【毕业学位论文】（Word原稿）面向灌区水情监测和预警功能的通用RTU的设计与实现-软件工程

硕士学位论文 （专业学位） 面向灌区水情监测 和预警功能的通用 设计与实现 姓 名： 学 号： 所在院系： 软件学院 职业类型： 工程硕士 专业领域： 软件工程 指导教师： 副指导教师： 二 一三年三月 A in 2013 面向 灌 区 水 情 监 测 和 预 警 功 能 的 通 用设 计 与 实 现 同 济 大 学 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大 学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 同济大学 硕士学位论文 摘要 I 摘要 随着计算机网络技术的发展和灌区信息化进程加速，各大灌区都建立了信息化系统。系统在数据采集方面均需要摒弃工作人员手工记录方式，采用 是目前系统中 且大部分只能一次使用，移动到灌区其他监测点时若传感器不同或参数配置不同、传输方式不同则需要重新编程，因此不具有通用功能。 本课题主要 设计并实现通用 统，该系统具有灌区水情监控和预警功能。在该 口、通讯方式等用以满足不同灌区的需求，进而达到通用的目的。同时，使用 过引入相应算法、公式来对采集的数据进行分析和处理， 能提供自动水位 合的时间；当一个关键的水位测点、水量测点超过警戒值，系统就以发送预警手机短信或拨通预警电话等方式通知相关安全负责人进行处理。也可以同时通知到防洪委员会的相关人员 。 在实际应用中，通过使用本系统能够提高灌区工作人员的工作效率以及信息的可靠性、准确性和及时性，将大大提高灌区的信息化程度，为灌区向更高阶段的信息化建设提供技术保证。 关键词 ：灌区信息化、 情监测、曲线拟合I of of of in In by be LC to in TU a of o to in of of or of in to TU a a TU be by in TU to of be by TU be of be of to of of a or of is to by a or to n of be of of of of of to a 济大学 硕士学位论文 目录 录 第 1 章 引言 . 1 述 . 1 内外的研究现状 . 2 文的主要研究内容 . 2 文 的章节结构 . 3 第 2 章 系统开发环境 . 4 发工具 . 4 司的 开发工具 . 4 软公司的 008 开发工具 . 5 软公司 005 企业版 . 6 区水情监测和预警系统的应用现状和运行环境 . 6 区水情监测系统自动化和智能化方面 . 7 区水情监测和预警系统开发模式 . 7 第 3 章 系统需求分析 . 8 行性研究 . 8 济可行性分析 . 8 术可行性分析 . 10 求分析 . 10 用 层水情监测系统需求分析 . 12 用 层预警功能需求分析 . 13 于 通用 水情监测系统的需求分析 . 13 功能需求 . 15 行环境需求 . 16 件环境 . 16 件环境 . 16 第 4 章 系统模块设计 . 17 统设计思路 . 17 统设计目标 . 17 统设计原则 . 17 统开发平台和体系结构 . 18 统开发平台 . 18 统体系结构 . 18 同济大学 硕士学位论文 目录 统模块设计 . 19 用 层水情监测系统功能设计 . 19 用 层预警功能设计 . 24 于通用 水情监测系统功能设计 . 25 统数据库设计 . 31 据库的选择 . 31 据库的设计 . 31 第 5 章 系统模块实现 . 34 用 水情监测功能实现 . 34 . 34 据采集模块的实现 . 43 据输出模块的实现 . 46 位 . 49 时数据显示模块的实现 . 52 志记录模块的实现 . 53 统调试模块的实现 . 54 用 . 55 于通用 灌区水情监测系统的实现 . 56 于 灌区水情监测系统开发环境简介 . 56 于 灌区水情监测系统实现 . 56 第 6 章 系统测试和绩效分析 . 67 用 . 67 于通用 水情监测系统测试 . 68 效分析 . 69 用 层功能的绩效分析 . 69 于通用 水情监测系统绩效分析 . 70 体绩效分析 . 71 第 7 章 结论和展望 . 72 论 . 72 一步工作方向 . 72 致谢 . 73 参考文献 . 74 附录 A 个人论文发表情况 . 76 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成 果 . 77 第 1 章 引言 1 引言 述 随着灌区信息化的推广，各大灌区都在进行信息化的建设和实施。信息化建设当中的基本数据采集非常重要，目前一些灌区给一些重要的水情点安装自动量测水仪器等一些传感器，但是自动量测水设备所量测的这些水情点毕竟只是灌区所 有点中的一小部分，大部分的水情信息还需要灌区的工作人员去手工记录。同时，大多数灌区也都是通过工作人员手工计算水量、手工进行水位 工记录水情信息，而且很多点的水情信息需要依靠工作人员多经验得出，这样导致记录信息不及时、很多水情信息准确性和说服力不够 1同时，由于部分信息化的灌区在信息化过程中安装各种不同的传感器，所以亟需引入新的技术和设备来对传感器数据进行采集并且上报来实现灌区水情监控和预警功能。 目前， 品市场虽然竞争日趋激烈，但由于其应用范围宽广，市场需求还是非常充足的。目 前为止关于灌区水情自动监测功能已有一些模型和实现的系统，但是一般都是使用 与 比， 储容量 更大 和通讯能力 更加优良 ， 所以 够 适用于 更 恶劣 的 环境， 也能 提供更多的计算功能。 虽然也有使用 ，但是基本都是使用 基本功能：数据采集和传输功能。 基于此，提出设计基于灌区水情监测和预警功能的通用 统，来实现对不同传感器采集的水情等信息进行自动采集并实现各监测点数据的实时显示，通过引入相应算法、公式来对采集的数据进行汇总、统计和分析，提供自动水位拟合的时间，同时，当一个关键的测水位，水量点超过警戒值，就要以 传至服务器或手机短信或拨通电话等方式通知负责人进行处理。也可以同时上报到防洪委员会的相关人员。 通用 设计与实现以及将其应用在灌区水情监测系统作为灌区信息化项目的一个子项目，将在铜山源灌区进行试点进行设计开发和建设。从技术上来说 及其他相关技术都比较成熟。该通用 设计与实现能够对不同传感器（如： 数字量和模拟量传感器）进行数据采集然后上报。在实际应用中必将会针对不同传感器设备，用户只要通过简单设置 就可以实现选择不同采集数据和处理数据方式；在数据传输方式上，采用 台或者其中两种混合或三种方式共同使用等传输方式，在不同条件下可以选择合适的通信方式，这样在实际工作中提高工作效率以及信息的可靠性、准确性和及时性。 第 1 章 引言 2 内外的研究现状 我们国内的 术和产品起步较晚，国内的 品主要应用在城市供水和供气管网监控系统、油田自动化以及输油输气管网监控系统。目前也应用在水利方面。 主要有以下几个方面： 1、在市场容量及增长趋势方面已经具备进入快速发展阶段，其应用前景看好； 2、目前我国因受关键技术和标准的限制所以国内 司较少，国外 3、虽然在我国国内有较多低端的控制终端产品在市场中应用，但是由于其技术和标准离 差一定的距离，特别是随着国际厂商的进入导致很多这类产品将逐渐减少。 在国际上， 品的市场前景广阔。除了几个大品牌 商外，还有一直从事 产品研发厂商也推出了自己的 品，越来越多的传统工业控制器生产厂家也将其产品重点转向 时也有很多新企业加入到 业中，包括许多类似 样的通信企业。虽然目前 品的市场竞争日趋激烈，但因为其应用范围宽广，市场需求还是非常充足。 文的主要研究内容 本课题作为灌区信息化项目的一个子项目，主要研究在灌区信息化中设计具有通用功能的 把该 灌区水情监测系统中进行了实际应用。该 为是通用 以在具体灌区应用时用户需要进行简单的设置才能实现对不同传感器进行数据采集，包括处理传感器传来的数据量或者模拟量，数据经过处理之后 够根据不同灌区的具体情况使用 量或者电台等方式传输到灌区水情监测系统的服务器或者手机等设备上； 供的预警功能能够自动识别和判断水情，当超过警戒值则会根据具体情况以短信形式或拨通电话等方式通知相关负责人员进行处理。也可以同时上报到防洪委员会的相关人员。提高了灌区信息化系统中的智能型。灌区水情监测系统在得到数据后进行及时处理，便于相关部门领导就不同情况及时的作出决策。 本课题以铜山源灌区水情监测系统作为依托，以能够让本灌区水情信息数据被自动采集、处理并且上报为目的，主要研究适合不同情况的通用 统。本课题主要是根据实际项目的需求， 严格按照软件工程进行项目开发。在进行课第 1 章 引言 3 题的理论研究同时把理论成果应用于项目的实际开发中，使设计出的通用 而具有实用性和先进性。 本课题实施方案是：硬件设备有水位计、流量计、雨量计和支持 讯协议的设备以及支持模拟量输出的设备。拟采用国内 备连接水位计等设备，同时在 进行二次开发，预警系统则采用 面配置的 讯模块。量测水技术则采用不同水槽相对应的相关技术和方法。采用 来进行开发和设计灌 区水情监测和预警功能的通用 统。 在研究系统的设计和实现时侧重于解决以下几方面的问题： 1、水情监测以及预警系统中需要的 备函数； 2、预警功能的设计原则和设计方法； 3、不同灌区不同形式的量测水技术以及算法选择； 4、在 备传输信息和预警时采取的通信技术，一般水情监测点都在比较偏僻、偏远的地区，所以要提供各种通信方式的底层代码便于不同灌区可以根据各自的现场环境来进行设置。 文的章节结构 本论文分为七大章节，每个章节内容如下： 第 1 章：引言。主要描述论文的研究背景、研究内容和方向 等。 第 2 章：系统开发环境。主要描述了通用 统及其依托应用的水情监测系统的架构和开发过程中所采用的开发工具、开发平台等。 第 3 章：系统需求分析。描述了系统经济和技术可行性分析，之后阐述了系统的实际工作流程，充分使用数据流图、模块图和用例图阐述系统需求。 第 4 章：系统模块设计。依据第三章需求，分析并设计出通用 统和水情监测系统，可以提高水情信息数据及时性、可靠性。 第 5 章：系统模块实现。挑选具有代表性的实现界面和关键代码和流程，描述主要功能模块的实现。 第 6 章：系统模块测试和绩效分析。使用测试用例 进行功能测试，并对结果和绩效进行分析。 第 7 章：结论和展望。第 2章 系统开发环境 4 系统开发环境 本章主要介绍灌区水情监测和预警系统在研发过程中所用到的开发工具和相应的数据库系统软件，并介绍这些工具的提供了哪些强大的功能来简化开发工作、并且保证整个系统安全、稳定、高效地运行。 发工具 灌区水情监测和预警系统主要包括运行于 的水情监测信息采集和上报子系统，以及运行于 行于 司的 9 开发工 具，运行于 上的水情监测信息管理子系统使用的是微软公司的008，数据库系统使用的是微软公司的 005 企业版。 司的 开发工具 是 下的一款开发工具。 能够较快速构建所需的应用，进而缩短所开发的产品投放到市场的时间。 相对于标准 C 的改进和差异主要体现在以下几个方面： 1、使得在嵌入式系统上进行实时编程变得容易； 2、在语言 扩展方面提供了多任务的协作和优先构造，所以即使在供电失败时，也能够保护写入变量并能够写入到中断程序中。 3、在 开发环境中均以源码形式包含了标准 C 函数库和其他相关设备的性能。 开发环境完全支持汇编语言，允许在 C 代码中嵌入汇编代码，特别是在对时间要求高的应用情况下。 用 开发软件非常简单。因为在 开发环境中能够写入汇编代码和 C 代码以及 C 和汇编的混合代码，该代码能够在开发环境中编译、调试和运行，也可以直接在目标板上进行调试、运行。也就是说，可以把程 序编译之后产生一个映像文件便于以后调试、运行时进行装载。 可以运行在装有 列操作系统的 或笔记本上。当程序编译时以高达115,200 波特率被下装载到 单板机上。 第 2章 系统开发环境 5 软公司的 008 开发工具 008 能够设计、开发和测试基于 用程序和服务。 008 能帮助独立的开发 人员和开发团队尽可能快速创建并发布完善的、全面的、分布式的软件解决方案。 开发工具具有如下特点：首先在快速开发方面有新突破，为方便模型化编码和调试， 008 提供了改进的语言、编辑、设计和数据的特性，有助于突破生产力的瓶颈。其次提供跨开发生命周期的协同工作， 008能够让项目组中的开发、设计、测试人员以及系统架构师和项目经理等通过流程整合和共享的工具来协同工作，进而缩短项目的开发周期。最后创建杰出的用户体验， 008 为开发人 员提供了新的一系列开发工具，使得开发人员在最新的平台上快速创建极具个性的用户体验和分布式的应用程序。 基础上增加了一些全新特性，包括：基类类库， 和 够快速构建分布式的系统和用户体验。 建的分布式应用程序能够让业务流程有效的模型化，并且能够实现与异构的环境的集成。 同时， 够让系统开发人员减少在通用模块上开发的代码，从而加速开发过程，同时将其精力集中在解决系统中的业务问题上。 一个集成 的应用程序生命周期管理（ 决方案，它包含了过程、工具和指南，能够帮助开发团队提高技能同时开发人员之间进行更有效的协同工作。 够让项目组的开发团队进行更有效的协作与沟通，用来确保软件质量的同时也能获得软件开发生命周期的可见性。 008 概览如图 示。 第 2章 系统开发环境 6 图 008 概览 软公司 005 企业版 005 是一个全面的数据库 管理系统， 005 数据引擎是企业数据管理 的 解决方案的核心。 005 使得 企业可以构建 并 部署经济有效的 决方案， 同时使开发团队 通过 分卡、 一些 移动设备将数据应用推向 不同 业务的各个领域。 005 可以为 开发人员、信息工作者、数据库管理员 和 决策者提供创新的 和完美的 解决 方案， 使更多的用户从 数据中更多 的 获益。 同时， 005 可以让开发人员通过使用 相似的语言，例如微软的 #立数据库对象 和 用户定义的类 、 集合。 使用 本 支持通告服务、 务 、 报表服务 ，同时在 全文搜索功能 、 安全性 、性能 都有所增强。 区水情监测和预警系统的应用现状和运行环境 灌区水情监测和预警系统在设计之初就考虑到系统需要具有足够的通用性以满足不同灌区的需要，不同通信环境的需求，水情信息点 计算方面的需求。系统能过设计通用功能的水情监测 集各类型的水情传感器中的采集数据（水情传感器可以采集的通讯方式可以是以下方式中的一种或几种：数字格雷第 2章 系统开发环境 7 码、数字脉冲，电流模拟量，电压模拟量， 485 串口， 232 串口），并且根据上报的要求对采集到的原始数据进行预处理以达到水情监测所需要的要求，然后将处理完毕的数据以多种数据通信手段将数据直接上报到通讯服务器（ 或先上报到通讯前置机（ 传电台）然后由前置机间接上报到的通讯服务器，这样 本能够满足所有灌区的数据采集和上报需求。通讯 服务器将所采集到的数据先存储在后台数据库中，然后由业务服务器将采集到的数据根据量测水规范中提供的水量量测公式对水情信息进行换算以得到所关心的监测信息，计算公式涵盖多种水量量测方式（如：闸门量水，流量计量水，水位流量关系曲线量水，涵洞量水等等），以满足不同灌区不同量水类型的需求。 通过以上的通用 设计和多种水量量测方法的运用，使系统能够在不修改内部运行代码的情况下，只通过简单的系统配置就能够满足不同灌区不同量测水点的需求，以达到通用系统的目的。 预警功能为某些灌区的防洪监测点提供了自动监测和预警功能，在 监测点信息超出正常范围或超过预警范围的时候能够在第一时间向相关负责人发送报警短信或拨打报警电话，以确保灌区周边居民的生活安全。 区水情监测系统自动化和智能化方面 灌区水情监测系统已经在很多灌区得到了应用，系统经过几年的运用已证明能够满足灌区在水情信息自动采集和水量自动量测方面发挥了巨大的作用，比起以往的人工水情信息采集和水量计算，系统提供了花费了更少的人力，采集数据更加及时准确，对水情监测点的环境要求更加宽松，水量量测的计算更加迅速，大大提高了灌区的业务能力和管理水平。 预警系统通过设置监测点 的预警参数，能够更加智能准确地发现水情的危险信号，及时通知防洪安全负责人，以减少洪水为周边居民生活带来危害。 区水情监测和预警系统开发模式 水情监测信息采集和上报子系统由于需要长期运行于无人职守的野外，因此运行于基于低功耗微处理器芯片设计的 ，采集到到的水情信息采用无线方式上报到通讯服务器或通讯前置机。无线通讯前置机及通讯服务器由于需要与数传电台以及 块通讯，以及需要监听公网固定 址上的远程接，因此使用 C/S 系统开发模式。水情监测信息管理子系统也使用 C/S 系 统开发模式，满足灌区业务人员进行数据的监测和报表处理。 第 3章 系统需求分析 8 系统需求分析 系统需求分析就是对目标系统提出完整、清晰、准确、具体的要求，目的是要确定系统必须完成哪些工作。分析人员在用户的帮助下理解和分析以及综合用户的需求，清除用户需求的模糊性和歧义性，同时挖掘出用户尚未提出但具有真正价值的潜在需求。首先应该进行的是可行性研究，可行性研究的目的就是用最小的代价在非常短的时间内确定问题是否值得去解决以及是否能够解决。 需求分析是大中型软件项目中非常重要的阶段，需求分析以系统规格说明和项目规划作为分析活动的出发点 ，而且也从软件角度对项目规划等进行检查和调整，良好的需求分析活动可以避免甚至尽早剔除早期错误，从而提高软件生产率，降低软件开发成本和改进软件质量。如果需求分析做的不好，会导致最后开发的项目可能和用户要求不符或者达不到用户期待的目标进而导致整个项目的失败，所以需求分析在软件开发过程中起着举足轻重的作用。 行性研究 在进行项目的需求分析之前先对项目的可行性进行分析。灌区信息化一直以来是水利部等相关部门比较关注的问题，润华公司一直以来就联合各大灌区从事灌区的信息化等项目，公司拥有数十开发人员通过对多年工 作经验的积累对各大灌区都非常熟悉。此次以浙江铜山源灌区作为试点进行通用 统开发和设计并且将系统计划应用在该灌区的水情监测系统中，用以改变原有的手工记录灌区量测水信息提高信息传输及时性等问题。所以首先需要做出全面的可行性分析论证。在经济上考虑是否值得去做，在技术上考虑是否具有能力去完成此项目。 济可行性分析 灌区中通用 统的设计与开发以及其所应用的水情监测系统开发需要设备和开发人员等方面的投入。在人才方面，润华公司有从事水利方面的专家 3人，同时本公司还和水利部、灌区有良好的合作关系， 所以关于水利、灌区等相关领域知识有很好的专家指导；在软件开发方面公司内部从事水利开发的软件人才有数十人均是本科毕业生，年龄结构从 25 到 38 岁，有十多名开发人员是业务骨干，其中 2 位项目经理和 6 位 着非常丰富的水利项目经验和嵌入式开发经验，有 10 名左右比较年轻的肯干的硕士生是新一批的业务骨干，在经第 3章 系统需求分析 9 验丰富的项目经理的指导和带领下，不断的在灌区的信息化建设方面做出贡献。使得多家灌区比如铜山源、湖南和青岛等部分灌区都在使用公司开发的部分项目产品。在硬件设备方面则需要一定的资金投入，但是在开发阶段属 于模拟阶段可以和合作单位进行设备租借，在实际建设中硬件才真正投入，而且每次投入都会使用 5，成本相对而言并不算高。 以铜山源灌区为例说明系统开发和建设所需要投入的硬件成本。（注：这里的成本是大概数据） 图 用 表 用 设备名称 个数 单价（元） 总价（元） 4 180