浅析无线预警广播设备的设计技术
陈淑武
(厦门四信通信科技有限公司，厦门 361008)
摘要: 详细分析了山洪灾害防治县级非工程措施建设项目对无线预警广播设备的技术要求，并结合无线预警广播设备在山洪灾害预警项目中的实际应用经验及设备的研发经验，对无线预警广播设备的设计技术进行了详尽的总结及阐述。
关键词: 山洪灾害；防治；预警广播；无线
山洪灾害预警系统主要由三部分组成：水雨情监测系统、预警中心系统和预警发布系统。其中，预警发布系统的主要任务是将预警中心系统的决策信息及时以各种方式通知预警区内的相关人员与人民群众，以确保灾害带来的财产损失及人民群众的人生安全损害降至最低。而无线预警广播设备是预警发布系统中最主要的设备，它的性能在很大程度上决定了整个山洪灾害预警系统的性能，在山洪灾害防治中具有举足轻重的地位。
无线预警广播设备的应用环境都是偏远的农村，环境复杂、恶劣，从而要求设计人员必须有针对性地采用切实可行的设计技术才能满足要求。本文针对山洪灾害预警项目的实际需求，详细讨论了无线预警广播设备设计中采用的多种实用性和先进性技术。
1 工业级应用设计
1.1 关键器件选型
无线预警广播设备的应用环境都是无人职守的工业应用场合，温差大，环境复杂、恶劣、多变，要求设备满足高温、低温、湿热工作要求。设计时，选用的关键器件要满足工业级应用的要求。
（1）CPU系统选型。CPU系统是无线预警广播设备的核心处理系统，它的稳定性、主频等性能决定了整个设备的性能。建议采用工业级低功耗的32位CPU系统，比如ARM CPU系统，既能满足稳定性要求，也能满足高速数据处理的性能要求。
（2）无线通信模块选型。无线通信模块是无线预警广播设备的通信核心，它完成设备和预警中心系统之间通信链路的搭建。建议采用工业级低功耗的无线通信模块，比如MC37I。
1.2 低功耗设计
无线预警广播设备的很多应用场合取电不方便，同时还要考虑山洪灾害发生时市电被破坏的情况，所以要求无线预警广播设备采用蓄电池作为备用电源。这就要求设备必须满足低功耗的要求，通常要求设备待机功耗小于0.5W。无线预警广播设备的应用特点，决定了设备大部分情况下都不需要处于正常工作状态，此时就要让设备进入功耗最低的休眠状态，但又要保证设备在需要发布预警信息时能及时恢复到正常工作状态。
（1）关键器件选型。CPU系统和无线通信模块必须选用低功耗的型号，具备多级休眠/唤醒模式。
（2）低功耗模式设计。在软件设计上，进程要不断判断是否有预警信息，若在一定时间内没有预警信息，就要让设备进入休眠状态，并切断所有不需要工作的外围功能模块的电源，以确保功耗降到最低。在硬件设计上，利用CPU系统的外部中断来唤醒设备。对于远程的电话、短信及GPRS/CDMA预警信息，可以通过无线通信模块的状态信号来唤醒CPU系统。对于本地的预警信息，比如麦克风预警、预制信息预警、MP3预警等，可以直接采用CPU外部中断IO来唤醒设备。
（3）定时开关机模式设计。若要进一步降低功耗，需要设计定时开关机模式。在非汛期时间段，设备几乎不需要工作，可以让设备自动处于关机状态，此时功耗几乎为零；在汛期来临前，让设备自动开机。开关机的时间由用户设置。设计方案如下：
定时开关机方案的主要思路是通过对系统电源的精确定时控制，以实现定时开关机功能。原理如图1所示，主要包括：CPU 1、实时时钟（RTC）模块2、上电锁存模块3和电源控制模块4。工作原理为：CPU 1对实时时钟（RTC）模块2进行参数设置并读取其工作状态，实时时钟（RTC）模块2根据CPU 1的设置进入相应的定时工作模式，并在不同的工作状态下输出相应的“开机”或“关机”状态指示信号，该状态指示信号经过上电锁存模块3后控制电源控制模块4开启或切断系统电源，从而完成系统的定时开机和定时关机功能。该方案可以实现间隔时间的定时开关机、实时点时间的定时开关机以及两种方式混和的定时开关机，且时间间隔和时间点均可设置，精度可精确到秒。
1.3 供电方式设计
无线预警广播设备大多安装在偏远的农村，而农村容易断电，甚至某些地方无法取电。而无线预警广播设备作为灾害信息发布的通道，要确保任何时候都能正常工作。这就要求无线预警广播设备的供电方式稳定可靠。
（1）供电电源备份。采用AC220V市电和铅酸蓄电池备份供电的方式，并实现自动切换，即当市电正常时采用市电供电，市电不正常时自动切换到蓄电池供电，当市电恢复正常时又自动切换到蓄电池供电，且切换过程不影响设备正常工作。
（2）蓄电池充放电管理。要具备蓄电池充电功能和过冲、过放保护功能，确保不影响蓄电池的使用寿命。蓄电池容量的选择要根据设备的功耗及要求的工作时间而定。
（3）供电方式上报和远程监控。为了方便管理和维护，设备要具备供电方式上报功能，同时远程的监控中心也要能随时查询到当前的供电模式。
（4）太阳能或风能供电。在某些无法取电的应用场合，要设计太阳能或风能供电的方式。太阳能板/风能设备和蓄电池的选择，要根据设备的功耗及要求的工作时间而定。
1.4 外壳设计
（1）材料选择。采用金属材料，起到屏蔽、抗干扰、散热的作用。
（2）外壳和系统安全隔离。在无线预警广播设备应用中，外壳都要求接“安全地”。若外壳和系统不隔离，则不满足安规要求，容易损坏设备。主要考虑天线接口和外壳安全隔离。
（3）机械强度。要考虑抗震、抗压等要求，适合长途运输和现场安装。
（4）通风散热设计。要设计合适的通风散热孔，并和电路板设计配合，让热量以最短路径排出。
（5）接地设计。外壳需设计“接地”点，便于设备接地保护。
2 稳定可靠性设计
无线预警广播设备的应用现场分散，偏远，不易维护，且环境复杂、恶劣、多变。如何保证设备的稳定可靠，实现设备“免维护”，是设计人员必须首要考虑的问题。
（1）系统的稳定性设计。软硬件看门狗是稳定性设计的常用方法，但在恶劣的工控应用场合，并不能完全解决问题。要确保设备在任何情况下正常工作，还需要在系统保护上采取措施，比如系统的电源控制等，真正实现“免维护”。
（2）防掉线机制设计。无线通信链路是预警信息的传输通道，必须保证无线链路实时在线，才能确保预警信息传输通畅。防掉线机制包括链路检测和链路恢复两个方面。链路检测包括无线模块状态检测和在线检测。若链路检测发现问题，就要进行链路恢复，包括无线模块状态恢复、重新发起连接、重新拨号等过程。
（3）协议兼容性设计。各地的GPRS/CDMA/3G网络状况差别很大，若TCP/IP协议兼容性不好，就会出现这个点工作正常，而另外一个点工作不正常的情况。要解决这个问题，只有根据不同的网络修改协议栈。所以就要求设计人员具备修改TCP/IP协议的能力，而不是简单调用无线模块内嵌的TCP/IP协议栈。
（4）过压/过流保护。农村电网不稳定，电压波动大，设备要考虑宽压工作要求，同时还要对过压、过流进行保护。
（5）电磁兼容设计。包括ESD保护、浪涌保护等。
（6）防雷保护。AC220V电源输入端、功放输出端及天线端口要做防雷保护。AC220V电源输入端防雷可以采用专用的防雷模块，功放输出端防雷通常采用避雷针，而天线端口防雷通常采用专用的天馈避雷器。
（7）通信方式备份。无线预警广播设备的应用现场偏远，多山，地形地势复杂，无线信号不稳定，单一的通信方式无法满足山洪灾害预警的要求。通用的通信方式包括GPRS，CDMA，3G，调频，PSTN，卫星通信等。3G网络覆盖范围不够，卫星通信费用高，而PSTN属于有线方式，电缆敷设及维护不方便，且抵抗灾害的能力差。所以，山洪灾害预警项目通常都采用GPRS/CDMA和调频备份的方式。若要进一步提高通信可靠性，还可以采用GPRS和CDMA互为备份的“双网双待”模式。
3 标准易用性设计
（1）接口设计。各种用户接口标准化，方便安装及使用。
（2）高度智能化设计。从应用角度考虑，要保证用户无需太多设置即可快速使用。从产品设计角度考虑，产品自身要具备自检及自恢复功能。在产品方案设计时，考虑模块化设计，且CPU系统要能够对外围所有功能模块（比如TTS模块、MP3模块、调频模块、对讲机模块、无线通信模块等）进行状态检测及控制，确保设备能完成状态自检及自恢复。同时，设备可上报自检信息，用户也可远程查询设备的状态信息。
（3）远程管理设计。无线预警广播设备应用量大，安装地点分散、偏远，且无人职守。所以，远程管理是必须要具备的功能。远程管理包括远程参数配置、远程升级、远程诊断、远程控制等方面。同时，设备必须具备“应答”功能，即根据用户的指令做出“应答”。
（4）位置管理设计。当设备数量达到一定数量级时，要考虑设备的位置管理。常用的方法是采用GPS定位的方式，用户可监控每台设备的具体位置，当设备位置发生改变时，设备自动上报告警信息，以便管理。
（5）权限管理设计。无论预警发布还是设备管理，都要设计多级管理权限，才能满足实际应用需要。
4 功能性设计
为提高预警效果，无线预警广播设备要具备多样化的预警方式。主要包括本地预警、远程预警、语音广播预警，LED显示屏预警等。
（1）本地预警。包括本地麦克风喊话预警，本地预制信息预警，本地音频线输入预警，本地MP3预警等，本地对讲机呼叫预警等。
（2）远程预警。包括远程GPRS/CDMA数据转语音预警，远程短信转语音预警，远程电话预警，远程控制MP3预警，远程控制预制信息预警，远程调频信息预警等。
（3）语音广播预警。包括高音喇叭广播预警和监听喇叭预警。
（4）LED屏显示预警。无线预警广播设备具备控制LED显示屏的功能，以满足预警信息通过LED屏显示发布的功能。
（5）预警优先级管理功能。当多种预警发生时，设备自动根据预先设置的优先级进行预警。
（6）预警信息循环播放功能。为提高预警效果，设备要具备预警信息循环播放功能。
5 结束语
无线预警广播设备的设计人员只有结合实际应用需求，遵循实用性和先进性相结合的基本原则，采用网络技术、工业控制技术、无线通信技术、可靠性设计技术等综合手段，才能更好地满足山洪灾害预警项目的需求。随着物联网等新兴技术的发展，无线预警广播设备的各项性能指标也在不断完善，从而进一步提高山洪灾害防治的总体水平。
参 考 文 献
[1] 全国山洪灾害防治试点县实施方案编制大纲
[2] 山洪灾害监测预警系统设计方案指导书
[3] 全国山洪灾害监测预警系统建设技术要求
[4] www.four-faith.com
作者简介：
陈淑武，男，厦门四信通信科技有限公司，工程师
eddie@four-faith.com
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