基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的水資源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) - 圖文-

1、華北電力大學(xué)(保定碩士學(xué)位論文基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的水資源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)姓名:曹磊申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專(zhuān)業(yè):計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù);計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)指導(dǎo)教師:黃志強(qiáng)2011-03摘要為了科學(xué)合理開(kāi)發(fā)、利用、保護(hù)、管理水資防治水害,落實(shí)中華人民共和國(guó)水法,本文在綜合分析國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,結(jié)合水資源保護(hù)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn),充分研究無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和地理信息技術(shù),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的水資源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由監(jiān)控中心微機(jī)、Zigbee-GPRS-Internet網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端三部分組成。監(jiān)控中心微機(jī)位于水資源管理部門(mén),監(jiān)控終端位于水資源提取設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)。系統(tǒng)通過(guò)GP

2、RS-Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心微機(jī)至Zigbee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的遠(yuǎn)程通信,通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)至測(cè)控終端之間密集的近距離通信,在TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有Polling規(guī)約和CDT規(guī)約特點(diǎn)的通信規(guī)約。該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于Windows 2000 Server,以Delphi 7.0為開(kāi)發(fā)平臺(tái),采用SQL Server 2000 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和MapInfo8.0 GIS軟件,設(shè)計(jì)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù),運(yùn)用跨平臺(tái)集成地圖開(kāi)發(fā)技術(shù),OLE自動(dòng)化技術(shù)、多線程技術(shù)以及動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)等技術(shù),實(shí)現(xiàn)用戶與MapInfo后臺(tái)服務(wù)器程序的實(shí)時(shí)交互。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要包括:遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制和

3、豐富的信息管理功能。該系統(tǒng)能夠控制水資源的提取、合理調(diào)度開(kāi)發(fā)水資源、方便收繳水資源費(fèi),通過(guò)對(duì)用戶取水信息進(jìn)行分析處理,提高了水資源管理水平。測(cè)試結(jié)果表明數(shù)據(jù)傳輸速度高、穩(wěn)定可靠,達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求,是落實(shí)水法的有力工具,具有應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞:水資源;遠(yuǎn)程監(jiān)控;GPRS;ZigbeeAbstractIn order to rationally develop, utilize, protect and manage water resource , control water disasters and achieve the implementation of water law of the

4、 peoples republic of china, this thesis realizes the Water Remote Monitoring System of wireless network, based on analysis of computer monitoring technology at home and abroad, integrated expertise and experience of water resource conservation by using technology of communications, computer measurin

5、g and controlling,automation and GIS.The system adopts the hierarchical distributed structure. The first layer is the monitoring center computer. The second layer is the Zigbee-GPRS-Internet communication network. The third layer is the tracking control terminal. Computer control center is located i

6、n water resources office, and terminal unit in the scene of water resources.Through the GPRS-Internet, System achieve the telecommunication with network node of Zigbee. In Zigbee network, tracking control terminal achieve the low-distance communications with another with the protocol based on TCP/IP

7、 in Zigbee. This protocol is designed by ourselves from the CDT and Polling communications protocol.The system is developed by Delphi7 , SQL server 2000 relational database and mapinfo8 software. Database is designed. System use integrated map development across the platform, OLE automatic technolog

8、y, multiple threads technology and dynamic link a library to achieve the real-time interaction between user and the mapinfo application server.The system realizes data transmission , data collection,analysis of data processing,remote monitoring and adequate information management. The system can con

9、trol the extraction of water resources, reasonablely schedule the water resource and water resources fee collection. Through the analysis of user water information processing, system improve the water resources management. Test results indicate that data transmission speed is high and reliable. it a

10、chieved the anticipated design requirement with good value of application and popularization, is a powerful tool of implement of water law.Keywords:water resources;remote monitoring;GPRS;Zigbee華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:此處所提交的碩士學(xué)位論文基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的水資源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下,在華北電力大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。據(jù)本人所知,論文中

11、除已注明部分外不包含他人已發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。對(duì)本文的研究工作做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式注明。本聲明的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)。作者簽名: 日期: 年 月 日華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書(shū)基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的水資源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系本人在華北電力大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的碩士學(xué)位論文。本論文的研究成果歸華北電力大學(xué)所有,本論文的研究?jī)?nèi)容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人完全了解華北電力大學(xué)關(guān)于保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定,同意學(xué)校保留并向有關(guān)部門(mén)送交論文的復(fù)印件和電子版本,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華北電力大學(xué),可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文,可以

12、公布論文的全部或部分內(nèi)容。本學(xué)位論文屬于(請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”:保密,在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)不保密作者簽名: 日期: 年 月 日導(dǎo)師簽名: 日期: 年 月 日華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章引言1.1 課題背景及意義水資源是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)不可缺少的重要自然資源。世界許多地方對(duì)水的需求已經(jīng)超過(guò)水資源所能負(fù)荷的程度,同時(shí)還面臨水資源利用不平衡的情況。缺水狀況在我國(guó)普遍存在。我國(guó)人均占有地表水資源量約2700立方米,僅為世界人均值的四分之一1。隨著人口增長(zhǎng),工農(nóng)業(yè)不斷發(fā)展,水資源供需矛盾日益加劇,由此產(chǎn)生了許多不利的影響。第一,對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響很大,全國(guó)每年有3億畝農(nóng)田受旱。西北農(nóng)牧區(qū)尚有4000

13、萬(wàn)人口和3000萬(wàn)頭牲畜面臨缺水問(wèn)題。第二,對(duì)市民的日常生活工作帶來(lái)了相當(dāng)大的困擾,有些城市生活用水不夠,尤其是北方缺水城市不得不采取限制手段。由于我國(guó)水資源管理存在嚴(yán)重問(wèn)題,2002年,我國(guó)頒布了新版中華人民共和國(guó)水法2。目前,我國(guó)水資源管理的自動(dòng)化程度低,主要還以人工操作為主,無(wú)法很好地滿足水資源保護(hù)利用的需要,主要體現(xiàn)在監(jiān)控手段落后、無(wú)法及時(shí)進(jìn)行水資源信息采集決策,使傳統(tǒng)的人工決策調(diào)度更具不確定性。近年來(lái),無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展迅速,在監(jiān)控領(lǐng)域中得到了成功的應(yīng)用。將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到水資源管理中成為一種發(fā)展趨勢(shì)3。在城鎮(zhèn)水資源的日常管理工作中,水資源監(jiān)控系統(tǒng)的站點(diǎn)多、地域分布廣且分散,決策人員

14、需要面對(duì)各種數(shù)據(jù),包括用戶取水證號(hào)、取水額定指標(biāo)、繳費(fèi)情況、自備水井設(shè)備情況、水量、水壓、氣象和地形地貌等。借用傳統(tǒng)方法,無(wú)法方便地分析這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),很難及時(shí)找出合理的解決方案,而利用無(wú)線通信技術(shù)可以及時(shí)準(zhǔn)確將數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控中心,由監(jiān)控中心進(jìn)行分析給出決策方案,方便水資源高效管理。為了更好地順應(yīng)新水法的要求,推進(jìn)水資源管理信息化的進(jìn)程,必須將計(jì)算機(jī)、無(wú)線通信等技術(shù)應(yīng)用到水資源管理工作中。基于上述問(wèn)題,本課題為了科學(xué)合理開(kāi)發(fā)、利用、保護(hù)、管理水資源,防治水害落實(shí)水法,設(shè)計(jì)了基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的水資源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。這種新型遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)為一體,與傳統(tǒng)的人力管理的方式相

15、比,該系統(tǒng)具有高環(huán)境適應(yīng)性、高實(shí)時(shí)性和高可靠性等優(yōu)點(diǎn),能節(jié)約大量的人力和物力,有較高的社會(huì)推廣價(jià)值,順應(yīng)了我國(guó)新水法對(duì)水資源供需協(xié)調(diào)、綜合平衡、保護(hù)生態(tài)、厲行節(jié)約、合理開(kāi)源的原則要求,對(duì)提升我國(guó)水資源管理水平具有現(xiàn)實(shí)意義。1.2 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)1.2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究動(dòng)態(tài)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的含義比較廣泛,一般指具有數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),這類(lèi)產(chǎn)品中,比較典型的、具有代表性的是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)4,5。這種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以分為以下幾大類(lèi)。(1應(yīng)用專(zhuān)線的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 這種監(jiān)控系統(tǒng)一般采用自行架設(shè)專(zhuān)線(如電纜來(lái)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。優(yōu)點(diǎn)是通信數(shù)據(jù)量大且通信頻繁,實(shí)時(shí)性、可靠性和保密性高;缺

16、點(diǎn)是測(cè)控距離較短。系統(tǒng)主站使用串口及調(diào)制解調(diào)器與子站連接。終端(或監(jiān)控中心發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)串行口送給本地調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行調(diào)制之后,通過(guò)專(zhuān)線傳輸給遠(yuǎn)方調(diào)制解調(diào)器,遠(yuǎn)方調(diào)制解調(diào)器將收到的信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào),通過(guò)串行口送給監(jiān)控中心(或終端。這種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在石油、電力、鐵路等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛7。(2應(yīng)用電話網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 這種監(jiān)控系統(tǒng)使用電話網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信,進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)硬件成本較低、建網(wǎng)周期短,信息傳輸快。缺點(diǎn)是通信數(shù)據(jù)量較小、實(shí)時(shí)性和保密性不高。這種監(jiān)控系統(tǒng)中的上位機(jī)只在屏幕上顯示數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的最新數(shù)據(jù)。每個(gè)下位機(jī)一般設(shè)定為定時(shí)采集數(shù)據(jù)信息,將數(shù)據(jù)保存在自己的數(shù)據(jù)庫(kù)中;如果主站要查詢某個(gè)子

17、站的數(shù)據(jù)或執(zhí)行動(dòng)作時(shí),上位機(jī)通過(guò)查詢自己數(shù)據(jù)庫(kù),確定應(yīng)下位機(jī)的電話號(hào)碼,通過(guò)撥號(hào)方式建立上位機(jī)和下位機(jī)之間的連接。這種監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求不高,一般用在預(yù)防事故的環(huán)境8。(3應(yīng)用光纖的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 這種監(jiān)控系統(tǒng)一般使用光纜作為媒介實(shí)現(xiàn)通信。優(yōu)點(diǎn)是高穩(wěn)定性、傳輸容量大、抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是造價(jià)比較昂貴,維護(hù)成本高。這種監(jiān)控系統(tǒng)中,最重要的設(shè)備是光纖收發(fā)器和串口。光纖收發(fā)器用于進(jìn)行光電之間的轉(zhuǎn)換。由于這種監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性和可靠性要求很?chē)?yán),在串口和光纖收發(fā)器選擇中也必須嚴(yán)格把關(guān)。在廣播電視站、通信站中,對(duì)發(fā)射機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控廣泛應(yīng)用這種監(jiān)控系統(tǒng)。(4基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 這種監(jiān)控系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)

18、為中心、以網(wǎng)絡(luò)為核心。優(yōu)點(diǎn)是人們可以從任何地點(diǎn)獲取測(cè)量的數(shù)據(jù)信息;缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、?zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性較低,網(wǎng)絡(luò)安全也是一個(gè)問(wèn)題?；贗nternet的監(jiān)控系統(tǒng)適用于異地或者遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測(cè)、報(bào)警等等,其應(yīng)用范圍十分廣泛10。1997年1月,首屆基于Internet的工業(yè)遠(yuǎn)程診斷研討會(huì)由斯坦福大學(xué)和麻省理工學(xué)院聯(lián)合主辦。英國(guó)National Instrumen ts公司在其虛擬儀器產(chǎn)品LabView中新增了Internet模塊,可以通過(guò)Web方式接收測(cè)試數(shù)據(jù)11。著名的皇家儀器公司將LabWindows/CVI以及LabView加入網(wǎng)絡(luò)通訊處理模塊,因而可以通過(guò)Internet方

19、式在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳送12。此外,許多國(guó)際組織也紛紛通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控與故障診斷咨詢和技術(shù)推廣工作,并制定了一些信息交換格式和標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)一些高校、研究所、公司,甚至一些個(gè)人正在積極地搞基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)13。(5基于無(wú)線通信的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 這種監(jiān)控系統(tǒng)利用無(wú)線電波來(lái)實(shí)現(xiàn)主站與各個(gè)子站間的數(shù)據(jù)通信。優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需復(fù)雜布線、成本低、通信距離遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)性和可靠性比較高。缺點(diǎn)是在通信信號(hào)不好情況下,通信會(huì)發(fā)生突然中斷。這種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵是要使射頻模塊的接收靈敏度和發(fā)射功率足夠高,以擴(kuò)大站點(diǎn)間的距離,還需要考慮無(wú)線電波波段的選擇14?；跓o(wú)線通信的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)

20、域十分廣泛,比如小區(qū)的抄表系統(tǒng)、油田監(jiān)控系統(tǒng)等都可以采用這種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。今后,遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜度不斷增加,監(jiān)控距離不斷擴(kuò)大,僅僅靠一種數(shù)據(jù)傳輸方式很難勝任監(jiān)控系統(tǒng)的要求。采取多種數(shù)據(jù)傳輸方式相互配合使用,可以明顯降低系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度。將GPRS、Zigbee等無(wú)線通信技術(shù)與Internet相結(jié)合,應(yīng)用到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中,可以很好地滿足復(fù)雜監(jiān)控系統(tǒng)的要求。電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控和鐵路運(yùn)行監(jiān)控等領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用基于多種數(shù)據(jù)傳輸方式的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù),因此,遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)作為主要能源監(jiān)測(cè)技術(shù)的地位不會(huì)動(dòng)搖。1.2.2 水資源監(jiān)控系統(tǒng)的研究動(dòng)態(tài)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,國(guó)外許多國(guó)家日益重視水資源的現(xiàn)代化管理。在實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理

21、調(diào)度方面,英國(guó)、美國(guó)、法國(guó)和俄羅斯等國(guó)家在供水系統(tǒng)、跨流域調(diào)水管理系統(tǒng)、灌區(qū)優(yōu)化配水管理系統(tǒng)中均有成功應(yīng)用實(shí)例15,但是大部分系統(tǒng)各自獨(dú)立,監(jiān)控范圍較小,較少有大范圍的綜合系統(tǒng)的成熟應(yīng)用。我國(guó)有關(guān)水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究工作起步較晚,但發(fā)展較快并已具備了相當(dāng)強(qiáng)的基礎(chǔ)。2001年水利部決定在海河、黃河、太湖三大流域和遼寧、江蘇二省開(kāi)展水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)研究和示范點(diǎn)建設(shè)16。但從總體上看,我國(guó)對(duì)水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)、技術(shù)水平、投入力度等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大差距,與國(guó)家水利現(xiàn)代化建設(shè)要求還存在較大的距離,特別是對(duì)于城鎮(zhèn)水資源的管理更為不足。2002年4月,海河水利委員會(huì)編制完

22、成了京津地區(qū)重要水源地水源實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目建議書(shū),并于八月份完成了京津地區(qū)重要水源地水源實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)第一期工程實(shí)施方案。該工程投資2992萬(wàn)元,分三批投資,三年完成17。水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的站點(diǎn)多、地域分布廣且分散,需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息的業(yè)務(wù)量不均衡,組成該系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用比較經(jīng)濟(jì)有效的方案。隨著GPRS傳輸技術(shù)不斷發(fā)展,其在監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。GPRS技術(shù)通過(guò)與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合使用,延伸了監(jiān)控空間,降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本以及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。隨著通信技術(shù)和Internet技術(shù)的不斷發(fā)展,水資源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)將會(huì)更緊密地與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合,應(yīng)用前景非常廣闊18。1.3 本文的主要工作本文在充分研究G

23、PRS-Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、Zigbee技術(shù)、GIS及計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合GPRS-Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了基于Internet的水資源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。所作主要工作如下:(1闡述課題的研究背景及意義,詳細(xì)分析了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)態(tài)及水資源監(jiān)控系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)。(2對(duì)水資源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)涉及的無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)、GIS 等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究,分析比較了應(yīng)答式規(guī)約和循環(huán)式規(guī)約的特點(diǎn)。(3研究確定了水資源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、主要功能及開(kāi)發(fā)工具。提出了一種新的基于GPRS-Zigbee-Internet的網(wǎng)絡(luò)通信方式,并對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。(4在以上研究的基礎(chǔ)上

24、,通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、通信規(guī)約設(shè)計(jì)、各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)主站端軟件(監(jiān)控中心。監(jiān)控中心具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析處理和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能,可以動(dòng)態(tài)接收和顯示各個(gè)終端監(jiān)測(cè)量的數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程遙測(cè)終端數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程遙控終端設(shè)備,可以對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)曲線、報(bào)警記錄等進(jìn)行分析處理。(5綜述水資源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試及實(shí)際運(yùn)行效果,并探討系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行過(guò)程中仍需改進(jìn)的方面,進(jìn)一步明確今后研究工作的方向。1.4 本章小結(jié)本章首先對(duì)課題研究背景和意義進(jìn)行了闡述,然后對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和水資源監(jiān)控系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析研究,最后介紹了本課題完成的主要工作。第2章水資源遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)2.1 無(wú)線通信技

25、術(shù)2.1.1 GPRS技術(shù)GPRS(通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)作為一種無(wú)線通信的方式,是在模擬技術(shù)和全球移動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,是二代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向三代移動(dòng)通信(3G邁進(jìn)的過(guò)渡產(chǎn)品,被稱(chēng)為 2.5代移動(dòng)通信,目前應(yīng)用十分廣泛。與傳統(tǒng)的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM電路撥號(hào)交換相比,GPRS在資源利用效率、交換容量和性能上都有一個(gè)質(zhì)的飛躍19。2.1.1.1 GPRS工作原理GPRS在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò),通過(guò)增加硬件設(shè)備,形成了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體,提供端到端、廣域的無(wú)線IP連接。GPRS與GSM 的根本區(qū)別是,GSM基于電路交換技術(shù),而GPRS基于分組交換技術(shù)。通過(guò)GPRS的分組交換技術(shù),終

26、端用戶可以不用固定在某一地點(diǎn),動(dòng)態(tài)使用各種手機(jī)業(yè)務(wù),例如手機(jī)上網(wǎng)瀏覽信息等20,21。GPRS將移動(dòng)通信技術(shù)與IP技術(shù)有機(jī)結(jié)合,組成了移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)。由于GPRS 是基于現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的,需要在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)中增加一些節(jié)點(diǎn): GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN(gateway GPRS supporting node、GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)SGSN(serving GPRS supporting node,并在基站子系統(tǒng)(BSS中增加分組控制單元PCU。GGSN和SGSN是實(shí)現(xiàn)GPRS的核心實(shí)體,也可通稱(chēng)為GSN22。GPRS通過(guò)多個(gè)GSM時(shí)隙的復(fù)用,支持的數(shù)據(jù)傳輸速率更高,理論峰值達(dá)115KB

27、/s,特別適合突發(fā)性、頻繁的小流量數(shù)據(jù)傳輸,而這些特性也正是遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。因此,它特別適合于各種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用,采用GPRS方式是一種非常實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)傳輸方案。2.1.1.2 GPRS的特點(diǎn)GPRS特點(diǎn)如下23,24:(1保持在線狀態(tài)用戶啟動(dòng)GPRS服務(wù)后,將保持設(shè)備一直在線,就像是一種專(zhuān)用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。(2非時(shí)間計(jì)費(fèi) 即使保持一直在線,但是費(fèi)用和時(shí)間是沒(méi)有關(guān)系的。只有用戶使用數(shù)據(jù)服務(wù)產(chǎn)生通信流量時(shí),系統(tǒng)才會(huì)根據(jù)使用的流量大小,按照規(guī)定收費(fèi)。即是一種面向服務(wù)的收費(fèi)方式,這樣用戶也放心使用,而且更加人性化。(3連接迅速 由于基于分組交換技術(shù),不必像以往撥號(hào)建立連接,而是通過(guò)分組數(shù)據(jù)交換快速

28、實(shí)現(xiàn)連接。(4切換靈活 靈活切換使用語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),打電話、網(wǎng)上沖浪都十分方便。(5傳輸高速 GPRS最高理論傳輸速度為171.2kbit/s,目前GPRS應(yīng)用可以支持40kbit/s左右的傳輸速率。GPRS無(wú)線通信方式是一種投資少、費(fèi)用適中的方式,具有運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性高等優(yōu)點(diǎn),但也存在不容忽視的缺點(diǎn),如傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中,數(shù)據(jù)延時(shí)比較大,導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)通道的總延時(shí)比較大;信號(hào)不好時(shí)網(wǎng)絡(luò)容易中斷,導(dǎo)致數(shù)據(jù)通道丟失;GPRS雖然理論速率大,但實(shí)際應(yīng)用中達(dá)不到理論速率等。采用軟件手段對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀大小進(jìn)行調(diào)整,能在一定程度上提高GPRS 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量。2.1.1.3 GPRS-Inte

29、rnet網(wǎng)絡(luò)Internet,即因特網(wǎng),又叫做國(guó)際互聯(lián)網(wǎng),它是由那些使用公用語(yǔ)言互相通信的計(jì)算機(jī)連接而成的全球網(wǎng)絡(luò)。這些資源以電子文件的形式,在線分布在世界各地的數(shù)百萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)上。Internet網(wǎng)上的用戶可以方便地交換信息,共享資源17。互聯(lián)網(wǎng)采用了流行的服務(wù)器/客戶機(jī)方式,這用使網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)的更加便捷。通過(guò)將國(guó)家電信網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)形成GPRS-Internet的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),這種應(yīng)用使得控制網(wǎng)絡(luò)的范圍得到了很大的拓展,連接方式如圖2-1所示。 圖2-1 GPRS-Internet連接示意圖GPRS無(wú)線通信模塊(DTU通過(guò)撥號(hào)連接到GPRS主干網(wǎng),主干網(wǎng)然后分配給DTU一個(gè)網(wǎng)內(nèi)動(dòng)態(tài)IP,

30、并將改IP映射到網(wǎng)外IP實(shí)現(xiàn)與Internet的連接, DTU與GSM基站連接通信,將GPRS分組數(shù)據(jù)送到基站,分組數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS 服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(SGSN封裝后,SGSN通過(guò)GPRS主干網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)支持接點(diǎn)(GGSN進(jìn)行通信。GGSN對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理,再發(fā)送到Internet。反過(guò)來(lái), Internet通過(guò)逆向過(guò)程將數(shù)據(jù)傳回DTU終端,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的上行傳輸25,26。如果使用GPRS-Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,用戶不必建立自己的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò),直接使用電信運(yùn)營(yíng)商提供免費(fèi)的公共網(wǎng)絡(luò),通過(guò)合理利用通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)資源,實(shí)現(xiàn)用戶所需的通信功能。目前,GPRS通信技術(shù)的迅速發(fā)展,將其與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合

31、應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,前景廣闊。2.1.2 Zigbee技術(shù)ZigBee技術(shù)是一種傳輸距離短,傳輸速率低的無(wú)線通信技術(shù),其名字來(lái)自蜂群生存的通信方式,蜜蜂通過(guò)跳ZigZag形狀的舞蹈,發(fā)出信息告訴同伴發(fā)現(xiàn)食物的位置,這種特點(diǎn)與Zigbee的技術(shù)特點(diǎn)非常相似,因此用兩個(gè)英文單詞ZigZag和蜜蜂(Bee的組合作為該無(wú)線通訊技術(shù)的名稱(chēng)27。2.1.1.1 Zigbee的特點(diǎn)無(wú)線通信技術(shù)自無(wú)線電發(fā)明,就一直廣泛被人們研究。近年來(lái),無(wú)線通信技術(shù)始終向著提高數(shù)據(jù)傳輸速率和增加傳輸距離的目標(biāo)發(fā)展。例如局域網(wǎng)的傳輸數(shù)率從1Mbit/s提高到54Mbit/s。目前研究火熱的ZigBee技術(shù)則是一種致力于方便使用、

32、生產(chǎn)成本低和能量消耗低的無(wú)線通信技術(shù)。Zigbee無(wú)線通信技術(shù)有如下特點(diǎn)28,29:(1數(shù)據(jù)傳輸非?？煽?ZigBee的媒體接入控制層采用就緒會(huì)話碰撞避免機(jī)制。在這種機(jī)制下,每個(gè)數(shù)據(jù)幀都需接收方的回復(fù)確認(rèn)信號(hào),如果沒(méi)有收到確認(rèn)回復(fù)信息,則重新開(kāi)始一次傳輸,如此便能夠有效提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃浴?2很強(qiáng)的兼容性 通過(guò)協(xié)調(diào)器(Coordinator建立網(wǎng)絡(luò),采用偵聽(tīng)和沖突檢測(cè)方式接入信號(hào)通道。ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了與目前控制網(wǎng)絡(luò)的完美聚合。(3能量消耗低 工作狀態(tài)下,ZigBee節(jié)點(diǎn)有較低的傳輸速率,較小的傳輸數(shù)據(jù)量,因此數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間很短;在其他狀態(tài)下,ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式。由于工作時(shí)間

33、短且采用了休眠模式,節(jié)點(diǎn)十分省電。此外,ZigBee技術(shù)在應(yīng)用協(xié)議上對(duì)電池使用方式作了改善。一般應(yīng)用情況下,堿性電池可維持三到四年。如果工作時(shí)間占到總時(shí)間百分之一以下,那么電池維持使用時(shí)間將超過(guò)十年。(4安全性好 Zigbee在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級(jí)安全性。第一級(jí)是無(wú)安全方式,即如果安全性低或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護(hù),器件就可以選擇這種方式來(lái)轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。第二級(jí)安全級(jí)別中,器件可以使用接入控制清單(ACL來(lái)防止非法器件獲取數(shù)據(jù),不采取加密措施。第三級(jí)安全級(jí)別在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES的對(duì)稱(chēng)密碼。(5網(wǎng)絡(luò)容量大 一個(gè)Zigbee的網(wǎng)絡(luò)最多包括從屬(Slave和一個(gè)是主控(Master設(shè)備

34、共有255個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)。同一個(gè)區(qū)域可以包括近100個(gè)Zigbee 網(wǎng)絡(luò),如此便可將節(jié)點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展到2萬(wàn)個(gè)以上。(6成本低 ZigBee裝置成本估計(jì)在五十元左右,且Zigbee協(xié)議的專(zhuān)利費(fèi)可以不用繳納。2.1.1.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)ZigBee允許使用星型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),也允許使用兩者的組合(混合型,如圖2-2所示。應(yīng)用的設(shè)計(jì)選擇決定了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的類(lèi)型。一些應(yīng)用,諸如PC外設(shè),適合低延時(shí)的星型連接,而對(duì)于其他應(yīng)用場(chǎng)合,如涉及到安全要求領(lǐng)域,適合大面積的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 圖2-2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖2-2中的全功能器件是指支持49個(gè)ZigBee協(xié)議所要求的基本參數(shù)的器件。按照應(yīng)用需求,可

35、以將一個(gè)全功能器件組裝成為任意功能的ZigBee節(jié)點(diǎn)。而對(duì)簡(jiǎn)化功能器件,在最小配置的情況下只要求它支持ZigBee協(xié)議中的38個(gè)基本參數(shù),在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,它僅僅可以起到部分應(yīng)用價(jià)值。一個(gè)全能器件可以與簡(jiǎn)能器件和其他全能器件通話,可以按協(xié)調(diào)器、器件、個(gè)域網(wǎng)協(xié)調(diào)器三種方式工作。但是簡(jiǎn)能器件只能與全能器件通話,僅在非常簡(jiǎn)單的情況下才會(huì)用到29。ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)等。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的職能是創(chuàng)建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò),而后其作用就和路由節(jié)點(diǎn)(Router相同,職能就是數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和路由,并且維持ZigBee網(wǎng)絡(luò)的正常進(jìn)行。所有節(jié)點(diǎn),不管是傳感器點(diǎn)(Se

36、nsor Point、路由點(diǎn)(Router或協(xié)調(diào)器點(diǎn)(Coordinator都具有傳輸感應(yīng)、處理信號(hào)和無(wú)線通信的能力,它們既充當(dāng)數(shù)據(jù)的發(fā)出處的角色,也擔(dān)當(dāng)著轉(zhuǎn)發(fā)的責(zé)任。利用網(wǎng)絡(luò)自己組織和多跳路由,將數(shù)據(jù)向協(xié)調(diào)器點(diǎn)發(fā)出并且傳送。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)既可以使用RS232總線方式也可以使用無(wú)線方式與外界通信。所有的ZigBee網(wǎng)絡(luò)使用不同網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí),網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信。應(yīng)用領(lǐng)域不同,傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成也不同,但通常包括電源、傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換塊、微處理器(存儲(chǔ)器、CPU和操作系統(tǒng)和通信單元(由無(wú)線通信射頻塊等,能完成信號(hào)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、傳輸信號(hào)的任務(wù)。傳感器的類(lèi)型決定于被監(jiān)測(cè)的物理信息情況,節(jié)點(diǎn)需

37、用電池供應(yīng)電量,如果電池消耗干凈,節(jié)點(diǎn)就失去了功能。為了最大限度地節(jié)約電源,在硬件設(shè)計(jì)方面,要盡量采用低功耗器件,處理器通常選用嵌入式CPU,射頻單元主要由低功耗、短距離的無(wú)線通信模塊組成。由于ZigBee最顯著的技術(shù)特性就是它的低功耗和低成本,其采用較低的數(shù)據(jù)傳輸速率、較低的工作頻段和更小的棧容量,并且可以將設(shè)備的ZigBee模塊定義為低功耗的休眠狀態(tài)使其整體功耗顯著降低。使得在絕大多數(shù)目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)合下僅靠2節(jié)標(biāo)準(zhǔn)5號(hào)電池的ZigBee模塊最大限度的延長(zhǎng)使用壽命。2.2 計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)測(cè)控技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防等諸領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。測(cè)控技術(shù)的現(xiàn)代化,已被公認(rèn)為科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)現(xiàn)代

38、化的重要條件和明顯標(biāo)志。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展,在現(xiàn)代遠(yuǎn)程測(cè)控領(lǐng)域中,各種先進(jìn)的測(cè)控技術(shù)、測(cè)控設(shè)備和遠(yuǎn)程通信手段層出不窮。如何提高測(cè)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信的可靠性、準(zhǔn)確性和及時(shí)性,以及如何擴(kuò)大通信的距離,一直是遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究過(guò)程中必須考慮的一系列關(guān)鍵性的問(wèn)題。2.2.1 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)主要包括數(shù)字量的輸出、模擬量的輸出、測(cè)量脈沖量和頻率量、接收數(shù)字信息和中斷數(shù)據(jù)信息以及測(cè)量和采集模擬輸入信號(hào)。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)把計(jì)算機(jī)看做控制過(guò)程和工業(yè)數(shù)據(jù)采集的核心,被監(jiān)控對(duì)象中的物理參量是由傳感器或變送器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的,輸入裝置再將這些電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字量,不但可

39、以以數(shù)字、曲線或圖形的方式輸出,而且還可以將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái),隨時(shí)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)或傳給監(jiān)控中心。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)是由各種面向過(guò)程的功能模塊通過(guò)總線互相連接而組成的。主要包括A/D、D/A、DI、DO、開(kāi)關(guān)量輸入和開(kāi)關(guān)量輸出等。監(jiān)控中心微機(jī)根據(jù)測(cè)控單元采集到的物理參量的大小,按照工藝要求的設(shè)定值進(jìn)行判斷,然后給測(cè)控單元發(fā)送控制命令,測(cè)控單元根據(jù)一定的控制算法在輸出裝置中輸出相應(yīng)的電信號(hào),并推動(dòng)執(zhí)行裝置動(dòng)作從而完成相應(yīng)的控制任務(wù)30。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)主要由傳感器、計(jì)算機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測(cè)控對(duì)象、輸入接口、輸出接口和控制臺(tái)等組成,如圖2-3所示。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的工作過(guò)程通常由以下步驟構(gòu)成:(1數(shù)據(jù)采集從傳

40、感器或其它待測(cè)設(shè)備將被測(cè)單元中自動(dòng)采集參數(shù),轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的電量信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)。(2數(shù)據(jù)處理對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索、變化和傳輸,而測(cè)控系統(tǒng)中是由微機(jī)根據(jù)得到與被測(cè)參數(shù)相對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果后,由控制算法輸出結(jié)果決定下一步的控制過(guò)程。(3控制輸出指微機(jī)實(shí)時(shí)控制控制機(jī)構(gòu)或數(shù)據(jù)的打印輸出。隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的逐漸發(fā)展,分布式測(cè)控系統(tǒng)逐漸走上計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的大舞臺(tái)。分布式技術(shù)也朝著多元化發(fā)展,滿足了許多復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用需求。 圖2-3 典型計(jì)算機(jī)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)組成框圖2.2.2 分布式控制技術(shù)2.2.2.1 技術(shù)簡(jiǎn)介由分布式技術(shù)發(fā)展而來(lái)的控制系統(tǒng)稱(chēng)為分布式控制系統(tǒng)(DCS,又稱(chēng)為集散控制系統(tǒng),是指多個(gè)被控對(duì)象由多臺(tái)計(jì)算機(jī)或多

41、個(gè)處理器分別控制,同時(shí)又可集中獲取數(shù)據(jù)、集中管理,是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。分布式控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)獲取、直接數(shù)字控制以及監(jiān)控管理等功能,綜合了許多技術(shù),它的基本思想是分級(jí)管理、配置靈活、組態(tài)方便、分散控制和集中操作。通常情況下,按地域把微處理機(jī)安裝在測(cè)控裝置附近,管理功能集中,控制功能盡量分散。分布式控制系統(tǒng)包括全分布控制系統(tǒng)、集散控制器、開(kāi)放式控制系統(tǒng)、分散型控制系統(tǒng)和DCS過(guò)程控制系統(tǒng)。主要應(yīng)用于有中央空調(diào)的大型辦公樓、商場(chǎng)內(nèi)的控制系統(tǒng),也應(yīng)用于電力、石油和電子等領(lǐng)域31。2.2.2.2 技術(shù)特點(diǎn)分布式控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)32:(1性格比高采用低價(jià)的微機(jī)構(gòu)成高性能的系統(tǒng),與同樣

42、功能的大、中型計(jì)算機(jī)相比,分布式多微機(jī)系統(tǒng)的價(jià)格僅為三分之一到四十分之一。(2可靠性強(qiáng)“優(yōu)美降級(jí)運(yùn)行”,即可由其它子系統(tǒng)以“容錯(cuò)”方式帶故障運(yùn)行,全局可靠性不會(huì)受到子系統(tǒng)的故障影響,并且子系統(tǒng)之間能夠互相檢測(cè)、診斷和保護(hù),從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。(3模塊化結(jié)構(gòu)分布式系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)模塊化、通用化,系統(tǒng)功能分散容易擴(kuò)充,可以實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)分配與管理系統(tǒng),以適應(yīng)不同環(huán)境和用戶的要求。(4資源共享 各子系統(tǒng)共享系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和設(shè)備等資源,提高了系統(tǒng)的性價(jià)比,也增加了系統(tǒng)的適應(yīng)性與靈活性。(5響應(yīng)速度快可通過(guò)并行處理或各子系統(tǒng)分別處理來(lái)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。2.2.3 傳感器技術(shù)傳感器可以把將要測(cè)量的非電物理信號(hào)的

43、數(shù)據(jù)依照特定的方式轉(zhuǎn)化成可用的產(chǎn)生電訊號(hào)的單元或設(shè)備,是測(cè)控系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)組成部分。它連接了將要測(cè)定的目標(biāo)和控制系統(tǒng),提供了原始的數(shù)據(jù)信息。伴隨著微機(jī)的全面的使用,傳感器在測(cè)控領(lǐng)域的價(jià)值就顯得更加明顯33。傳感器技術(shù)主要由以下幾種:(1溫度傳感器技術(shù)基于該技術(shù)的設(shè)備又稱(chēng)為數(shù)子溫度傳感器,是基于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)之上的一種產(chǎn)品。這種設(shè)備由溫度敏感單元和信號(hào)處理單元組成。通常情況下,將這兩部分分開(kāi)放置,這樣能夠降低信號(hào)傳送裝置產(chǎn)生的能量對(duì)溫敏設(shè)備準(zhǔn)確度的影響。在現(xiàn)實(shí)生活中經(jīng)?？吹降臒崦粼袩犭娕肌崦舳O管、鉑電阻和熱敏電阻,這些熱敏元件里面,一部分是通過(guò)電阻數(shù)的微小變動(dòng)

44、感應(yīng)溫度變化,比如鉑電阻和熱敏電阻。微制器件是利用溫敏感元件的電阻數(shù)的有規(guī)律的變化來(lái)測(cè)量溫度數(shù)據(jù)的。(2光電傳感器技術(shù) 該技術(shù)又稱(chēng)為光傳感器技術(shù),它是把光訊號(hào)變成電訊號(hào)的一種技術(shù)。其主要通過(guò)測(cè)量直接產(chǎn)生光訊號(hào)的數(shù)據(jù)變動(dòng)的非電量,反過(guò)來(lái)也可以進(jìn)行檢測(cè)。該技術(shù)具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn),應(yīng)用范圍越來(lái)越廣,在工農(nóng)自動(dòng)化設(shè)備和智能設(shè)備制造領(lǐng)域里廣泛應(yīng)用。(3多傳感器技術(shù) 該技術(shù)主要是信息融合技術(shù),通過(guò)信息融合,極大程度上提高了傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。多傳感器信息融合方法使時(shí)空的觀測(cè)范圍有效增加、數(shù)據(jù)的可信性和分辨能力有效提高,在軍事領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。(4生物傳感器技術(shù) 生物傳感器技術(shù)是將人體生

45、理的反映能量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的一種分析測(cè)試技術(shù),具有操作方便,分析速度快等優(yōu)點(diǎn)。它在許多領(lǐng)域的實(shí)用價(jià)值都非常高。2.3通信規(guī)約本節(jié)介紹現(xiàn)目前普遍應(yīng)用的通信規(guī)約,可以分為應(yīng)答式規(guī)約(Polling和循環(huán)式規(guī)約(Cyclic Digital Transmission,CDT34,35兩種。通信規(guī)約是維持通信所必需的嚴(yán)格約定,即一套信息傳輸信息格式和內(nèi)容的約定。2.3.1應(yīng)答式規(guī)約應(yīng)答式規(guī)約即當(dāng)監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程終端一對(duì)多連接時(shí),監(jiān)控中心實(shí)行主動(dòng)通信,終端有問(wèn)必答。監(jiān)控中心主動(dòng)查詢每個(gè)終端,并接收終端上傳的數(shù)據(jù)。(1應(yīng)答式規(guī)約特點(diǎn)終端在收到監(jiān)控中心查詢命令后,必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)反饋信息,否則認(rèn)為通信故障;終端

46、沒(méi)有收到監(jiān)控中心查詢命令時(shí),不能夠主動(dòng)上報(bào)信息;允許多個(gè)終端共用一個(gè)通道,節(jié)省通道資源;通過(guò)壓縮數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度,提高了數(shù)據(jù)傳輸速度;通道適應(yīng)性強(qiáng),可以采用全雙工通道或半雙工通道;(2應(yīng)答式規(guī)約的不足監(jiān)控中心采集數(shù)據(jù)速度慢,而且不允許終端主動(dòng)上報(bào)信息,因此對(duì)故障的響應(yīng)速度也慢;一個(gè)數(shù)據(jù)通道供多個(gè)終端共享,因此一次通信失敗可能會(huì)帶來(lái)比較大的損失;采用整幀校驗(yàn)的方式,出錯(cuò)概率大,降低了傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性;應(yīng)答式規(guī)約的容量較小,對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間間隔有一定要求;為了避免接收方接收數(shù)據(jù)失敗,采用防止信息丟失和等待-超時(shí)-重發(fā)技術(shù),通信控制技術(shù)要比CDT規(guī)約復(fù)雜。2.3.2循環(huán)式規(guī)約循環(huán)式規(guī)約(CDT 是以遠(yuǎn)程終端

47、為主動(dòng)端,自發(fā)的不斷循環(huán)的向監(jiān)控中心上報(bào)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約。該規(guī)約適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信信道結(jié)構(gòu),要求發(fā)送端與接收端保持嚴(yán)格的同步,信息按事先約定的先后次序排列,并依次循環(huán)發(fā)送。規(guī)約中對(duì)通信信息流的幀結(jié)構(gòu)及信息字結(jié)構(gòu)作出了統(tǒng)一規(guī)定。(1CDT 規(guī)約特點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送以現(xiàn)場(chǎng)終端為主,終端按預(yù)先約定,周期性的不斷循環(huán)上報(bào)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)給監(jiān)控中心;數(shù)據(jù)信息以幀為單位,按信息重要程度不同,分為A 、B 、C 、D 、E 幀5種幀類(lèi)別,上幀與下幀相聯(lián),信道一直處于循環(huán)傳送狀態(tài);由于終端不斷循環(huán)上報(bào)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),即使在發(fā)生短暫通信失敗,當(dāng)通道恢復(fù)正常后,被丟失的信息仍然有機(jī)會(huì)上報(bào),而不至于造成顯著危害;采用信息字校驗(yàn)的

48、方式,將傳送信息化整為零,當(dāng)某個(gè)字符出錯(cuò)時(shí),只要丟棄相應(yīng)的信息字即可,大大提高了傳輸數(shù)據(jù)的利用率;采用遙信變位優(yōu)先插入傳送的方式,大大提高了事故傳送的響應(yīng)速度;(2CDT 規(guī)約的缺點(diǎn)由于采用循環(huán)式規(guī)約的子站自發(fā)不斷循環(huán)上報(bào)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),因此通道必須采用全雙工通信,且不允許多個(gè)終端共線連接,只能采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式連接。由于采用數(shù)據(jù)不斷循環(huán)上報(bào)策略,主機(jī)對(duì)一般遙測(cè)量的響應(yīng)速度較慢。 通過(guò)對(duì)應(yīng)答式規(guī)約和循環(huán)式規(guī)約的分析研究,結(jié)合水資源監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn),自行設(shè)定了符合本系統(tǒng)的通信規(guī)約,詳見(jiàn)第4章。2.3.3循環(huán)冗余校驗(yàn)數(shù)據(jù)信息在監(jiān)控中心與遠(yuǎn)程終端之間傳輸過(guò)程中,會(huì)受到各種干擾,使信碼出現(xiàn)變形。這種變形在接

49、收端無(wú)法正確判別時(shí),就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷而誤碼。本系統(tǒng)為減少信息傳輸過(guò)程中的誤碼,采用循環(huán)冗余校驗(yàn)機(jī)制(Cyclic Redundancy Check,CRC 。在發(fā)送端,將要傳送的數(shù)據(jù)幀按照一定算法,生成一個(gè)CRC 的值,附在數(shù)據(jù)幀尾一并傳送。接收端接收該條數(shù)據(jù)幀后,按同樣算法生成一個(gè)CRC 值,與收到的幀尾CRC 值進(jìn)行比較,若兩值相同,則認(rèn)為該數(shù)據(jù)幀傳輸正確,否則認(rèn)為有錯(cuò),將錯(cuò)誤數(shù)據(jù)幀丟棄。系統(tǒng)采用16位循環(huán)冗余校驗(yàn),生成多項(xiàng)式見(jiàn)式2-1。16125(1g x x x x =+ (2-1 CRC 校驗(yàn)碼的編碼方法36是用待發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)t(x除以生成多項(xiàng)式g(x,將最后的余數(shù)作為CRC校驗(yàn)

50、碼。實(shí)現(xiàn)步驟如下:(1 設(shè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)塊是m 位的二進(jìn)制多項(xiàng)式t(x,生成多項(xiàng)式為r階的g(x。在數(shù)據(jù)塊的末尾添加r個(gè)0,數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度增加到m+r位,對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制多項(xiàng)式為xrt(x。(2 用生成多項(xiàng)式g(x去除xr t(x,求得余數(shù)為階數(shù)為r-1 的二進(jìn)制多項(xiàng)式y(tǒng)(x。此二進(jìn)制多項(xiàng)式y(tǒng)(x就是t(x經(jīng)過(guò)生成多項(xiàng)式g(x編碼的CRC 校驗(yàn)碼。(3 用xrt(x以模2的方式減去y(x,得到二進(jìn)制多項(xiàng)式xr t(x。xr t(x就是包含了CRC校驗(yàn)碼的待發(fā)送字符串。通過(guò)循環(huán)冗余校驗(yàn)的編碼規(guī)則可以判斷出以下問(wèn)題:循環(huán)冗余校驗(yàn)編碼就是把要發(fā)送的n位二進(jìn)制多項(xiàng)式t(x轉(zhuǎn)變成了能夠讓g(x除盡的n+k位二進(jìn)

51、制多項(xiàng)式xk t(x,在解碼時(shí)將接收的數(shù)據(jù)去除去除多項(xiàng)式g(x,結(jié)果如有余數(shù)的話,就判斷出了數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)有問(wèn)題產(chǎn)生,就是出現(xiàn)錯(cuò)誤;如余數(shù)值為零則表示傳輸過(guò)程沒(méi)有錯(cuò)誤。2.3.4 TCP/IP協(xié)議在因特網(wǎng)所使用的各種協(xié)議中,最重要和最著名的是TCP(Transmission Control Protocol和IP(Internet Protocol兩個(gè)協(xié)議。當(dāng)今人們提到的TCP/IP 往往是表示因特網(wǎng)所使用的體系結(jié)構(gòu)或指整個(gè)的TCP/IP協(xié)議族。TCP/IP考慮各種異構(gòu)網(wǎng)的互連問(wèn)題,將網(wǎng)際協(xié)議IP作為T(mén)CP/IP的重要組成部分。TCP/IP 既面向連接服務(wù),也可以面向無(wú)連接服務(wù);有良好的網(wǎng)絡(luò)管理

52、功能。TCP/IP體系結(jié)構(gòu)如2-4圖所示。 圖2-4 TCP/IP體系結(jié)構(gòu)2.4 GIS技術(shù)地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS是一門(mén)跨學(xué)科新興學(xué)科,它是把許多學(xué)科聯(lián)系在一起,具體有如下學(xué)科:地理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、空間科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、管理科學(xué)和信息科學(xué)。它在計(jì)算機(jī)硬、軟件環(huán)境的支持下,以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),對(duì)空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理、操作、分析、模擬和顯示。地理信息系統(tǒng)提供空間和動(dòng)態(tài)的地理信息,是一種提供決策服務(wù)信息系統(tǒng)37。GIS的主要作用是根據(jù)空間的相關(guān)參數(shù)和方法,利用初始資料和參數(shù)進(jìn)行研究和修正,使客戶得到自己需要的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí),然后按照這個(gè)結(jié)

53、果進(jìn)行下一步行動(dòng)方向的安排。地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)由數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)管理、分析處理、結(jié)果生成四個(gè)階段構(gòu)成。GIS的最重要的載體是地理實(shí)物和能量及其相關(guān)文字、數(shù)字、地圖和影像等形象標(biāo)示。就地圖來(lái)說(shuō),既可以負(fù)載信息,又可以傳播信息。GIS將地理位置和其位置相關(guān)的屬性有機(jī)綜合的總結(jié)聯(lián)系起來(lái),根據(jù)客戶的實(shí)際需要真實(shí)而形象的發(fā)送給客戶,客戶的需求可以得到充分滿足。總之,就水資源遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)際應(yīng)用而言,由于監(jiān)控范圍很廣,且水資源檢測(cè)工作與地理信息密切相關(guān),合理的利用GIS的數(shù)據(jù)管理和空間分析等功能的話,既可以宏觀管理,又可以微觀管理,非常便于水資源日常的運(yùn)行管理和分析決策。2.5 本章小結(jié)本章主要研究分析了GPR

54、S技術(shù)、ZigBee技術(shù)、計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和通信規(guī)約。GPRS及ZigBee技術(shù)主要介紹了其通信原理及技術(shù)特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)主要介紹了計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、功能和性能規(guī)范等。對(duì)通信規(guī)約進(jìn)行了詳細(xì)的分析比較,并對(duì)循環(huán)冗余校驗(yàn)進(jìn)行了研究。最后通過(guò)對(duì)GIS技術(shù)介紹,說(shuō)明了將該技術(shù)應(yīng)用到水資源監(jiān)控系統(tǒng)中的優(yōu)越性。第3章 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)的功能和開(kāi)發(fā)工具3.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)水資源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由一臺(tái)監(jiān)控中心微機(jī)和多臺(tái)監(jiān)控終端(FTU 組成。監(jiān)控中心微機(jī)位于水資源管理部門(mén)的監(jiān)控中心,監(jiān)控終端位于用戶提取水資源的泵房或管網(wǎng)閥門(mén)現(xiàn)場(chǎng),通過(guò)GPRS-Zigbee 無(wú)線方式結(jié)合Internet

55、網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心-監(jiān)控終端之間的遠(yuǎn)程信息傳輸。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。 3.1.1 監(jiān)控中心微機(jī)監(jiān)控中心微機(jī)位于機(jī)房,微機(jī)上裝有水資源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件。操作員通過(guò)監(jiān)控中心軟件界面查看終端設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。監(jiān)控中心接收到終端主動(dòng)上傳或應(yīng)答反饋的參數(shù)信息時(shí),能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析和處理;監(jiān)控中心能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各個(gè)遠(yuǎn)程終端的定時(shí)監(jiān)測(cè)和控制,顯示遠(yuǎn)程終端的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù),當(dāng)發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端運(yùn)行故障時(shí)報(bào)警;實(shí)現(xiàn)取水管理、日志管理、用戶管理、報(bào)表管理、地理信息管理等功能;監(jiān)控中心微機(jī)安裝有數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),存儲(chǔ)水資源監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)信息。監(jiān)控中心和終端之間通過(guò)Zigbee-GPRS-Internet

56、 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控中心發(fā)送監(jiān)測(cè)命令時(shí),首先通過(guò)Internet 發(fā)送到GPRS 無(wú)線模塊,然后再轉(zhuǎn)發(fā)到Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)終端,終端收到報(bào)文后,解釋執(zhí)行報(bào)文并將執(zhí)行結(jié)果返回監(jiān)控中心。3.1.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端遠(yuǎn)程監(jiān)控終端位于用戶提取水資源的泵房或管網(wǎng)閥門(mén)現(xiàn)場(chǎng),由監(jiān)控單元、Zigbee 模塊、開(kāi)關(guān)線路、數(shù)字式水表和UPS 電源等組成。終端之間采用Zigbee 無(wú)線方式通信。監(jiān)控終端通過(guò)無(wú)線通信方式(Zigbee-GPRS 接收監(jiān)控中心的信息,并通過(guò)判斷報(bào)文中的功能執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)市電停電時(shí)由UPS 供電,并主動(dòng)發(fā)送報(bào)文至監(jiān)控中心?？梢詫⒈O(jiān)控終端的Zigbee 通信節(jié)點(diǎn)設(shè)置為低功耗模

57、式,也就是在沒(méi)有數(shù)據(jù)量傳送的時(shí)候降低功耗,如此就能夠延長(zhǎng)使用時(shí)間。監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。 圖3-2 監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)3.1.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程終端通過(guò)GPRS-Zigbee 無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心Internet 網(wǎng)絡(luò)之間的遠(yuǎn)程信息傳輸。Zigbee 網(wǎng)絡(luò)采用混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)及監(jiān)控終端組成。每個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)具有獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)號(hào),由該網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)GPRS 模塊相互連接,進(jìn)行透明數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)監(jiān)控區(qū)域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的終端通過(guò)Zigbee 小型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)相互通信。每個(gè)終端都連接有一個(gè)Zigbee 通信節(jié)點(diǎn),在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中,所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都通

58、過(guò)路由送往協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn),協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制和碰撞避免機(jī)制,整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性都十分高。每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)連接254個(gè)子節(jié)點(diǎn),而且每個(gè)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在100多個(gè)獨(dú)立且相互覆蓋的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。這樣網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展靈活自如,同時(shí)容量實(shí)現(xiàn)大范圍的增加,能夠適應(yīng)水站水庫(kù)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的需求。因此,應(yīng)用ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源多個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集相當(dāng)方便。3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能水資源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)城鎮(zhèn)水資源的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和信息管理。該系統(tǒng)能夠控制水資源的提取,對(duì)用戶取水信息進(jìn)行分析處理,提高了水資源管理水平。系統(tǒng)功能組成如圖3-3所示。(1遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能監(jiān)控中心微機(jī)通過(guò)定時(shí)、實(shí)時(shí)檢測(cè)方式,對(duì)水資源、 圖3-3 系統(tǒng)功能組成取水井、取水設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),具體包括用戶取