（模式识别与智能系统专业论文）基于iap技术的水情测报终端.pdf

四川大学硕士学位论文 基于i a p 技术的水情测报终端 模式识别与智能系统专业 研究生：宁杰城指导教师：古钟璧 我国的水资源具有南北分布不平衡，四季分布差异大的特点。而且我国的 人口众多，而经济的发展一方面需要消耗水资源，同时也在不断破坏水资源。 因此科学规划、合理利用水资源是十分重要和必须的。 科学的管理和利用首先要获取最基本的水情信息，比如：水位、流量、流 速等基本信息。这些信息很筒单，但是要实时获取整个流域或者整个灌区的水 情信息依靠传统的手工方式难以办到，必须依靠水情测报系统。 但由于受自然环境的限制水情测报终端往往分布在整个流域或灌区，地理 位置差异极大，又多在野外，因此其安装、维护、供电、通信、避雷都比较困 难。对终端进行维护和升级常需要往返于整个灌区或流域。并且正因为水情测 报终端广泛分布在地形复杂的野外，在运行过程中常常出现运行不稳定甚至出 现故障，必须对终端进行调试和维护。因此设计具有远程自动升级功能的水情 测报终端具有重要的意义，它能大大减轻在水情测报系统安装初期的调试、出 现故障时的维护以及软件更新升级时的不便和麻烦。 设计这样一种先进的水情测报系统需要通信网络和m c u 芯片的支持。所 幸的是，随着我国通讯产业的迅猛发展，无论是有线通讯网络还是无线通讯网 络的建设都日益成熟，在一些条件较好的地区完全可以用来传输水情信息，其 可靠性能够得到保障。同时由于芯片技术的更新很快，已有多款m c u 能够支 持在系统编程或在应用编程技术( i s p ，i a p 功能) ，用户利用这一技术，可以不 需要专门的编程器，直接通过网络就可以对系统上的芯片进行调试或者升级。 本文详细介绍了如何利用p s t n 网络和具有i s p i a p 功能的m c u 设计出 四川大学硕士学位论文 具有i a p 功能的水情测报系统。本文的主要内容包括：( 1 ) 概述水情测报系统 的结构体制和功能，详细介绍水情测报系统的通讯方式以及它的三个主要环 节：中心站、中继站、测报终端的功能。( 2 ) 设计水情测报终端的通用功能模块， 对硬件模块使用结构框图做原理分析，软件模块使用流程图做原理分析。( 3 ) 分析i s p 技术的原理和功能实现，其中包括i s p 技术定义、命令与功能以及设 计i s p 功能的硬件和软件的实现。( 4 ) 分析i s p 程序调用b o o tr o m 固件的低层 细节，其中包括读出固件内容的程序设计、分析。( 5 ) 设计水情测报终端的l a p 功能模块，其中包括：硬件连接图、软件流程图、内存规划等。 关键词：水情测报系统水资源i s m a p 技术p s t n 网络 l i 四川大学硕士学位论文 t h et e r m i n a ls t a t i o no fo b s e r v i n ga n d p r e d i c t i n gi nw a t e r r e s o u r c e sb a s e do ni a p t e c h n o l o g y p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m g r a d u a t e ：n i n gj i e c h e n g t u t o r ：g uz h o n g b i t 地w a t e rr e s o t l r c eo fo u rc o u n t r yh a st h ec h a r a c t e r i s t i c st h a t d i s t r i b u t eu n e v e n l yi nt h en o r t ha n ds o u t h ，d i s t r i b u t e dw i d e l y d i f f e r e n t l yi nf o u rs e a s o n s a n do u rc o u n t r yh a sal a r g ep o p u l a t i o n ，a n d o no n eh a n de c o n o m i cd e v e l o p m e n tn e e d st oc o n s u m et h ew a t e r r e s o u r c e d e s t r o yt h ew a t e rr e s o u r c ec o n s t a n t l ya tt h es a i n et i m e s o s c i e n t i f i cp l a n n i n g ，r a t i o n a lu t i l i z a t i o nw a t e rr e s o u r c ea r cv e r y i m p o r t a n ta n dn e c e s s a r y s h o u l do b t a i nt h em o s tb a s i cw a t e rl e v e li n f o r m a t i o nf i r s ti n s c i e n t i f i cm a n a g e m e n ta n du s e f o re x a m p l e ：s u c hb a s i ci n f o r r n a t i o na s w a t e rl e v e l ，f l o w 。v e l o c i t yo ff l o w ，e t c i n f o r m a t i o nt h ev e r ys i m p l e ， i s i to b t a i nw a t e rl e v e li n f o r m a t i o no fw h o l eb a s i no rw h o l ei r r i g a t e d a r e ad e p e n do nt r a d i t i o n a lc r a f tw a yi n e x e c u t a b l ei nr e a lt i m et ow a n t m u s tr e l yo nt h ew a t e rl e v e lt oo b s e r v ea n dp r e d i c tt h es y s t e m r e s t r i c tb yn a t u r a le n v i r o n m e n tw a t e rl e v e lo b s e r v ea n dp r e d l e t t e r m i n a ls t a t i o nd i s t r i b u t ei nw h o l eb a s i no ri r r i g a t e da r e ao f t e n ， g e o g r a p h i c a lp o s i t i o nd i f f e r e n c eg r e a t ，m o r ei nf i e l d ，s oi t i n s t a l l ， m a i n t a i n ，p o w e rs u p p l y ，c o m m u n i c a t i o n , i tt a k e ss h e l t e rf r o mt h e t h u n d e rt ob ed i m c u l t ，m a i n t a i na n du p g r a d et oo f t e nn e e dt ow a v e lt o a n df r ob e t w e e nt h ew h o l ei r r i g m e da r e ao rt h eb a s i nt h et e r m i n a l s t a t i o n b e c a u s ew a t e rl e v e lo b s e r v ea n dp r e d i c tt e r m i n a ls t a t i o n d i s t r i b u t ei nt h ef i e l dw i t hav a r i e dt o p o g r a p h ye x t e n s i v e l yj u s ta tt h e s a r l et i m e i nt h ec o r r s eo fo p e r a t i n go f t e ne a s yt oi si tr u nu n s t a b l et o e v e nb r e a kd o w nt op r e s e n t i si th a v el o n g r a n g et ou p g r a d ew a t e r l e v e lo ff u n c t i o no b s e r v ea n dp r e d i c tt e r m i n a ls t a t i o nh a v ei m p o r t a n t m e a n i n g sa u t o m a t i c a l l y t od e s i g n i tc a nl i g h t e ni nw a t e rl e v e l i l l 四川大学硕士学位论文 o b s e r v i n ga n dp r e d i c t i n gd e b u g g i n go fi n i t i a ls t a g es u c ha ss y s t e m i n s t a l l a t i o n ，b r e a k i n gd o w nm a i n t c n a n c ea n ds o f t w a r ew h e nu p g r a d e u p g r a d i n gi n c o n v e n i e n c ea n dt r o u b l eb r o u g h tw h e ng r e a t l y d e s i g nt h i sa d v a n c e dw a t e rl e v e la n do b s e r v ea n dp r e d i c tt l l e s u p p o r tt h a tt h es y s t e mn e e d st h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dm c u c h i p f o r t u n a t e l yw i t ht h e s w i f ta n dv i o l e n td e v e l o p m e n to ft h e i n d u s t r yo fc o m m u n i c a t i o no fo u rc o u n t r y sn 0m a t t e rc o n s t r u c t i o no f w i r e dc o m m u n i c a t i o no rt h en e t w o r ko fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n c o m m o nu s ei sa l lr i p ed a yb yd a y , c a nb eu s e df o rt r a n s m i t t i n gw a t e r l e v e li n f o r m a t i o ni ns o m ea g a sw i t hb e t t e rc o n d i t i o n i t s d e p e n d a b i l i t yc a nb ee n s u r e dt o o b e c a n s ec h i pt e c h n o l o g yn e w e ra n d v e r yf a s ta tt h es a l l l et i m e h a v em a n ys e c t i o n so fm c uc a ns u p p o r ti n s y s t e mp r o g r a m m i n go ru s ep r o g r a m m i n gt e c h n o l o g ya l r e a d yn o w ( i s p i a pf u n c t i o n ) ，u s e r su t i l i z et h i st e c h n o l o g y , n e e d n tn e e ds p e c i a l p r o g r a m m a b l ed e v i c e ，d e b u go ru p g r a d et ot h ee h i po nt h es y s t e m t h r o u g ht h en e t w o r kd i r e c t l y k e y w o r d ：o b s e r v ea n dp r e d i c tt h es y s t e mi nw a t e ri n f o r m a t i o n ，w a t e r r e s o u r c e s ，i s p i a pt e c h n o l o g i c a l ，p s t nn e t w o r k 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 在水情测报系统诞生以前，人类是依靠人工方式来收集水情信息，这种人 工测报方式一直持续到2 0 世纪7 0 年代，在我国则更久一些。本章将主要讨论 水情自动测报系统的定义、使用意义、国内外应用现状以及现在国内常见水情 测报系统的结构体制、通讯方式、主要环节等。并在此基础上提出本文所要设 计水情测报系统的功能和结构。 1 2 】1 3 】【9 】【l 】 水情自动测报系统是以电子技术、通信网络、先进传感器和微型计算机搭 建硬件平台，依靠水文测量和计算的专门知识为科学依据，对水文信息进行实 时遥测、传送和处理的专用系统。与传统人工测报方式相比较，其优势在于它 依靠电子技术、通信网络、计算机系统等现代先进科技手段搭建的硬件平台， 从而能够： 显著提高了测报的速度 显著提高了测报的精度 扩大了测报系统的测报范围 1 1 我国建立水情测报系统的重要意义删1 m 1 9 1 我国水资源的总量在全世界位居前列。但人均水量仅为世界人均水量的l 4 ，属于贫水国家。同时我国水资源还具有：地区分布不均，水量年内、年 际变化大的特点。 我国南方水资源总量占全国的8 1 ，人口占全国的5 4 7 ，耕地只占全国 的3 5 9 ；北方水资源总量只占全国的1 4 4 ，耕地占全国的5 8 3 ，人口占 全国的4 3 2 。因此南方的水量相对有余，而北方水量却很紧张。 由于我国位于世界著名的东亚季风区，降水和径流的年内分配很不均匀， 年际变化大，少水年和多水年持续出现，这些特点造成水旱灾灾害面积约4 亿 亩，占耕地面积的2 6 ，成灾面积约1 6 亿亩，占耕地面积的1 0 ，平均三年 发生一次较严重的水旱灾害。 并且我国还是一个洪水多发国家。据统计，2 0 世纪5 0 年代至8 0 年代，全 国年均水灾损失约为2 0 0 亿元，重大水灾年份可达4 0 0 亿元( 1 9 9 0 年价格) 。 四川大学硕士学位论文 然而，1 9 9 1 年水灾损失接近了8 0 0 亿，1 9 9 4 年突破1 0 0 0 亿，1 9 9 6 年突破2 0 0 0 亿，1 9 9 8 年达到2 4 8 4 亿，呈现了急速上升的局面。水灾损失占g n p 的比重 高居在l 4 之间，约为美、日等发达国家的1 0 - - 2 0 倍， 7 】因此形式非常严 峻。洪水爆发频繁的主要原因是由于天然植被及天然蓄洪湖泊遭到严重破坏， 同时现有防洪工程又不能抗衡特大暴雨洪峰，所以洪水爆发频繁，而且造成的 损失也十分巨大。但是由于汛情预报手段落后，水情测报信息的传送速度和精 度不能保证，因此而造成的“汛情不明”也是导致灾情加重的重要原因。 由以上资料分析可知，我们必须尽快建立起广泛覆盖的水情测报系统。这 对于合理利用、科学规划江河流域和水库的水资源缓解我国水资源不足具有重 要意义。同时还要承担起防洪抗旱的重大责任，解决防洪预报、防洪调度以及 旱情预报等问题，及早提出抗洪抗旱措施，这对于国民经济的平稳发展具有重 要意义。【l o 】 1 2 国内外水情测报系统应用情况简介 美国和日本是世界上较旱重视水情自动测报技术开发的国家。美国国会早 年就提出过采用非工程性的防洪措施作为防汛方针之一的提案，日本的“河川 法”也早就强调非工程性防洪的作用。2 0 世纪6 0 年代，日本和美国已经开始 水情自动测报技术的研究和开发，其产品在7 0 年代后期逐渐成熟而进人国际 市场。【1 】【1 1 】【1 4 】 最初的产品是分立式电子元器件组装起来的。随着微型计算机和单片机芯 片的出现和发展，以及无线电通信电台质量的提高，使水情自动测报技术有了 较快的发展。1 9 7 6 年美国s m 公司与美国天气局合作研制成的一套水情自动 测报设备是这个时期有代表性的产品。这一类设备曾长期畅销于国际市场。 8 0 年代以来，e h ：f 遥寝g 设备的不断完善( 包括其品种和性能) ，数据传输方 式的多样化及其可靠性的增加( 包括卫星通信等各种通信方式的应用) ，以及微 型计算机技术和预报调度软件的进一步发展，水情遥测和防洪调度自动化技术 在世界范围内得到广泛的应用。美国、日本、意大利等国的产品纷纷进入第三 世界市场。 9 0 年代以后，国际上多家公司推出了功能强、应用范围广的产品，在水 2 羽川大学硕士学位论文 利、水电、气象以及各类要求遥测水文、气象( 包括气温、风向、湿度、水温、 水位、雨量、降雪量等) 参数的专业领域都适时地得以应用。 我国水情自动测报技术的开发研制始于2 0 世纪7 0 年代中期，形成的初期 产品在国内一些水库实地应用。当时受日本应答式体制产品影响较大，1 9 7 7 年中国水利水电科学研究院( 简称水科院) 仪研室研制的应用于怀柔水库和黄石 水库的y c 7 7 水情遥测系统就属于这类产品。我国早期也有过自报式水情测 报装置，但由于设计缺陷较多，误差很大，未能达到实用阶段。 8 0 年代中期开始以较高的起点，较快的速度确立了自己的技术基础，建 成了很多规模不小的水情自动测报系统。1 9 8 3 年正式开发，1 9 8 6 年投入运行， 由中国水利水电科学研究院研制的黄龙滩水情遥测和洪水预报、防洪调度自动 化系统是国产化正规产品的起点。其后，国内同时期先后建成了一些水情自动 测报系统，其中知名度较高的工程包括：拓溪、天桥、鲁布革及黄河- - n 峡至 花园口区间等。 9 0 年代是我国这一专业技术发展最快的时期，一些较大的系统都相继建 成，其中包括赣江、闽江、酉水、澜沧江、红水河及沅江等流域上的万安、水 i z 、凤滩、漫湾、岩滩、天生桥及五强溪等水电厂的较大型水情自动测报工程。 系统发展至今系统功能由最初的单雨量、水位信息传送，发展到今天的可 满足传输水位、雨量、流速、流量、蒸发量、水质、闸门开度、风速、风向、 温度、湿度、气压等多种传感器接1 ：3 技术。通信方式 7 5 1 5 由最初的超短波， 发展到利用短波、超短波、微波、卫星、有线等组网等方式，支持更复杂的组 网模式和自报，应答或兼容的工作方式。系统的稳定性和可靠性有了很大提高， 随着元器件质量的提高和计算机技术的发展，其关键设备遥测终端的质量也大 幅度提高。 1 3 本文研究的意义与内容 虽然水情测报系统的研发已经有了长足的进步，但是由于水情自动测报 系统的遥测站多分布于高山边远地区、交通不便，而且站点分布面广，环境条 件较差。不仅通信传输方式受到限制，而且安装调试以及软件的升级都非常不 方便。为此，如果能设计一种水情测报系统，可以方便地通过网络，解决软件 四川大学硕士学位论文 的调试和升级问题，将具有重要的意义。 随着我国通讯产业的迅猛发展，无论是有线通讯还是通用无线通讯网络的 建设都日益成熟，在一些条件较好的地区完全可以用来传输水情信息。其可靠 性也可以得到保障。同时由于芯片技术的更新很快，已有多款m c u 能够支持 在系统编程或在应用编程技术( i s p i a p 功能) ，用户利用这一技术，可以不需 要专门的编程器，直接通过网络对系统上的芯片进行调试或者升级。正是由于 网络和芯片的发展，使得设计一种能远程自动升级的新型水情测报系统成为可 能。 本文的主要研究内容： 1 实现“基于i a p 的水情自动测报终端”通用功能的设计。在文章的第 三章，先分析了“基于i a p 的水情自动测报终端”所要实现的功能， 然后将这些功能进行细分模块化。对于硬件模块通过设计结构框图做 工作原理分析，软件模块通过设计流程图做工作原理分析。 2 分析i s p 技术的基本原理和功能设计。在文章第四章，先分析了i s p i a p 技术的定义，具有i s p 功能的m c u 内存结构和i s p 命令功能。然后给 出基于i s p 命令的i s p 功能设计。 3 详细讨论i s p 功能实现的低层细节并设计出自己的i s p 子程序。在文章 第五章的前三节，详细分析了有基于i s p 命令功能设计而得到的启发， 设计程序读出b o o tr o m 空间的内容。并对读出的内容做详细分析从 而得到自设计i s p 功能子程序的依据。 4 设计“基于l a p 的水情自动溅报终端”的l a p 功能模块。在文章第五 章的第四节，详细介绍了如何设计水情测报终端的i a p 模块，其中包 括：硬件连接图，内存规划，应用主程序与i s p 程序的关系流程图， 自设计i s p 程序主程序流程图以及主要子程序的设计。 4 四川大学硕士学位论文 第二章水情测报系统的结构与功能分析 在本章将先讨论水情测报系统的结构、通讯方式，然后详细分析一般水情 测报系统的三个关键组成环节：中心站、测报终端、中继站的构成与功能。在 小结中总结了一般水情测报系统的不足。 2 1 水情自动测报系统的结构体制嘲阳1 1 1 小型水情测报系统常采用最基本的水情测报系统结构，这种结构一般至少 应由若干个遥测站和一个中心站组成。由遥测站采集水情数据，然后将数据信 息经通讯网络或其它特殊信道传递给中心站。由中心站完成水情信息的接收、 处理、预报和防洪调度等各项任务。 对于特大的防洪调度网络系统，一般是由多个基本水情测报系统组成，每 个基本水情测报系统分布在不同的区段上，并且在其所在区段内独立运行。这 些区段可以是流域中的一个水电站( 或水库) ，或是一个行政管理单位。在多个 基本系统上设置一个总调度中心，总调度中心站可以是大流域或大行政区域性 的调度中心，甚至可以设置中央一级的调度中心，掌管全国各流域的水情信息。 在这种结构体制中各区段的分中心一般建立了自己的数据文件库。可供总 调度中心调用，也可被其他分中心取用。总调度中心统管各分中心信息资料， 随时调用各分中心信息数据，作宏观防洪调度决策。 在我国现阶段还有很多水情测报系统采用了超短波数据通信方式。在超短 波数据通信系统中，远距离信号传输往往需要中继站转发，因此通信系统中还 需要设置超短波中继站。由于水情测报系统往往分布在地域辽阔、地理地形复 杂的地区，因此必须设置多级地面中继站进行信号接力。 2 2 自动遥测的主要通讯方式 一个基本的水情测报系统由多个遥测终端( 遥测站) 和一个区域中心站组 成。由水情测报终端采集到的水情信息必须通过特定的网络或信道传送到中心 站。选择不同的传输信道或网络就形成了不同的通讯方式。下面介绍我国现阶 段水情测报系统的主要通讯方式。 四川大学硕士学位论文 1 有线通信方式 有线通信方式主要是指利用现有有线载波网络( 如p s t n 网络) 进行水情 信息的传播，但是由于在我国大多数水情自动测报系统多处高山边远地区、交 通不便，而且站点分布面广，环境条件较差。而这些地区大多数有线通信网络 不具备，因此其选择余地非常小，一般只有在少数经济较为发达地区，可以采 用有线通信网络的传输方式。如本文所介绍设计样机就采用了有线通信传输方 式。 2 超短波无线通信方式 无线通信传输主要是利用国家无线电管理委员会划分的专门用于水文工 作频段来进行水情信息的传输。该委员会指定2 3 0 m h z ( v h f 频段) 的某些指定 频点划归水文专用通信频率。由于这个频段的无线电波具有一定的绕射能力和 抗干扰能力，所以比较适合山区远距离水情数据通信。【1 3 】【1 】 3 微波通信方式 我国不少部委及省级部门，目前已与下属所管辖的业务单位建成了微波通 道，例如不少较大的水库和电站开通了微波线路，可利用微波通道向上级部门 传送水情数据信息。 4 卫星通信方式 在我国除早先引进的某些系统外，现在已开发并正式采用 m n a r s a t 卫星系 统和v s a t 卫星系统作为水情自动测报中的卫星通信手段。 5 短波通信 关于在水情自动测报中采用短波通信，原拟作为超短波通信的一种补充， 国内已有开发试用，但由于通信质量和稳定性较差，难以全天候地获得所需通 信效果、尤其当卫星水情数据通信在我国也已成为现实可行的情况下，短波通 信水情测报的发展必将受限。 总之，我国目前水情信息传播主要是采用超短波无线通信方式。但是随着 我国公共通讯事业的迅猛发展，利用这些现有p s t n 、g s m 、g p r s 、c d m a 网络也可以方便的进行水情信息的传播，并且在通讯条件较好的地区已逐渐形 成主流。仞j 如成都平原上的都江堰灌区近年建立的水情测报系统就广泛采用了 p s t n ，g s m 网络作为水情信息传输网络。 四川大学硕士学位论文 2 3 水情测报系统的主要环节 由2 4 节分析的水情测报系统的基本结构可知，在一个最基本的水情测报系 统中，最主要的有两个环节：遥测终端和中心站。如果利用超短波无线通讯方 式则还有一个中继站环节。即使是大型的水情测报系统也是由分布在多个区段 内的基本水情测报系统构成的，因此其主要环节不变。下面分别讨论这三个主 要环节。 2 3 1 水情测报系统的遥测终端 遥测终端是水情自动测报系统中最基础的环节，水情测报的全部原始数据 来自遥测终端。遥测终端应具备测报要求的功能和结构。适于长年野外环境下 全天候运行。遥测终端根据其功能不同，主要分为：“应答式”和“自报式” 两种体制，但现在新开发的遥测终端，往往都融合了两种体制的功能。本文第 三章所设计的样机就体现了这两种体制的融合。下面分别介绍遥测终端的基本 功能和硬件结构： 1 遥测终端的基本功能 ( 1 ) 能从传感器中自动采集水情信号 ( 2 ) 经a d 转换将采集到的电压电流水情信号转换数字信号 ( 3 ) 对输入的数字信号进行处理，包括：滤波去除误差、信道编码和载波调制， 形成适于信道电路传输的数据信息码。 ( 4 ) 按与中心站协定的通信协议将水情数据发送出去。 ( 5 ) 遥测终端一般还应该具有“人工置数”的功能，必要时可将人工设置的多种 水文参数发送给调度中心。对于应答式遥测终端还应具有：响应中心站“召测” 数据和设置参数的功能。 2 遥测终端的硬件结构 遥测终端的硬件部分一般应由以下几个主要部件组成： ( 1 ) 单片机测控系统。完成对水情信号的采集、处理及信息接收和发送等功能。 ( 2 ) 通信机( 包括电台、天线、反馈线) 部分。完成发射功能及接收功能。 ( 3 ) 供电部分。供给单片机及其它组件的用电。 遥测终端功能、硬件组成、软件编程等问题，因不同的类型而不同。本文 四川大学硕士学位论文 将在第三章作详细介绍。 2 3 2 水情测报系统的调度中心 调度中心站是全系统的中枢，遥测水情数据的最终目的是依据遥测水情信 息作水情预报、水情调度和管理等决策。担任这些任务的是水情测报系统的调 度中心。它将由遥测终端所有采集到的水情信息均在此进行最后的存储、处理， 并进而作洪水预报和防洪调度决策。下面分别介绍调度中心的主要功能和结 构。 1 调度中心主要功能 实时数据接收功能 自报式体制下的中心站，一般由前置机和后置构成。其前置机主要完成实 时数据接收任务，具体功能包括：( 1 ) 完成实时接收遥测水文数据，进行解码纠 错、数据合理性检测，对接收的数据加注时间，存入水文数据库等各项数据预 处理。( 2 ) 进行水文数据库操作，实现数据检查、查询、统计、显示和打印功能。 ( 3 ) 一般应具有水文信息报警和提示功能。( 4 ) 实时值守的前置机在收到后台主 机要求送数的指令后向主机传送水文数据供上网接口，进行网上连接，进行数 据交换。( 5 ) 实时数据的监视功能。对其接收或发送的数据及全系统运行状况进 行实时监视。 应答式体制下的前置机与自报式功能大致相同。但它的水情信息取得是由 后台机定时或随机向前置机发布要数指令后，有前置机向后台机提供数据，因 此这种方式又称为水情数据召测。并且在召测基础上可以进行建立巡检群呼功 能。 洪水预报调度功能 中心站的后台主机主要完成预报调度功能，其具体功能包括：( 1 ) 根据水文 模型进行流域的洪水演迸计算，发布水文预报。( 2 ) 提供水利优化调度方案。( 3 ) 建立本水库的历史水文数据库，保存水文数据资料。( 4 ) 后台主机也可以进行水 文数据的报表输出，实现数据检查、查询、统计。 数据共享功能 在建有计算机通信网的情况下，系统的调度中心方面可以给厂内其他监 四川大学硕士学位论文 控系统和管理信息系统及向上级或其他防汛单位的计算机系统提供水情信息 和洪水预报结果；另一方面它也可向这些计算机系统提取所需要的数据信息。 2 中- t l , 站的结构 现行国内水情测报系统绝大多数采用自报式体制。中心站包括前置机和后 台主机两大部分，它们各自完成不同的任务。前置机一般主要完成数据的收集 工作。后台机器从前置机取得数据后，主要完成信息处理与决策调度功能。 目前随着计算机技术特别是计算机网络技术的发展，国内外有的水情自动 测报系统的中心站一般不分前、后台机，仅有台专用监控微机来担任。 水情自动测报系统也由单一系统( 由前鼍机和后台机两个独立部分组成的 调度中心站不与外界联系，独自成为一个封闭单元) 逐步向开放式系统过度。 这种开放式结构既要与其他监控计算机系统和管理信息系统联网进行信息交 换，而且也要与上级或其他相关防汛调度系统进行信息传输、资源共享。 2 3 3 水情澳r l t 系统的中继站 正如2 5 节所介绍的：超短波无线电通信是目前我国绝大多数水情自动测 报系统中通常采用的数据通信手段。而中继站是其通信组网设计中的重要环 节，因此这里对中继站作个简单介绍。中继站功能简单主要是做信号接力。下 面主要介绍中继站选址的问题。l ljl 1 3 j 中继站分布很广，并且地形复杂，其选址必须遵循以下原则：( 1 ) 必须能满 足中继信号的信道指标。( 2 ) 具有一定的覆盖面，尽可能降低中继级数( 一般不 宜超过三级) 。( 3 ) 在满足信道指标要求前提下，尽可能地处交通方便的地方。 2 4 本章小结 正如本章前面所述：现阶段我国的水情测报系统主要采用超短波通信方式。 这种方式在远距离传输时要求在遥测终端和中心站之间建立多个中继站，因此 整个系统的建设投入成本较高。然而由于通用通信网络的建设日益成熟，在我 国已经广泛建立了g s m 、p s t n 、c d m a 网络，在很多地区和流域其覆盖范围 已经能够满足水情测报的需求。利用这些现成的通用通信网络传输水情信息不 需要重新建网，能显著降低系统建设的成本。 9 四川大学硕士学位论文 同时传统的水情测报系统一旦建立，其软件更新和维护将十分困难。而利 用通用通信网络为传输媒介，以具有i s p i a p 功能的m c u 为硬件平台能够设 计出远程自动升级的新型水情测报系统则可以解决这一困难。 正是基于以上两方面原因，本文提出了设计“基于i a p 技术的水情测报系 统”。该系统以p s t n 网络为传输网络，内部具有i a p 功能模块，可以远程自 动升级与维护，具有较大的实用、经济的优势。本文将在后面章节详细讨论其 功能模块的设计。 1 0 四川大学硕士学位论文 第三章基于i p 技术的水情测报终端功能设计 本章根据前一章的分析小结将具体设计一种基于i a p 技术的水情测报系 统。在这一章里将分别讨论它的结构体制、软硬件模块的构成等内容。 3 1 基于l a p 技术的水情测报系统结构及功能概述 基于l a p 技术的水情测报系统由水情遥测终端和中心站系统构成一个最基 本的水情测报系统结构，其结构框图如图3 1 所示。 水情测报终端负责将水位、水量的增减变化等水情信息进行实时采集编 码，定时定量存贮显示。并以数据信息的形式由通信系统传输到中心站。另一 方面允许任何需要水情资料的中心站对终端发送取数据指令进行数据召测或 自动设置终端参数。因此这一系统属于自报式与应答式的综合。 中心站系统软件采用m s s q l s e r v e r 2 0 0 0 作为后台数据库管理软件，前 台数据库采用a c c e s s 、f o x p m 等，应用程序的开发采用了d e l p h i6 0 、v i s u a l c + + 6 0 、m a p i n f op r o f e s s i o n a l 等。 图3 _ 1 ：基于i p 技术的水情测报系统结构图 尽管基于l a p 技术的水情测报系统由水情遥测终端和中心站系统构成，但 本文由于时间限制将只限于详细讨论测报终端的功能设计。根据实际要求，具 体设计过程是围绕以下希望实现的功能进行的。 基于l a p 技术的水情测报终端功能： 定时变幅采集水位数据，自动计算水量，水位、水量数据连续贮存 就地即时显示实时水位、流量、时段过流水量 自报、应答数据传输方式 可查询历史时段水量或过去某一时间至当前水量 四川大学硕士学位论文 可通过p s t n 网络进行远程升级、调试 3 2 基于l a p 技术的水情测报终端的硬件框图与工作原理 基于i a p 技术的水情测报终端由：信号采集、电源管理、通信传输、显示、 键盘控制、时钟、避雷等模块构成。其系统构成框图如3 - 2 所示。 市电 蓄电池 图3 - 2 ：基于l a p 技术的水情测报终端的硬件框图 传感器将采集到的水情信息通过信号避雷器传给a d 转换模块，a d 转换 完成由模拟信号到数字信号的转换后输入给m c u 进行数据处理。通信模块负 责向远方的中心站进行信息发送，也负责接收从中心站传来的信息。终端与中 心站之间的传输网络为p s t n 网络。终端供电有两种方式，即2 2 0 v 市电和6 v 蓄电池供电，其中市电必须通过电源避雷器以防止从市电引入雷电，击毁终端。 电源管理模块主要负责两种供电方式的选择。键盘与显示模块是负责用户进行 设置与观测结果的人机交流模块。时钟模块将为所有传输出的水情信息加时 间，并为显示模块提供当前的时间，以及一切程序中需要时间的地方提供时间 1 2 网川大学硕士学位论文 依据。 下面详细讨论数据采集与通信两个模块的硬件设计与工作原理： 1 数据采集i ”j u ，j 水情测报终端的数据采集部分，采用了压力传感器作为前端的水情信息 ( 如：流量、流速) 的采集器件。采集回来的信号为标准的4 2 0 m a 的电流信号。 然后转换为电压信号送入a d 转换电路，被转换成数字信号后送入到处理器。 传感器所需要的2 4 v 电源电压，由+ s v 电压的经过升压而得到，设计时 采用h e 7 7 m k 2 4 为升压芯片。其输入端为v i n 端，输入电压为+ 5 v ，输出端为 v o u t 端，输出电压为+ 2 4 v 。图中v i n 所接入的v a d 为+ 5 v ，此电压由m a x l 6 5 9 芯片将主电源电压经过稳压调整为+ s v ，然后送给升压电路。所以以m a x l 6 5 9 为核心的构成电压调整电路，能将2 7 v 1 6 5 v 的输入电压调整n + s v 的标准 输出电压。同时该芯片的第2 脚为电压调整的控制端，接处理器的a d o p e n 2 端。当a d o p e n 2 为低电平时将关闭，从而得不到+ 5 v 的v a d 电压作为 h e 7 7 k m 2 4 升压输入电压，所以传感器也得不到+ 2 4 v 的工作电压，于是传感 器关闭，停止数据采集。数据采集及其供电电路的连接框图如下所示。 图3 - 3 ：数据采集及其供电电路 a d 转换电路的核心是转换芯片t l c 2 5 4 3 ，它最多可以接受多达1 2 路的模 四川大学硕士学位论文 拟输入信号，然后转换为数字信号作为处理器的输入信号。本电路只使用了3 个通道，其中a n 0 用于接受传感器来的输入信号，a n l 用于接受经过调整后 的市电检测，以检测是否有市电供给；a n 2 接受经过调整后的蓄电池电源信 号，以检测蓄电池电压是否满足要求，这两者都为电源管理做准备。 2 通信模块 水情测报终端采用异步串行通讯方式与上位机通讯，终端通过r s 2 3 2 串 口与m o d e m 连接，然后通过p s t n 网络传到上位机。 所谓的异步传送方式是指：每一个字符都要用到起始位和结束位作为其传 送开始和结束的标志，是以字符为单位一个一个地发送和接收的。异步传送的 格式是：首先一个起始位表示开始，后面紧跟字符数据，可以是5 、6 、7 或者 8 位，同时在数据中可根据选择奇偶两种校验方式，加上校验位：最后是停止 位，停止位可以是l 位，l 位半或者2 位，其中起始位用逻辑0 表示，结束位 用逻辑1 表示，这样构成一个串行数据帧，然后整个数据帧是一个0 、l 字符 串，异步传送就是将这个0 、1 字符串一位一位逐一发送。 1 水情溟4 报终端的通信电路如图3 - 4 所示。图中的串行通信驱动电路是以 t l l 6 c 5 5 0 芯片为核心来实现的。这个芯片的主要作用是将处理器端的并行数 据转换成串行数据输出，同时也可以将输入的串行数据转换成并行数据输入。 它的d 0 d 7 对应连接到处理器的p o 口，是并行数据口。它的s i 、s o u t 是串 行数据的输入输出口。数据方向是通过w r r d 线来区分的。另外t l l 6 c 5 5 0 还需要外接频率振荡器，图中通过x i n 、x o u t 端外接晶体振荡器来实现。 ， 、 调 制 解 调 器 、l 图3 - 4 ：水情测报终端的通信电路 1 4 四川大学硕士学位论文 3 3 基于l a p 技术的水情测报终端的软件设计 基于i a p 技术的水情测报终端的软件设计包括：应用主程序设计和i a p 主 程序设计两部分，这里只介绍应用主程序及其主要模块的设计。i a p 程序的设 计是本文重点将在后面章节单独讨论。 3 3 1 基于l a p 技术的水情测报终端的应用主程序 主程序即c 语言的m a i n ( ) 函数。在本程序中，先打开各个模块的电源，然 后初始化串口，并从串口接受命令，如果收到进入i a p 模块的命令则跳转到 i a p 模块，如果没有收到则初始化应用主程序的其它模块。 豳3 - 5 主程序流程圈 1 5 叫川大学硕士学位论文 初始化后程序进入一个w h i l e ( 1 ) 循环中，因此m a i n ( ) 函数并无返回值。所有 包含在w h i l e 循环中的任务将反复执行直至掉电为止。由于没有使用嵌入式操 作系统，因此也就没有管理多任务的能力，对于需要单独执行的任务程序使用 中断来完成，如串口通信。其流程图3 - 5 所示。 3 3 2 数据采集模块 数据采集模块主要包含三个独立模块，包括水位采集，市电采集和蓄电池 采集水位采集是水情信息的根本，本水位采集程序包含两个主要任务，其一、 完成对当前水位信息的采集，其二、能对从现在时刻起到将来某个时刻结束的 一段时间内的流量进行统计。 1 6 四川大学硕士学位论文 眄司 l 电池电f 臣 i 网 l 流电电i 曼l 图3 5 。固p 7 数据采簋模块流程图 1 7 四川大学硕士学位论文 市电采集和蓄电池采集是电源管理的关键，当有市电的时候优先使用市电作为 电源。市电通过电路采集来后被a d 电路转换为数字量，程序对该数字量进行 归一处理，然后判断市电电压是否低于7 0 v ，如果低于7 0 v 则此电压不能正 常供电，此时对外显示为无市电，终端转而依靠蓄电池供电。在使用蓄电池供 电的时候最重要的是：如果由于蓄电池长期使用电能耗尽将严重损坏蓄电池。 因此程序的目的显示电压给用户提示，并且在于当电池电压过低的时候关闭终 端，并提醒用户充电，防止电池损坏。 3 3 3 显示模块 显示模块专门负责处理需要显示的各任务，这里只给出了较上层的程序流 程。所有的显示任务必须依靠最低层的显示驱动程序，显示驱动程序是包含了 对特定的液晶显示屏以及它的驱动电路的所有操作。 图3 _ 8 显示模块流程图 由于设计该终端希望其功能全，并且操作简单方便，所以显示界面较为详尽， 四川大学硕士学位论文 整个显示模块的任务比较复杂。我们把整个显示模块以屏为单位被分成 1 5 屏，并分别被编号为：1 4 号，在显示程序中使用c a s c 语句对每一屏 分而治之。显示状态即是当前需要显示的屏编号。当前需要显示的编号由不同 的任务进行改变或依据屏与屏之间的逻辑关系进行改变。 3 3 4 键盘处理模块 本终端的键盘包含5 个键，每个键被分配一个键值。键盘扫描是 依靠定时器任务来完成的。将扫描得到的键值经过去抖动，然后根据5 个 不同的键值执行相应的任务。 图3 呻键盘处理流程图 四川大学硕士学位论文 3 3 5 通信自报处理模块 本终端能处理包含两方面的自报任务：“变幅自报”和“定时自报”。“变 幅自报”是比较一段时间内前后两次采得的水位，如果超过了规定的幅度则发 送自报。而“定时自报”是对前一天的数据在早上8 点和下午1 4 点的时候进 行自动发送。本程序并不直接处理发送任务，而是使用一个发送标志，对该