害監測預警系統建設技術要求

[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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