（检测技术与自动化装置专业论文）基于gprs无线远程水文监控检测系统的技术研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着通信技术的发展，无线通信网络在工业数据传输中的应用也同益多起来。在一 些边远地区的水域、矿厂、油f f l 或者其他单位，由于地形不便等原因无法架设有线网络， 所以原来都是采用专业人员手工采集数据。在中国移动推出2 5 代技术g p r s 服务之后， 借助g p r s 网络可以使工业数据传输的费用大大降低，所以基于g p r s 网络的数据传输 系统成为一种比较理想的数据传输方式，本文针对我国水利部门的管理体制和实际情 况，对目前国内外的水情监控系统数据通信方案和结构进行了全面分析、比较和总结， 并根据我国实际特点提出了一种适合我国国情的基于g p r s 远程无线水文监控检测管理 系统的方案。 由于国内水文监控系列产品种类很少，国外的又价格昂贵，因此使水文监控检测系 统国产化，开发功能完善、性价比高的系统对于水利部门的意义非常重大。嵌入式系统 技术是当前一个技术热点，并越来越广泛的应用于工业控制、无线通信、网络应用、消 费类电子、成像和安全等领域。g p r s 技术的发展，其应用也扩展到了工业、控制等领 域，并且会在将来取得更加广泛的应用。随着科学技术的进步，将嵌入式系统和g p r s 技术应用于水利事业的监控检测是非常有意义的工作。 本课题即运用当前的技术，开发了无线远程水文监控检测系统。整个系统由移动数 据采集终端和中心服务器两大部分组成。其中移动采集终端由水文传感器组成，负责 4 2 0 m a 水文信息电信号的采集、滤波及a d 变换，并将监测点的信号通过g p r s 网络 实时的传送到中心服务器。移动终端和中心服务器之间采用了客户端n 务器的体系结 构，两者之间通过建立在t c p f l p 协议基础上的面向连接的套接字通信，保证了水文信 息传输的正确性。中心服务器负责实时显示，并自动保存水文数据，同时工作人员可以 方便的对水文数据进行查询、删除和打印等操作，通过实际测试，本系统达到了满意的 预期效果。 关键词：g p r s ，远程监控，v i s u a lb a s i c6 0 ，数据采集，管理信息系统 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r ei n d u s t r i e sb e g i n t a k ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma sd a t at r a n s m i s s i o n f o r m e r l y , p e o p l eh a dt og a t h e rd a t a b yt h e m s e l v e si nt h er e m o t em i n e so ro i lf i e l d sb e c a u s et h et e r r a i nw a st o oi n c o n v e n i e n tt o s p a nl i n e a t en e t w o r k s a f t e rt h ea p p e a r a n c eo fg p r ss e r v i c e ，t h ec o s tc a nb er e d u c e d c o n s u m e d l y s i n c et h es e r v i c e c h a r g e sc h e a p l y ( 0 0 3 y u a n k b i t s ) t h e r e f o r e ，t h e d a t a c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do ng p r sb e c o m e sap e r f e c td a t at r a n s m i s s i o nw a y i nt h i sp a p e r , a u t h o rs t u d i e sa n da n a l y s e sp r i n c i p i u mo ft h es y s t e ma n dh o wt om a k ei ts a f e r , a n dt h e n p r o p o s et h ew a yt or e a l i z ei t d a t at r a f f i cs o l u t i o na n ds t r u c t u r eo fa u t o m a t i ch y d r o l o g y m o n i t o rs y s t e mw e r ec o m p r e h e n s i v e l ya n a l y s e d ，c o m p a r e da n ds u m m a r i z e da c c o r d i n gt o m a n a g e ds y s t e ma n dr e a l i t y , a n dt h e nas u i t a b l ea u t o - r e g i s t e r e ds y s t e ms o l u t i o nf o r p r a c t i c a b l e a p p l i c a t i o nw e r eb r o u g h tf o r w a r d t h e r ea r ev e r yf e wk i n d so fh o m e m a d eh y d r o l o g ym o n i t o rc o n t r o l l e r sa n dt h ef o r e i g n p r o d u c t sa r et o oe x p e n s i v e ，a n df o rt h ep u r p o s eo fh o m e m a d em o n i t o rc o n t r o l l e r s ，t h e d e v e l o p m e n to fm o n i t o rc o n t r o l l e r sw i t hh i g hc o s tp e r f o r m a n c ei s o fg r e a tb e n e f i tt o h y d r o l o g ym o n i t o r e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g yi sp o p u l a rf o rt h ep r e s e n t ，a n di sb e i n g w i d e l yu s e di nt h ef i e l d so f i n d u s t r i a lc o n t r o l ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r ka p p l i c a t i o n s ， c o n s u m p t i v ee l e c t r o n i cp r o d u c t s ，i m a g ep r o c e s s i n g ，s e c u r i t y , e t c a st h ed e v e l o p m e n to f g p r st e c h n o l o g y , i th a sb e e na p p l i e di nt h ef i e l d so fi n d u s t r y , c o n t r o la n ds oo n ，a n di tw i l l d e f i n i t e l yb ee v e nm o r ew i d e l yu s e di nf u t u r e w i t ht h ep r o g r e s so ft e c h n o l o g y , i ti sa n e c e s s a r ya n du s e f u lj o bt oa p p l ye m b e d d e ds y s t e ma n dg p r st e c h n o l o g yi nh y d r o l o g y m o n i t o r i n gc o n t r o l l e r t h ew h o l es y s t e mc o n s i s t so ft h ep o r t a b l es i g n a lc o l l e c t i o nt e r m i n a l sa n dam o n i t o r i n g c e m e r a n dt h es i g n a lc o l l e c t i o nt e r m i n a lc o n s i s t so fah y d r o l o g ys i g n a lc o l l e c t i o nm o d u l e ， t h em o d u l eh a sf u n c t i o n ss u c ha st h ec o l l e c t i o n ，f i l t e ra n da dt r a n s f e ro ft h es i g n a l s ，a n d t r a n s f e r st h ed a t at ot h em o n i t o r i n gc e n t e r i nt h ec e n t e r , t h eg o v e r n o r ss u p e r v i s et h es i g n a l si n r e a l - t i m em o d e i no r d e rt og u a r a n t e et h ec o r r e c t i o no ft h es i g n a ld u r i n gt h et r a n s m i s s i o n ，w e u s et h es o c k e tc o m m u n i c a t i o nb a s e do nt h et c pp r o t o c 0 1 t h em o n i t o r i n gc e n t e rh a st h e f u n c t i o nt od i s p l a ya n ds a v et h es i g n a l ，t h eg o v e r n o rc a nu s ei tt of i n d ，d e l e t e ，r e v i e wa n dp r i n t t h eh y d r o l o g ys i g n a lc o n v e n i e n t l y t h r o u g ha c t u a lt e s t i n g ，t h es y s t e mi se x p e c t e dt oa c h i e v ea s a t i s f a c t o r yr e s u l t k e y w o r d s ：g p r s ，r e m o t em o n i t o r i n g ，v i s u a lb a s i c6 0 ，d a t ac o l l e c t i o n ，m i s i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：侧日期：2 。d 金皇 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 。 签名：量鱼导师签名：篮塾 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 随着我国经济社会的发展，对水文信息不断提出新要求，水文监测项目和内容不断 增加，对监测手段和方法以及水文监测技术的研发和应用提出了越来越高的要求；现代 电子技术、传感技术、通信技术和计算机技术的迅速发展，也促进了水文监测技术自动 化的发展。 太湖位于江苏和浙江两省的交界处，长江三角洲的南部，为我国第三大淡水湖，又 是长江中下游五大淡水湖之一，为江南水网中心，面积2 3 3 8 1 平方公罩，总蓄水量为 4 4 2 8 亿立方米，年平均吞吐量约5 2 亿立方米。平均水深1 8 9 米。湖面形态如向西突出 的新月。湖岸形态，南岸为典型的圆弧形岸线，东北岸曲折多湾，湖岬、湖荡相间分布。 从湖底地形可见湖盆的地势是由东向西倾斜，湖毓形态呈浅碟形。 无锡市南濒太湖，位于长江三角洲江湖问走廊部分，全市共有大小河道3 1 0 0 多条， 总长2 4 8 0 公罩。市区河道总长1 5 0 公里，平水期水体容积8 0 0 万立方米。同时，无锡 市属北亚热带湿润区，受季风环流影响，台风、暴风、连阴雨、干旱、寒潮、冰雹和大 风等气象灾害频发。如何在水网复杂、气候多变的水域建立完善的水文监控检测系统， 及时对水文进行科学的检测及预警，一直成为一项重要的课题摆在人们面前。然而处理 分布在各处监测点的数据传输问题一直是建立水文监测系统的难点，传统的建立独立的 无线扩频系统和使用专线的方法，都存在着需要投入庞大的建设，运营费用且难于维护 和扩展的问题，我国的水利部门也一直希望找到一种组网方便，性价比高，随时在线的， 稳定的通信方式，来解决水文监测中的通讯瓶颈问题【1 】。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用无线分组业务) 作为第二代移动通信技 术g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术，g p r s 在现有的g s m 网络基础上叠加 了一个新的网络，同时在网络上增加一些硬件设备和软件升级，形成了一个新的网络逻 辑实体，提供端到端的、广域的无线i p 连接。通俗地讲，g p r s 是一项高速数据处理的 科技，它以分组交换技术为基础，用户通过g p r s 可以在移动状态下使用各种高速数据 业务。使用g p r s ，数据实现分组发送和接收，每个用户可同时占用多个无线信道，同 一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，并且用户永远在线且按流量、 时间计费，迅速降低了服务成本。 因此，将移动通信技术应用于水文监控检测领域，构建水文信息管理和分析系统， 对于强化城市水利规划、指挥、调度、信息查询、快速维修、维护、准确定位、人员最 优化调配等各方面工作将产生巨大的功效，必将极大地提高城市水利部门工作的科学 性、准确性和整体运作效率，有利于从根本上解决城市经济建设的快速发展与城市水利 部门管理形式落后的矛盾。 本课题正是在这种背景下提出的，致力于将g p r s 技术应用到城市水文监控检测的 信息管理和分析，构建水文信息管理和分析系统。 江南人学硕i ：学位论文 1 2 国内外相关技术现状及研究背景 1 2 1 国内水文监测系统建设的发展现状 上一世纪七十年代中期开始到八十年代中期为初级阶段。 八十年代中后期开始的十余年为( 小流域) 水文自动测试系统建设的发展期。 九十年代后期为适应防汛和水利调度现代化、信息化的要求，以及近代通信、计算 机和网络技术高速发展的时代特点，水文自动测试系统的建设进入了网络化阶段。 近四十年的发展历史，水文自动监测系统的建设和技术有了巨大的进步。在不同的 历史时期，所建系统快速采集的数据，为防汛和水利调度的决策提供了依据和参考，发 挥了相当大的社会经济效益。不少系统除常规水雨情信息外，闸门开度、大坝渗压渗流、 灌区水位流量、土壤墒情、风向风速、温度湿度、地下水位乃至在线水质监视参数陆续 纳入监测系统，使监测系统的功能大为扩展，从而可为防汛、水利调度、水环境管理等 各应用服务提供了更多的实时数据。 当前国内水文监测系统运用的先进技术有： 1 ) 可靠的传感技术：各种类型的传感技术，声学、光学、力学和化学的传感技术。 系统的可自动监测的参数不断丰富。 2 ) 所有可利用的通信技术：有线和无线通信技术，自建和公共通信网等。系统的 实时传输越来越快捷、准确。 3 ) 计算机及电子技术：从单片机到个人电脑、服务器，从高可靠的数据终端到双 机冗余，系统功能和可靠性不断提高。 4 ) 网络技术：从局域网到广域网，从数据库到数据共享，为预报提供了更好的数 据基础。系统为地方乃至全国的防汛、水资源调度及时提供准确数据的能力越来越强。 系统组网包括超短波、短波、微波、卫星、g s m 、g p r s 、p s t n 。网络组网包括光纤、 网桥、公共通信。 1 2 2 水文监测领域的发展方向 通过分析我国水文监测的现状和存在的难点，目前所公认的国际水文监测领域的发 展方向是： 1 ) 传感器设备集成化 在水文传感器中，我国除机械类水文传感器与国际先进水平相当，其他水文传感器 均落后于国际先进水平，设计的要求和理念的差距是重要原因之一。传感器不再单是被 测对象的感知设备，它感知的是光波、电波和压力的变化，转换到水文数据的变化要经 历复杂的计算和处理，这些计算和处理的过程和数据的存储、传输过程称为传感器设备 的集成化。从引进国外先进水文仪器可以感受到传感器设备集成化程度是越来越高，已 成为传感器设备的发展趋势。我们从开始研制设备时就应按此要求去做。 2 ) 自动化设备智能化 智能化是指可以代替人脑进行判断，根据不同情况作出决定的能力。水文自动化设 备使用的范围、内容和情况繁多，我们要求设备能够自动根据各种条件进行判断，自动 2 第一苹绪论 作出正确动作。智能化的发展使设备的运用更实用、可靠和安全、简单是自动化设备发 展的方向。在水文自动测报系统中遥测终端智能化表现在：超限加报、主备信道切换、 参数配置、电源监视、看门狗和自检功能等。 3 ) 远程监测、编程和管理 理论上远程监测、编程和管理也是智能化的一部分，这里拿出来讲是因为它的特殊 性。通过系统或网络对其节点的设备进行远程监测、编程和管理需要通信网和相应软硬 件的支撑，是个综合功能的体现。该功能使自动化系统更灵活多样，组网和维护更方便。 目前国外设备已广泛采用此项技术，国产设备在远程监测、编程和管理方面与国际先进 水平还有较大差距，尚需努力提高。 4 ) 发展巡测系统 发展巡测系统有利于解决需监测的控制点和断面多，完全发展在线自动监测不现实 的矛盾。有利于建立突发事件引发的水灾害的应急机制。例如水体突发污染、洪水暴发 等突发事件的跟踪监测和控制。有利于发展监测站点无人化，解放生产力。巡检的内容 有流( 速) 量，泥沙，水质等水文参数。巡检的方式是定时定点或在有突发性事件时， 由相关检测人员带着仪器到监测点进行相关水文参数的监测。巡测车是巡测的最好工 具，配备检测水文参数的仪器，可以进行自动、人工监测和桥测。在巡测车上配备通信 设备，在通信条件允许的条件时，巡测车将现场监测的数据实时发到中心服务器。 1 2 3g p r s 背景概述 蜂窝移动通信自8 0 年代大规模投入应用以来，大大改变了人类的通信和生活方式， 使人与人之间的交流日益密切起来。经过2 0 年的发展，蜂窝移动通信系统已经从第一 代的单纯以电话业务为主的模拟系统逐步增加到数据业务的第二代数字系统以至绂展 到至今以增加高速数据业务和图像业务的多媒体通信为主要目标的第三代系统。而且， 当3 g 实验如火如荼的时候，4 g 技术已经问世。a t & t 正在其实验室中研究一种被称为 第四代移动通信的技术，其研究目的是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问i n t e m e t 的速率，下载速率有可能达到5 m b p s 到1 0 m b p s l 2 1 3 1 。 g s m 是当前全球使用最为广泛的移动通信系统。它的主要应用是语音通信。虽然 g s m 系统也有数据通信功能，但是在这方面它有很多缺点，例如数据传输速率只有 9 6 k b s ，每次传输之前都要拨号上网，按在线时间计费，拨号时间过长等。这些都是影 响g s m 系统的数据应用普及的主要原因。 g p r s 网络的出现就是为了克服g s m 网络在数据应用方面的缺点。世纪之交丌启 的通用分组无线业务g p r s ，作为迈向第三代个人多媒体业务的重要罩程碑将使移动通 信与数据网络合二为一。它将i p 业务引入更为广阔的移动市场，同时也将使移动网络 能够提供更多的增值业务。从g s m 网络升级到g p r s 网络也很简单，只需在g s m 网 络上添加一些网络节点设备，原有的g s m 通信设备仍然保留。 g p r s 标准是由e t s i 的一个委员会负责制定。e t s i 制定的标准文件规范可以从其 网站w w w e t s i o r g 下载。g p r s 标准的制定分为两个阶段。第一个阶段已经于2 0 0 0 年第 一季度制定完成，第二阶段则尚在讨论中【4 j 。 江南人学硕i 二学位论文 阶段1 1 ) g p r s 网络和i n t e m e t 进行点对点的数据传输。 2 ) 定义g p r s 网络所需要的各种识别码。 3 ) 当g p r s 网络传输数据时，维护分组安全的特殊算法。 4 ) 根据传输的分组数据量来收费的方式。 5 ) 原g s m 网络上的短消息服务如何在g p r s 网络上实现。 阶段2 1 ) g p r s 网络与i n t e m e t 的连接，可以是点对点传输以及单点对多点传输，这样 i n t e m e t 上的电子邮件即可同时发到多部移动台( m s ) 上。 2 ) 定义g p r s 网络上的语音、视频、多媒体等应用服务的服务质量，即传输速率 与延迟时间等。 3 ) 如何实现国际漫游功能。 由于g s m 网络的语音通信是电路交换方式，而i n t e m e t 上的数据传送是分组交换方 式，所以二者独立运行，并不互相连接，如图l 一1 所示。g s m 网络只与p s t n 连接，在 运营商的服务区域内，都是电路交换。 图1 。1g s m 网络只能进行电路交换 f i g 1 1c i r c u i ts w i t c h i n go f g s m n e t w o r k s 制定g p r s 的标准就是为了改变这种互相独立的状况。g s m 网络升级到g p r s 网 络的方法是，在原有的g s m 网络上，加上g g s n 和s g s n 两种数据交换节点设备。对 于g s m 网络原有的b t s 、b s c 等设备，只需进行软件更新或增加一些接口。因为g g s n 与s g s n 教据交换节点具有处理分组的功能，所以使得g p r s 网络能够和i n t e m e t 网络 互相连接。如图1 2 所示，数据和信令都以分组来传送。当移动用户进行语音通信时， 原有g s m 网络的设备负责电路交换，传送分组时，由g g s n 和s g s n 负责将分组传送 到i n t e m e t 。这样就实现了数据从移动台经过g p r s 网络传送到i n t e m e t 网络上，或者移 动台通过g p r s 网络接收i n t e m e t 网络数据的功能1 5 j 。 4 第一章绪论 图1 2g p r s 网络能同时进行电路交换和分组交换 f i g 1 - 2c i r c u i ts w i t c h i n ga n dp a c k e ts w i t c h i n go fg p r sn e t w o r k s 1 2 4g p r s 优点以及应用领域 g p r s 是一种基于包的无线通讯服务。较高的数据吞吐能力使得可以使用手持设备 和笔记本电脑进行电视会议和多媒体页面以及类似的应用。g p r s 是基于g s m ，并且能 完成现有的一些服务，相对原来g s m 的拨号方式的电路交换数据传送方式，g p r s 是 分组交换技术，具有高速和永远在线的优剧6 】： 1 ) 实时在线：指用户随时与网络保持联系。举个例子，用户访问互联网时，g p i 乏s 无线终端就在无线信道上发送和接收数据，就算没有数据传送，g p r s 无线终端还会一 直与网络保持连接，不但可以由用户侧发起数据传输，还可以从网络侧随时启动p u s h 类业务，不像普通拨号上网那样断线后必须重新拨号才能再次接入互联网。 2 ) 按量计费：对于电路交换模式的g s m 系统，在整个连接期内，用户无论是否传 送数据都将独自占有无线信道。对于分组交换模式的g p r s ，用户只有在发送或接收数 据期间才占用资源。这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源 的利用率。相应于分组交换的技术特点，g p r s 用户的计费以通信的数据流量为主要依 据，体现了“得到多少、支付多少 的原则。没有数据流量传递时，用户即使挂在网上 也是不收费的。 3 ) 快捷登录：g p r s 无线终端一开机就能够附着到g p r s 网络上，即已经与g p r s 网络建立联系，附着的时间一般是3 一一5 秒。每次使用g p r s 数据业务时，需要一个激 活的过程，一般是1 3 秒，激活之后就已经完全接入了互联网。而固定拨号方式接入 互联网需要拨号、验证用户姓名密码、登录服务器等过程，至少需要8 1 0 秒甚至更长 的时间。 4 ) 高速传输：g p r s 采用分组交换技术，数据传输速率最高理论值能达1 7 1 2 k b i t s ， 江雨大学硕：l ：学位论文 此时已经完全可以支持像多媒体图像传输业务这样一些对带宽要求较高的应用业务。但 1 7 1 2 k b i t s 的理论值是在采用c s 一4 编码方式且无线环境良好、信道充足的情况下实现 的。实际数据传输速率要受网络编码方式、终端支持、无线环境等诸多因素影响。目前 g p r s 用户的接入速度还在4 0 k b i t s 左右，在使用数据加速系统后，速率可以提高到 6 0 k b i t s - - 8 0 k b i t s 左右。 通过与其他网络业务相比，g p r s 无线业务的性价优势如表1 1 所示： 表1 - 1 网络业务性能比对表 t a b 1 1n e t w o r k sb u s i n e s sp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n 力案名称通信方式建设运营监控传输速度操作实时性反控 成本成本范围 方式 性 电话线 m o d e m电话线拨号高较低 窄5 6 k b p s 轮寻差差 监控 a d s l 监 控 a d s l 局较高窄 5 1 2 k b p s 轮寻高一般 s m s 方 差、不 式监控 s m s 较低较高较宽1 6 0 字：肖包并行 稳定 差 g s m 拨 号监控 c s d g s m 较低较高较宽 14 4 k b p s 并行 差差 g p r s 在 线监控 g p r s g s m s m s 较低 较低较宽 2 1 4 8 5 6 k b p s 并行高良好 g p r s 无线数据传输系统有很广泛的应用领域，几乎所有低速率的数据传输服务都 可以应用，如工业遥信、遥测、遥控、无人值班机房监控和远程维护( 如移动基站、微 波、光纤中继站等) 、城市配电网自动化系统数据传输、自来水管道、闸门、泵站与水 厂监控、煤气管道、闸门、与加压站监控、供热系统实时监控、水文监控、环境监控、 其他无人值班站点( 如仓库、办公室等) 监控、金融、零售行业、车载移动银行、p o s 机联网、自动柜元机( a t m ) 、公安交通行业、公安移动性数据查询、交通监控与城市 路口交通信息发布、移动车输监控调度系统、公安1 1 0 、交警车输监控调度、银行运钞 车、邮政运输车监控调度、出租车、公交车管理调度。 1 3 新型水文监测系统的优势 新型水文监测系统建成投入运行后，将在防洪减灾中产生巨大的经济和社会效益。 主要优势有： 1 ) 雨量、水位观测全面实现自动观测，长期自记和固态存储，为资料整编计算机 化创造了条件，减轻职工劳动强度，提高了资料整编质量。从根本上解决长期以来水情 拍报与资料整编成果不一致的“两张皮”问题。 2 ) 测验设施设备改造、完善后，提高了测验质量，收集的水文测验数据数据量多 且更加精确、可靠，为水利工程建设和水资源优化配置、水环境保护提供更加可靠的资 6 第一章绪论 料，为地方经济建设服务。 3 ) 报汛手段更加科学、可靠水情信息量有较大增加，传输时间明显缩短，抗干扰 能力提高，信息差错率大幅降低。 4 ) 采用先进的报汛通信手段后，实时水情信息将有明显增加，流域面上的实时雨 水情更加准确及时，并得到快速处理，实现作业预报计算机化。改变了手工作业预报的 落后状态，使作业时间缩短，预报精度提高；预见期增长能为各级防汛指挥部门提供更 加及时、准确、全面、直观的雨水情信息和预报结果，争取抗洪抢险时间，减少人民生 命财产损失，将取得极大的社会和经济效益。 1 4 本文主要工作 本文主要探讨和实现了基于g p r s 通讯的无线远程水文监控检测系统，该系统是软 件和硬件一体化的一个系统。在本课题中，本人主要工作是实现其系统的控制软件部分。 该软件运行在服务器上位机上。软件用什么语言编写，直接关系的软件设计、开发和维 护。这方面本人阅读了大量的文献，参考别人的经验来选取适当的开发语言。控制系统 工作原理如下：在单片机控制下，采集水位信息，然后再由单片机通过a t 指令控制g p r s 引擎，将该水位信息经由g p r s 通讯网络发送给中心服务器：服务器通过v i s u a lb a s i c , 6 0 语言进行网络编程，接收通过g p r s 数据终端上传的水位信息。 本文由六部分组成，第一章介绍了国内外水文监测系统的发展方向和前景，研究了 g p r s 技术的发展、特点以及应用领域，分析了新型水文监测系统的优势；第二章针对 无锡贡湖水域水利系统建设的特殊性，对系统进行了一些前期评估与分析，对系统总体 功能进行了描述；第三章对基于g p r s 网络的新型无线数据传输系统的原理进行了概述， 并详细分析了系统的优点及实现。第四章分析了水位传感器机械构造以及g p r s 核心传 输模块m c 3 5 i 等硬件的工作原理。第五章首先论述了基于g p r s 数据传输的水文监控 检测系统的软件总体结构和需求分析，重点是通过v i s u a lb a s i c 6 0 网络编程解决如何实 现对实时上传的数据进行采集、远程传输、储存和查询并最终通过综合测试，实现了系 统的功能；最后一章，结合本人在系统中的工作情况进行了全文总结，并对系统的可扩 展性进行了展望分析。 7 第一二章无锡贞湖水域舱测系统的分析j 评估 第二章无锡贡湖水域监测系统的分析与评估 水文监测系统的主要任务是测定江河湖库降雨量、水位、流量等水文要素自然变化 情况，它是一项基础和前期工作，是防汛抗旱的耳目和参谋，其质量和精度将直接影响 水情信息的实时性和准确性，影响对防汛抗旱决策的科学性，加强监测点测报基础设施 建设的前期分析与评估，强化水情信息采集、传输的工作，提高水情测报质量成为当务 之急。 2 1 系统建设的必要性 2 1 1 系统建设是防洪减灾的需要 无锡地区地势低洼，北受长江高潮威胁，南受太湖洪水侵袭，西受上游客水压境， 极易发生洪涝灾害。由于流域各地防洪能力普遍提高，加上近几年气候条件的变化，洪 水出现更为频繁，4 米以上水位几乎每年都会出现。据资料统计，自公元11 2 1 年到2 0 0 6 年的8 8 5 年间，无锡境内共有3 7 3 年为洪涝灾年，占总数的4 2 4 。近几十多年来洪涝 灾害发生更为频繁。1 9 9 0 年至今，运河南门水位超过4 o o 米以上的次数由过去每三年 一次发展到现在的几乎年年出现，洪水重现期有明显缩短的趋势。只有依靠建设完善的 水利工程体系，水文预测机制，按照工程防洪、专业防洪和科学防洪的目标要求，通过 周密部署，完善预案，科学预测预报，合理调度水利工程，确保责任制到位等有效手段， 才能成功抗御历年的洪涝灾害，保障国民经济持续稳定发展和人民生命财产的安全。造 成无锡市洪涝灾害的主要降雨类型有如下几种： 1 、梅雨型洪涝( 1 9 3 1 年、1 9 5 4 年、1 9 9 1 年) 梅雨可造成全太湖流域洪涝灾害，引起平原地区河道水位持续上涨且经久不退。这 是造成无锡市洪涝灾害的主要原因。在梅雨范围较大的年份，长江流域往往与太湖流域 同期发生洪水，使得太湖东部地区向长江排水的主要通道受到长江高水位的项托，造成 无锡市持久的高水位。 2 、台风暴雨型洪涝( 1 9 6 2 年) 由台风型暴雨造成洪涝的特点是河道水位上涨速度快、幅度大，一日最大涨幅可达 1 o 1 5 米。台风型暴雨可能对无锡市造成较严重的洪涝灾害。 3 、对流雨型洪灾( 1 9 7 7 年、1 9 9 2 年) 就流域而言对流雨的降水总量不大，一般不会造成河网的持续高水位和严重的洪水 过程。但因局部地区短历时的高雨强，在无锡市建成区内的管渠排水区域，由于管道排 涝能力的限制，也会造成局部低洼区域淹水，持续时间往往不长。 2 1 2 水资源配置和水环境保护的需要 无锡地处水乡，水资源量相对比较丰富，但总水资源量的6 0 以上都是外来水，本 地水资源并不丰富。全市多年平均降雨量1 1 0 0 毫米，全市本地水资源量2 0 8 亿立方米， 人均水资源占有量4 9 8 立方米，耕地亩均水资源量1 0 0 5 立方米，年入境水量7 1 9 亿立 9 江南大学顸? f ：学位论文 方米，年可供水资源总量( 计入境水量) 9 2 7 亿立方米，人均水资源占有量2 0 9 6 立方 米。长江、太湖是无锡市水资源量的主要补给源。随着经济的快速发展、人口的增加和 城市化进程的加快，水污染日益严重，己成为水质型缺水地区，影响水量分配。要做好 水资源优化配置，就必须有完善的测报设施设备，以监测掌握河道来水的质和量两种基 础资料，提供分析结果，为水资源开发、利用、配置和保护服务。所以，该课题建设势 在必行。 2 1 3 地方经济发展的需要 进入二十一世纪，无锡市的经济继续快速增长，预计到2 0 1 0 年将达到1 0 0 0 0 美元 以上。由于工、农业生产的快速发展和人民生活水平的逐步提高，对水的需求也逐年增 长。急需建立一套较先进的测报系统，获得实时准确的水情信息，更好地发挥水文测报 的耳目和参谋作用，为地方经济建设保驾护航，确保工、农业生产可持续发展战略目标 的实现。 2 2 系统建设原则和设计目标 根据国家防汛指挥系统工程项目建议书的要求，系统的建设原则应遵循： ( 1 ) 因地制宜、经济实用的原则，从无锡市的实际出发，并结合各监测站的通信 条件、现有资源和供电状况等具体情况，确定最优设计方案，以最少的工程投资，达到 最佳的效益； ( 2 ) 可靠性原则，保证在恶劣天气条件下能正常运行，确保报汛通信信道畅通； ( 3 ) 为保证系统信息的准确、及时传递，还应遵循实时性和先进性原则； ( 4 ) 为充分利用系统资源，满足各部门的需求，应坚持统一规划、统一标准和开 放性原则。 系统设计目标可归纳为：水文监测设施设备采用水文先进技术，使水位、雨量等观 测设备达到部颁建设标准，实现雨量、水位数据自动采集、长期自记和固态存储，有效 地提高水文信息采集能力，扩大水文资料的收集面。 水文报汛通信设计目标遵照国家防汛指挥系统工程项目建议书提出的“半个小 时之内完成全国水情信息收集任务的要求，科学规划信息流程。应用先进设备，建立 全流域实时水情信息自动采集、自动传输系统。所有报汛站采用两种数传信道，互为备 份，确保报汛站的水情信息在2 0 分钟内准确可靠地传输到贡湖水文信息管理中心的目 标，并传递到市水情中心，能准确、及时地传送到有关部门。在中心实现数据标准化管 理体系，能对所有水情数据进行规范化处理、存储和转发，建立水情数据库，为水情信 息查询服务，提高洪水预报精度，增长预见期，为防汛抗旱提供可靠科学的决策依据。 “ 2 3 系统总体结构与功能要求 2 3 1 系统总体结构 根据水文监控检测系统所承担的任务和国家防汛指挥系统总体设计要求，系统由1 5 个水情监测站( 遥测站) 、1 个水情信息中心兼监测站组成。主要包括水文信息采集系统、 第= 章无锡贞潮水域航w 系统的分析。j 计估 水文报汛通信系统、计算机管理系统三部分。总体结构如图2 - 1 所示。 l 而磊一i i 丽磊磊面j i 磊i f 磊；磊i 赢；一；i 磊 囤2 - 1水土监- , t 检刹系统的总体结构 f i g2 - 1t h es t f l l c t u r c o f t h eh y d m l o g y m o n i t o r i n gs y s t e m 为了获取现场水位的信息，外界需要能够和传感器控制系统交互，通常的做法是将 每一个传感器作为一个服务器，监听外界的各类请求。在这种方式下，需要将每一个传 感器连至i n t e r a e t ，但是，对水文控制系统这种对实时性要求很高的系统来说，是一个 很大的负担，同时也非常不经济。因此，找们采取了另外一种方式，即在监测水域中建 立监测中心站，所有外界对系统的访问都通过它进行，这样只需要将监测中心站连入 i n t e m e t 即可。圈2 1 中，中心站实时监视水域内的所有水文传感器，数据传输系统作为 一个模块内嵌于水文监控检测系统中，通常情况下，数据传输系统不与外界交互，但监 听现场传感器的请求。它与传感器通讯，实时采集水文站的状态信息，这些状态信息包 括丌关闸信号、监测站水位信号、所在流域、水系、地区、所属河流以及其它的一些与 监测站状况密切相关的信息”j i 。 分布在各个监测点中的水文数据传感器通过g p r s 接入i n t e m e t 后，将监测点的各 种状态信息通过g p r s 发送到i n t e r n e t 上，同时接收来自远端主机的命令，进行相应的 操作。当传感器接入i n t e m e t 后可得到由g g s n ( g p r s 网关支持节点) 所分配的私有 i p 地址，另外不同监测点中的传感器所分配的i p 地址是不同的，由此远端主机便可 以区分不同地区的传感器。另外，在传感器未接入i n t e m e t 前是不具备i p 地址的，因此 在与远端主机建立连接之前，需要先由传感采集装胃主动向远端主机发送数据以建立连 9 一 卢0 ，0 未 一，。，l。，。l 9 一 口广(，轧 淼 江雨人学硕：l 学位论文 接与传感器进行通讯。远端主机可以通过不同的方式接入 n t e m e t ，可以通过宽带网， 可以是拨号上网等等，只要远端主机具备一个合法的i p 地址，并经过了相应的授权， 就可以同水位传感器控制系统进行交互。系统软件流程图如图2 2 。 通过无线g p r s 接入i n t e m e t 的方式是非常灵活而方便的，现场无需固定的电话线， 这在一些布线困难的场合尤其适用；另外，g p r s 是按流量计费的，当不传输数据时不 会产生任何费用，这不同于传统的基于时间的电信计费方式，因此当进行间歇性的数据 采集时成本是比较低的。 图2 - 2 软件流程图 f i g 2 2s o f t w a r ef l o wc h a r t 2 3 2 系统功能要求 系统功能的强弱，代表了整个水文监测系统的水平，除了满足防汛指挥的基本需求 外，数据应符合水文资料整编的要求，同时还应有良好的操作界面【9 】【1 0 】。 ( 1 ) 水位数据自动采集、4 m 位f l a s h 存储器固态存储，记录时间大于一年，它 能反复擦写1 0 万次以上。记录数据应能满足水文资料整编的要求。， ( 2 ) 自动拍报功能：按确定的拍报段次，当降雨量的增量、水位的变幅达到加报 标准时，设备自动采集数据并通过无线或有线信道自动生成报文向中心远程传送；随时 接受中心的召测、查询，及时发送有关水情数据。在监测站自报情况下，当主信道中断， 可自动切换到备用通信。 ( 3 ) 俱有现场数据采集和检索、修改系统参数的功能。自带液晶显示屏，可显示 1 2 第二章无锡灭湖水域监测系统的分析o j 评估 逐小时雨量、日雨量、每5 分钟、1 0 分钟、逐时水位，每r8 ：o o 水位等多种类型的数 据。 ( 4 ) 也可远程收发数据与修改系统参数，以便进行资料整编。 ( 5 ) 具有人工置数功能，可现场置入如流量等信息，并通过遥测终端发送出去。 ( 6 ) 具有休眠工作方式，实时检测是否有远程数据通信的要求；可关断模块的供 电，使耗电大大降低。设备功耗低，采用蓄电池组和太阳能电池板或交流电浮充方式可 长期工作。 ( 7 ) 具备超限报警功能和自检功能，设备定时自检，达到预设回报条件时，自动 回报数据及蓄电池电压，防上机器“死机 等，提高工作可靠性。 ( 8 ) 应能在恶劣的天气环境下和无人职守情况下j 下常运行，数据终端可靠性m t b f 1 0 0 0 0 0 小时。 ( 9 ) 系统定时发送时钟同步信号，全系统时钟同步。 ( 1 0 ) 通信畅通率应 9 8 ，系统误码率小于6 1 0 一。 ( 1 1 ) 俱有可靠的防雷措施。 2 4 系统监测范围选择 2 4 1 监测水域的选择 在进行水文分析监测之前，首先要选择合适的太湖水域作为实验区。在综合考虑监 测地形，面积等基本数据和实验条件的情况后，选择了梅梁湖以东、望虞河以西的北太 湖贡湖实验区，如图2 3 所示。 贡湖水域隶属于无锡市滨湖区贡湖堤闸管理所管辖，堤防全