（模式识别与智能系统专业论文）灌区多参数自动遥测系统的构建与实现.pdf

剐【i 太学硕士学位论文 捕簧 灌蘸多参数自动遥测系统的梅建与实现 模式识剐与智能簸统专业 骈究坐：卫魏霞霉萍：簿帮志 当前，全球都面临水赘源的幂蹭帮管理蜡题，农娩灌医瓣管理是水资源管 理韵个重要组成部分。长期以采，直依靠人工来记录灌醒的各项参数数据， 因此稽关数据耩发不离、管理落蕊，遥袋承浇滚魏严鬟渡簧。器想辫学酌营瑾 和利用水资源酋先就需要快捷并且准确的获鞭灌区水资源信息，因此必颁依靠 蠡动遥测系统。 随着科学技术的不断发展，馓摊各国开始开发并使角灌毯遥测系统来采集 和管理灌区的各项水资源数据。我鞫2 0 世纪7 0 年代中期也开始对灌区遥测系 统避行研究，筹玫缮了一糖礤究成架，形盛魏产鑫寇爨肉一蛰灌医实戆应蕊。 但是，随着灌医管理水早的不断摁商以及对系统功能需求的不断变化，观有系 统逐渐暴露了诸多缺陷。经过实她璃研，发臻基藏豹菇绞存褒以下主要翘踅； 采熊参数单一，葺灌区静理单位需要采集多个不同的参数时，就需要安装多种 不同的采集设镊；系统珂扩展性爿舶通用性不强，随着静理水平的提高，当灌送 管理单位需要鬻蕊薪功能对，藤霄系统不靛透过软彳串拜级的方式满足需要蔼必 须熏新开发硬件平台；纂统软件管理也是她在一个比较混乱的状态，不同的硬 舞设懿、不弱麴硬转叛零酆对应不嬲瓣教转叛零。掇鸯这些潮黻褥丈大蟥麴整 个系统的开发、管理和维护成本。此外，目黼系统的邋信组嘲大都采用种组 网模式，当鄹终出现厨题时，不能进行正常约信息传输，这可能会导致羹大攒 失。闲就设诗一种集成壤离、可靠链离、通精毪强、麓够丽曝采集多个参数的 新型灌区童动避测系统具肖重要的意义。 2 o c 朋川丈学坝卜学位论文摘要 论文首先分析了当前灌区遥测系统存在的问题，在此基础上介绍了灌区多 参数自动遥测系统的总体结构，该系统主要包括上位机和遥测终端系统以及通 信组网三个部分，同时分别介绍了这三部分的方案设计以及如何解决目前存在 的问题：通过采用将适配器与终端系统相分离，之间通过多机通信方式进行数 据采集的方案，实现一个终端系统同时采集多个参数的目标；使用g s m 网络 和p s t n 网络相互形成备份的组网模式，解决采用单一组网模式存在的风险： 构建了基于单片机( m c u ) + f p g a 的遥测终端硬件平台，充分利用f p g a 可随意 编程和升级的特点以解决目前系统存在的集成度低、可靠性以及可扩展性差等 问题。 论文对遥测终端的硬件设计以及软件设计进行了较为详细的讨论，其中 m c u 完成系统的控制和管理功能，f p g a 完成系统的多种接口以及逻辑功能。 论文用v h d l 在f p g a 中实现了采集数据的u a r t 功能、键盘处理功能、逻辑 处理功能等多种集成在f p g a 中的功能；解决了单片机如何访问f p g a 以及二 者之间如何协调工作的问题；用c 5 l 语言编写了遥测终端的各个功能模块程序。 论文还对上位机进行了设计，主要是用户界面的实现以及部分功能的实现，其 中霞点解决了上位机和遥测终端之间的通信问题。 关键词：灌区多参数遥测系统上位机f p g a 朗j i l 大学硕士学位论文 t h ec o n s t r u c t i o na n dr e a l i z a t i o no ft h e m u l t i p a r a m e t e ra u t o m a t i o nt e l e m e t e r i n gs y s t e m f o r t h ei r r i g a t i o na r e a 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 t u t o r ：z h o ux i n z l l i n o wt h ep r o b l e mo fm a n a g i n ga n du s i n gt h ew a t e rr e s o u r c ei sp l a c e du p o nt h e w o r l d ，t h em a n a g e m e n to ft h ea g r i c u l t u r a li r r i g a t i o na r e ai st h ei m p o r t a n tp a r to fi t a l lt h ed a t u mo fi r r i g a t i o na r e aa r cr e g i s t e r e db ym a n u a lw o r k s ot h ed a t u ma r en o t p r e c i s e ，a n dt h em a n a g e m e n tm e t h o di so u to fd a t e ，s ot h ew a t e rr e s o u r c ei sw a s t e d i no r d e rt om a n a g ea n du s et h ew a t e rr e s o u r c es c i e n t i f i c l y , t h ed a t ao ft h ew a t e r r e s o u r c em u s tb eo b t a i n e da ss o o na sp o s s i b l ea n da c c u r a t e l y , t h i sa i mi sn o tr e a l i z e d b ym a n u a lw o r k , j u s td e p e n d e do nt h ea u t o m a t i o nt e l e m e t e r i n gs y s t e m w i mt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , m a n yc o u n t r i e sb e g a nt o d e v e l o pt h ea u t o m a t i o nt e l e m e t e r i n gs y s t e mt oc o l l e c ta n dm a n a g et h er e s o u r c e c h i n ab e g a nt os t u d yt h ea u t o m a t i o nt e l e m e t e r i n gs y s t e mi l l1 9 7 0 s a n do b t a i n e d s o m ea c h i e v e m e n t s ，a n dt h e s ea c h i e v e m e n t sa l s ow e r eu s e dt os o m ei r r i g a t i o na r e a b u tn o wt h et e l e m e t e r i n gs y s t e mh a sm a n y s h o r t a g e s ：t h ep a r a m e t e ri ss i n g l e 。w h e n m o r ep a r a m e t e r sn e e dt ob eo b t a i n e d ，m a n yt e r m i n a le q u i p m e n tm u s tb ei n s t a l l e d ； t h ec a p a b i l i t yo ft h ee x t e n s i o ni ss l o w , w t h e l ln e wr u n i o n sa r ep u tf o r w a r dw i t h 网川大学母! t 学纣论文 t h ei n c r e a s eo ft h em a n a g e m e n t t h es y s t e mc a n ts a t i s f yt h ed e m a n db yu p d a t i n g s o f t w a r e n e wh a r d w a r em u s tb ed e v e l o p e d ；t h es o f h v a r em a n a g e m e n to ft h e s y s t e mi sd i s o r d e r e d ，b e c a u s em a n y v e r s i o n so f t h es o r w a r ee x i s tt oa d a p tt ov a r i o u s h a r d w a r ee q u i p m e n t s a l lt h e s ep r o b l e m sm n ga b o u tt h eh i 曲c o s to f d e v e l o p m e n t 、 m a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c e f u r t h e r m o r e a no n l yk i n d o fm o d eo ft h e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki su s e d ，w h e nt h en e t w o r ki sf a u l t y , t h ef a t a ll o s i n gw i l lb e h a p p e n e d s oi t i si m p o r t a n tt od e v e l o p ean e wm u l t i p a r a m e t e ra u t o m a t i o n t e l e m e t e r i n gs y s t e m i nt h ed i s s e r t a t i o n , t h ep r o b l e mo ft h ec u r r e n tt e l e m e t e r i n gs y s t e mi sa n a l y z e d f i r s t l y , t h e nt h es c h e m eo f an e wm u l t i p a r a m e t e ra u t o m a t i o nt e l e m e t e r i n gs y s t e mi s p u tf o r w a r d ，t h i ss y s t e mi n c l u d e st h r e em a i np a r t so ft h eu p p e rc o m p u t e r 、t h e t e r m i n a la n dt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a tt h es a m et i m e ，h o wt os o l v et h ee x i s t e n t p r o b l e mi si n t r o d u c e d i no r d e rt or e a l i z ec o l l e c t i n gm u l t i p a r a m e t e ro no n et e r m i n a l ， t h es c h e m eo fs e p a r a t i n gt h et e r m i n a la n dt h ea d a p t e ri su s d e d ，t h et w op a r t s c o m m u n i c a t e st h r o u g hm u l t i c o m p u t e rm o d e i nt h ep r o b l e mo f j u s t o n ek i n do f c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , t w ok i n do fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r km o d e sa r ea p p l i e d a n db a c k e du pe a c ho t h e r t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h et e r m i n a li sd e s i g n e da s m c u + f p g a ，t h ed e s i g nm a k e sf u l lu s eo f t h ea d v a n t a g eo f f p g at h a tc a nu p d a t e a n dp r o g r a me a s i l yt or e s o l v et h e s el i m i t a t i o n sj u s ta st h ei n t e g r a t i o ni sl o w , t h e h a n d l ei sc o m p l e x ，t h eu s i n gr a n g ei sn a r r o wa n ds oo n i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo ft h et e r m i n a la r ed e s i g n e d t h em c u c o m p l e t e st h ef u n c t i o n so fm a n a g e m e n ta n dc o n t r o l ，t h ef p g ac o m p l e t e s t h ef u n c t i o n so fm a n yi n t e r f a c e sa n dl o g i c b e c a u s et h eu s a g eo ft h ef p g a ，t h e i n t e g r a t i o no ft h et e r m i n a l ，t h eu s i n gr a n g ea r ei m p r o v e d m a n yf u n c t i o n si nt h e f p g aa r er e a l i z e db yv h d l ，i n c l u d i n gu a r t , m u l t i p r o c e s s o rc o m m u n i c a t i o n , k e y b o a r da n ds oo n t h ep r o b l e mt h a th o wt h em c ua c c e s st h ef p g aa n dw o r k t o g e t h e rw i t ht h ef p g ai nl i n ei ss o i v e d t h es o f t w a r eo fa l lt h em o d u l eo ft h e t e r m i n a li sr e a l i z e db yc 5 1 ，t h ec o m m u n i c a t i o np r o b l e mb e t w e e nt h et e r m i n a la n d t h eu p p e rc o m p u t e ra n dt h ep r o b l e mo fd e a l i n gw i t ht h ed a t af r o mt h ed i f f e r e n t 婴! ! ! 盔兰堕! 兰堡丝苎 ! 生! ：! ! ! s e n s o r sa r es o l v e d t h eu s e rc o n t r o l l i n gi n t e r f a c eo ft h eu p p e rc o m p u t e ri sa l s o d e s i g n e d k e yw o r d s ：i r r i g a t i o na r e a , m u l t i p a r a m e t e r , t e l e m e t e r i n gs y s t e m ，u p p e rc o m p u t e r , f p g a v 网川大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 水足生命之源，是人类生活和生产活动中不可缺少的重要资源。随着世界 经济的飞速发展，对水的需求达到了| ； 所未有的程度，而世界上可以利用的水 资源却很有限。据估计，目前全球有4 3 个国家和地区缺水，加上使用不合理， 大量废水、污水排入水体，使许多淡水资源失去了使用价值，加剧了缺水矛盾。 世界各国在社会经济发展中都面临着缺水的问题“1 。我国是一个水资源十分贫 乏的国家，水资源存储量居世界第八位。虽然我国水资源总量较大，但是人均 水资源占有量排在世界的第1 0 9 位。1 ，属于贫水国家之列，特别足我国的水资 源分布时空不均，丰枯交替，已严重制约我国的社会经济发展。面对上述问题， 如何合理利用、管理和开发水利资源就成为关系到国民经济可持续发展的重要 问题。 农业灌区的管理是水资源管理的一个重要部分。长期以来，灌区管理大量 资料和信息仍然以传统的手工作业为主，既无法实现对各类资料信息的有效管 理、维护，也无法做到信息共享。这不仅影响到灌区管理水平的提高，而且各 主管部门也难以作到及时、准确和全面了解掌握灌区及行业发展的状况及变化 趋势。随着信息技术的迅猛发展，如何抓住数字化、网络化与信息化建设带来 的发展机遇，加快大型灌区信息化建设，加强大型灌区及行业管理能力建设、 提高管理水平，向管理要效益已成为当前及今后灌区管理的一项十分重要和紧 迫的任务“”1 。 灌区自动遥测系统正是在这样的背景条件下应运而生，是灌区信息化建设 的重要内容。灌区自动遥测系统就是充分利用现代信息技术，深入开发和广泛 利用灌区管理的信息资源，包括信息的采集、传输、存储和处理等，大大提高 信息采集和加工的准确性以及传输的时效性，做出及时、准确的反馈和预测， 为灌区管理部门提供科学的决策依据，提升灌区管理的效能，促进灌区管理工 四川丈学硕 。学位论文 第一章绪论 作的健康发展。灌区自动遥测系统建设是灌区今后建设和发展的重要内容。部 分灌区信息化建设的实践表明，自动遥测系统的建设在促进灌区资源合理利用 方面起到积极的推动作用洲”。 1 2 遥测系统的发展状况 灌区遥测系统是一个综合了网络技术、数据库技术、通信技术、数据采集 技术和信息处理技术的集成系统。 世界各国，特别是发达国家，早在2 0 世纪6 0 年代，就已经开始对灌区遥测 系统进行研究和开发，其产品在7 0 年代后期逐渐成熟并进入国际f 1 亍场，1 9 7 6 年 美国s m 公司与荚国天气局合作研制成的套灌区遥测系统足这个时期有代表 性的产品，这一设备曾长期畅销于国际市场。川咖1 。发达国家都非常注重将高新 技术弓传统的农业技术相结合，以提高节水技术及产品的高科技含鼍，并从传 统的单一重视节水技术逐步转到重视灌溉用水管理在节水农业中的巨大作用， 满足对灌溉系统管理的灵活、准确、快捷的要求o m ”，并且农业节水技术也日 益走向精准化和可控化。从整体上看，发达国家灌区水管理同趋朝着信息化、 高效化发展。这种先进的灌区水管理流程为信息采集一分析加工一指导实践 一信息反馈”，即主要由灌区信息管理中心、灌区信息采集传输系统、灌区数 据库，灌区管理系统灌溉渠系自动化监控系统等组成。发达国家，如美国、 加拿大、澳大利亚、日本、以色列等在灌区管理领域大量采用计算机技术调控 渠系输水与配水，普遍把计算机技术、自动控制技术、信息技术、系统工程技 术、地理信息系统等应用于灌区管理，实现集信息采集一处理一决策一信息反 馈一监控为一体的调度系统，以实现灌区资源的合理配置和灌溉系统的优化调 度，其水资源利用率达到7 0 一8 0 ，已建成世界一流的现代化农业“i i 【i ”。同时， 对现有灌溉系统投入适量资金进行信息化建设，也是实现适时、适量地计划用 水、提高灌溉水利用效率和节约农业用水的最基本途径n m n ”。 我国灌区遥测系统的开发始于2 0 世纪7 0 年代中期，一些高校和科研单位 开始了研究和试点，并取得了一批研究成果，形成的初期产品在国内一些灌区 硼川大学硕十学位论文 第一帝绪论 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 究院研制的应用于怀柔水库和黄石水库的y c 7 7 遥测系统就属于这类产品。我 国早期也有过自报式遥测装置，但由于设计缺陷较多，误差很大，未能达到预 期目标m ”。 2 0 世纪9 0 年代以来，我国多家单位先后开发建设了多个灌区系统，如：四 川万江信息系统有限公司开发的都江堰灌区自动遥测系统，上海巨澜计算机网 络系统有限公司开发的巨澜灌区监测系统，国家水利部江河公司设计的查哈阳 灌区检测系统等，这些系统的开发是现代信息技术用于灌区水资源管理的成功 尝试，为灌区水资源管理积累了宝贵经验“”“”“”。 1 3 本文研究的意义与内容 虽然灌区遥测系统的发展已经有了长足的进步，并且已经有一些产品实际 应用于灌区管理，但是目前的系统采集参数单一，当灌区管理单位需要采集多 个不同的参数时，就需要安装多种不同的采集设备；另外，目前的系统可扩展 性和通用性不强，当随着管理水平的提高，灌区管理单位需要增加新功能时， 原有系统不能通过软件升级的方式满足需要而必须重新开发硬件平台；目前的 系统软件管理也是处在一个比较混乱的状态，不同的硬件设备、不同的硬件版 本都对应不同的软件版本。所有这些问题将大大增加整个系统的开发、管理和 维护成本。如果能够歼发出一种可同时采集多个灌区参数，当出现新的功能需 求时可以通过升级软件解决，并且同一个软件版本可以应用于多个不同的设备 的话，将从根本上解决目前灌区管理存在的问题。本文将针对这些问题展开如 下的研究工作： 1 提出一种灌区多参数自动遥测系统的总体设计方案。在论文的第二章首 先对目前的灌区遥测系统进行了分析，在此基础上提出系统的总体结构 设计以及遥测终端结构设计、上位机结构设计和通信组网设计： 2 构建并实现了基于m c u + f p g a 结构的遥测终端硬件平台，并对硬件平 台的各个功能模块进行相应的软件设计。在论文的第三章，详细讨论了 l q 川大学碗 学位论文 第一章绪论 各个模块的具体硬件电路设计和软件设计过程，并给出了主要模块的原 理图和部分源代码，最后对如何提高终端系统的可靠性和口丁扩展性进行 了阐述； 3 对基于f p g a 的各个功能模块进行详细设计。f p g a 的应用增加了系统 的集成度以及可扩展性，使得系统升级变得及其方便。在论文的第三章， 对f p g a 的配置方式、寄存器定义、如何实现与单片机的协调工作以及 u a r t 等功能进行了详细讨论； 4 构建了上位机软件平台，实现了上位机与终端的通信、上位机用户界面， 并对上位机数据库进行了设计。在论文的第四章，首先对用户主控界面 和一些主要的窗口界面进行设计，接下来重点介绍了上位机和终端的通 信实现过程，最后对系统的数据库进行设计。 4 p q 川大学烦 学位论文 第二章系统总体结构设计 2 1 系统分析 第二章系统总体结构设计 灌区遥测系统是灌区管理部门实现管理现代化、决策科学化的一个重要过 程。其核心是数据的采集处理和信息发布，通过将灌区数据采集并处理后发布 给相关部门，为各部门在实施管理和调度提供有力的决策依据和参考，最终达 到充分合理的利用现有水资源的目的油“】。 对于灌区遥测系统，从一般的意义上来说，要实现从数据采集处理到信息 发布处理的全过程的自动化，主要包括以下几个方面： 1 数据采集自动化：即应该能够通过一定的机制，使得灌区管理部门需要的 各项数据能够自动的采集并按照一定的方式存贮。 2 数据处理自动化：采集到的数据应该能够根据事先设定的规则由系统自 动的转化为需要的形式并保存起来。 3 控制自动化：通过对采集数据的处理，在检测到有事故发生时，能够自动 的通过一定的方式自动进行紧急处理。如水位超过警戒水位时，系统就应该报 告。 根据以上分析和灌区管理单位的需求，将灌区遥测系统分为数据采集、数 据管理和数据通信三个部分。数据采集功能主要完成对水情、工况、墒情、旱 情、水文地质、土地、种植、气象等信息的采集和报送，为灌区的水资源合理 配置、监控调度，提供准确及时、可靠的基础信息数据；数据管理功能是以综 合数据库为支撑，根据上述信息数据源作为分析的基础，通过建立系统模型如 来水预报模型、可供水预报模型、需水预报模型、水量调配模拟模型等，通过 计算机软件系统进行分析，做出相应的管理决策；数据通信功能用来完成上述 两个部分之间的信息交互，支撑整个系统运行伽汹瑚】。 一般来说，数据采集功能由遥测终端来完成，数据管理功能由上位机来完 成，数据通信功能由通信网络来完成。 阴川人学硕t 学位论文 第二章 系统总体结构设计 目前的灌区遥测系统虽然一定程度上满足了当前需要，但是部存在一些问 题，具体表现在： 1 对于遥测终端系统来说，目前我国灌区遥测系统的遥测终端对于数据采 集的设计方式上要有两种： 直接将传感器输出的模拟信号接到终端系统，经过终端系统上的a d 转换器进行a d 转换，再将数据交给微处理器“5 ”“。这种处理方式的缺陷有： 由于不同传感器输出的信号不同导致一款终端系统只能适应一种传感器，因此 采集参数单一，当需要采集另外一种灌区参数时，需要重新设计终端系统以适 应新的传感器接口，如果灌区需要同时采集多个参数时，则就需要多个终端系 统来完成，这将导致工作量的大幅提高以及成本的极大增加；另外，直接将传 感器的模拟信号输出接到终端系统，由于模拟接口信号线较多，这给现场布线 带来困难，并且由于模拟信号极易受到外界干扰，传到终端系统的数据的差错 率也将增加，从而导致数据的可信度下降；由于模拟信号容易受到干扰，终端 系统就必须靠近传感器进行安装，这样终端系统也不能很好的进行保护，其工 作的可靠性也受到影响。 将传感器的输出信号进行a d 转换，再通过r s 2 3 2 接口电平传到终端系 统4 1 。这种方式虽然解决了直接将传感器的模拟信号接到终端系统存在的种种 问题，但是由于r s 2 3 2 是单端传输信号，信号同样容易受到外界环境( 如雷电 带来的共模干扰) 的影响而产生变化，并且当r s 2 3 2 连接的两端设备不共地或 接地不良的话，由于两端的地电位不一致，甚至可能导致设备的永久损坏。 目前对终端系统的处理普遍采用单纯的微处理器系统，其外围采用分离元 器件来完成一些逻辑功能n ”，并且很少考虑到系统的扩展性以及通用性，这种 方式的缺陷有：当需要扩展新功能时易受微处理器的接口资源限制，所以经常 出现当用户有某些新的需求时，不能通过升级软件来解决而必须重新进行硬件 改版；由于不在系统上设置一些基本的硬件信息，如设备类型，硬件版本等信 息，导致对设备的管理成本增加以及维护的难度增加。 2 对于通信网络来说，遥测终端采集到的数据必须通过特定的网络或信道 明j i l 大学硕卜学位论文 第二章系统总体结构设计 波网络( 如p s t n 网络) 进行数据的传输，但是由于在我国大多数灌区遥测系 统位于高山边远地区、交通不便，而且站点分布面广，环境条件较差，并且这 些地区的有线通信网络不完善，因此其选择余地小；超短波无线通信方式：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文信息 的传输；微波通信方式：我国不少部委及省级部门，目静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数据信息；卫星通信方式；我国除早先引进的某些系 统外，现在已开发并正式采用i n m a r s a t 卫星系统和v s a t 卫星系统作为灌区遥 测系统中的卫星通信手段；短波通信：关于在灌区遥测系统中采用短波通信， 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，短波通信的发展必将受限。这些通信方式部有其优缺点，随着我国公 共通讯事业的迅猛发展，利用现有的p s t n 、g s m 、g p r s 、c d m a 等网络也 可方便的进行信息数据的的传输，象g s m 网络的覆盖率已经非常高，并且在 通讯条件较好的地区已逐渐形成主流。例如成都平原上的都江堰灌区近年建立 的系统就广泛采用了g s m 网络作为信息传输网络。但是这些系统大都只采用 某一种通信方式来进行组网，因此存在缺陷：只采用一种通信方式组网，当某 些外界原因造成所采用的网络出现故障时，必将导致终端和上位机不能正常通 信，一些重要的数据不能及时的进行交互，从而影响系统正常工作，尤其当有 重要灌区参数变化丽不能及时上传时，可能引起重大生命财产损失啪“矧汹1 。 3 对于上位机来说，其主要功能时对整个灌区的信息数据进行分析和管理， 因此其应该包含强大的数据处理功能，另外上位机也要对遥测终端进行一些参 数配置“1 。目前的遥测终端系统上位机大都实现了这些功能，但是在人机接口 界面上存在用户界面不友好，操作不简练等问题。 2 2 系统总体结构 针对目前灌区遥测系统存在的种种问题，根据灌区管理部门对灌区遥测系 统的要求，本文设计了一种多参数灌区自动遥测系统，系统的总体结构如图2 1 四川大学硕卜学付论丈 第二章系统总体结构设计 所示。 ! 灌匦现场传粤器! 图2 t 系统总体结构框图 本系统组网结构为星形拓扑结构，星形中心即为上位机，若干遥测终端作 为其星形辐射点。其中上位机位于灌区管理部门，各遥测终端分布于渠道、田 问及灌区各配水站内。其数据流向分为数据上行和数据下行，上行数据壁丈， 主要是各传感器采集的数据，其流程为：灌区现场的各种传感器采集到数据， 通过r s 一4 8 5 总线将数据送到遥测终端，经过遥测终端对数据处理后，通过 r s 一2 3 2 接口传到m o d e m ( g s m或 ，由再modemp s t nm o d e m )m o d e m 经g s m 网( 或p s t n ) 传输到上位机，上位机再对数据进行处理，存储，并且 产生灌区水资源管理的决策信息。下行数据量小，主要是上位机对终端的控制 和参数配置信息，其流程与上行数据流程相反。 8 2 3 遥测终端结构 基于2 1 节对系统分析的基础上，我们设计了如图2 2 所示的灌区多参数自 动遥测终端系统。由图可以看出，多参数自动遥测终端系统可以分为几个模块： 控制单元模块、传感器模块( 包括适配器) 、通信模块、存储模块、液晶显示 模块、键盘处理模块、电源模块以及实时时钟模块等，各个模块的功能将在后 面的章节中进行详细阐述。 图2 2 遥测终端系统框图 9 网川丈学琐 - 学位论文 第一：聋系统总体结掏堤计 在该系统中，为了满足同一个遥测终端可采集多个参数的目的，因此不直 接将传感器的模拟输出接到终端系统，而是针对每个不同的传感器设计一个相 应的适配器，每种不同的适配器都有一个固定的地址编码。该适配器的功能就 是将传感器的模拟输出进行a d 转换，将转换后的数字信号以串行方式传到终 端系统，串行传输方式采用抗干扰能力强的r s 4 8 5 总线。当系统需要采集多个 灌区参数时，直接将各个适配器的串行输出并接在r s 4 8 5 总线上。系统采用多 机通信的方式进行通信，终端系统根据各个适配器的地址编码来识别不同的灌 区现场传感器数据类型。这样就解决了系统采集参数单一，数据传输不可靠的 问题。 在该系统中。为了解决目前终端系统扩展性差以及通用性差的问题，采用 了单片机与f p g a 相结合的遥测终端系统结构。充分利用f p g a 丰富的内部资 源，以减少系统分离元器件的个数及p c b 的面积。同时，利用f p g a 具有静态可 重复编程或在线动态升级特性汹7 ，使硬件的功能可象软件一样通过编程来修 改，使设计修改和产品升级变得十分方便。另外，由于f p g a 的存在，在f p g a 里面设置硬件版本，产品信息等基础信息，有了这些信息后，软件只需在刚启 动时读取硬件基础信息，然后调用与该基础信息相应的软件分支，从而可以做 到对于不同的设备可以使用同一个软件，这将有效解决目前系统存在的软件版 本繁多、维护成本高以及维护困难等问题”“ 2 4 通信组网设计 针对目前系统组网存在的问题，本系统设计中，采用双信道热备份的组网 方式。其中以g s m 为主信道，以p s t n 为备用信道。 当前，g s m 网络覆盖率非常岛，其传输可靠性也很高嘲，并且由于上位机 和遥测终端传输的数据量并不大，因此选择g s m 网络通过短消息的方式来传 输信息数据，并把该方式作为系统通信的首选方式，当g s m 网络出现故障时， 系统自动切换到p s t n 网络进行信息传输，p s t n 网络作为系统通信的备用信 道。 州川大学颂卜学位论丈第二章系统总体结构设计 由于系统选用了两种通信方式进行备份工作，就存在两种方式如何协调工 作的问题。上位机通过p c 机的两个串口分别接g s mm o d e m 机和 p s t nm o d e m 机；如图2 2 所示，遥测终端也引出了两个r s 2 3 2 接口，其中 一个接g s m _ m o d e m 机，另外一个接p s t nm o d e m 机，当遥测终端需要调 试或程序升级时，接p s t nm o d e m 机的r s 2 3 2 接口也可以用来调试和升级用。 遥测系统工作时，上位机和遥测终端会定期发网络诊断信息，以确认g s m 网 络是否正常，当上位机或遥测终端向对方发送信息后没有收到对方的应答时， 就认为g s m 网络出现故障，这时就自动将通信网络切换到p s t n 网络进行通 信，同时，系统也会定时的切换到g s m 网络进行诊断，如果正常的话，又将 通信网络切换到g s m 网络。 2 5 上位机结构 上位机由p c 主机和m o d e m 构成，主要功能是对遥测终端传过来的数据 进行实时分析并和历史数据进行比较以得出目前灌区各种参数的情况，从而根 据需要进行相应的管理和控制；上位机也可以设置遥测终端的工作参数或向终 端发送命令，设置好后通过p c 主机的串行接口将数据传给m o d e m ，再由 m o d e m 将数据进行转换，通过g s m 网络或p s t n 传给终端m 。 另外，上位机也为用户提供美观大方且容易操作的用户界面，以方便用户 进行终端控制参数的设置以及对灌区的当前参数和历史数据进行浏览。 基于这些考虑，我们对上位机进行了如下方案设计： 用户界面软件和数据库设计采用c l i e n t s e r v e r 模式，用户界面程序实现 用户的各种操作和各种后台处理，数据库系统实现数据的存储和读写服务。如 图2 3 所示。 四j 1 1 人学 碘 学位论文第二章系统总体结掏设汁 图2 3 软件功能结构图 客户端提供用户操作界面( 如灌区各个点目录树形图、通信信息窗口、数 据处理信息窗口等) ，供用户实现各种操作。 数据库服务器提供数据存取服务，它通过a d o 接口与客户端相连。 物理实现上客户端和数据库服务器二者可以根据用户的组网规模选择在单机或 多机上实现，客户端通过局域网与数据库服务器相连。 整个上位机系统的数据流程如图2 4 所示 函数调用 j 函数调用l 匣 调用通信函数l 数据模块( 删) 通信模块 查询设置li 操作ll 返回 操作 li 响应li 信息 通用多参数遥测终端 数 据 库 服 务 器 四川大学硕十学位论文 第一二章系统总体结构设计 2 6 本章小结 本章对目前的灌区遥测系统进行了分析，并指出存在的问题，针对这些问 题，提出了一种新型的多参数灌区自动遥测系统，采用上位机和遥测终端以及 通信网络共同构建的系统结构。并且详细介绍了遥测终端，通信组网和上位机 的总体设计，针对目前系统存在的问题提出了相应的解决方案。遥测终端采用 单片机与f p g a 相结合的系统结构以解决目前终端系统存在的采集参数单一、 可靠性低、通用性差以及可扩展能力差的问题；通信组网采用g s m 网络和p s t n 网络互为备份的方式解决采用单一网络存在的风险；上位机主要包括用户界面 和数据库部分，用户界面软件和数据库设计采用c l i e n t s e r v e r 模式，用户界面 程序实现用户的各种操作和各种后台处理，数据库系统实现数据的存储和读写 服务。 邪川大学硕卜学位论空 第：章遥测终端系统实现 第三章遥测终端系统实现 遥测终端系统足灌区多参数自动遥测系统的一个重要组成部分，负责整个 灌区现场的数据采集，完成对灌区基本数据量化指标的数字化，为灌区自动化 规范管理提供根本的决策依据。同时，利用遥测终端所收集的灌区各监测点土 壤墒情、渠道水位、流量等数据，通过数据网络，传到灌区管理中心的p c 机 上，进行系统分析处理。实现灌区需水量预报、灌溉时间预测、以及各用水单 位购供水任务分配计划规划等等“。因此遥测终端所采集数据的正确性以及 工作的可靠性将关系到整个灌区管理系统的正常运行，如果上位机得到的数据 不可靠，将造成整个灌区管理及决策的不可靠。另外现有遥测终端存在通用性 不强、可扩展性差的问题也在设计中仔细考虑。 遥测终端系统的实物图如图3 1 所示。 图3 1 遥测终端实物图 遥测终端系统的原理图如图3 2 所示 1 4 婴型叁兰竺兰兰竺丝苎苎兰皇垩型竺型墨竺壅墨 图3 2 遥测终端系统原理图 -rl，r lrlrf i 硼川夫学硕i 。学位论文 第三章遥测终端蒹镜实现 下面就具体介绍遥测终端系统的硬件平台实现及其相关软件的实现过程。 3 1 单片机及其外围模块 单片机选择要尽可能满足系统集成的要求，系统中的外围电路尽量在单片 机中解决。减少系统中分离电子元器件个数，有利于减少由元器件本身失效产 生的失误概率。w i n b o n d 公司的w 7 8 l e 5 1 6 足带i s p 功能的低功耗8 位f l a s h 微 处理器，w 7 8 l e 5 1 6 具有以下特性：6 4 k 字节的f l a s he p r o m ，用来存储应用程 序；4 k 字节的辅助r o m ，用来存储装载程序；5 1 2 字节的片内暂存r a m , 6 4 k b 程序存储器地址空间和6 4 k b 数据存储器地址空间；4 个8 位双向i o 口；一个 4 位多功能町编程口；3 个1 6 位定时计数器；一个全双工串行口( u a r t ) ：8 个中断源，2 级中断能力汹1 。基于以上特点，我们选用w 7 8 l e 5 1 6 来作为遥测终 端系统的中央处理单元。下面具体介绍单片机及其外围模块设计。 3 1 1 复位电路 系统在启动运行时都需要复位，以使中央处理器( c p u ) 处于一个确定的初 始状态。通常单片机复位操作有上电复位、手动复位和运行监视复位。上电复 位是单片机上电时的复位操作，保证单片机上电后进入规定的复位状态。手动 复位是在单片机正常供电情况下，在复位端加上一高电平而产生的复位。系统 运行监视复位是系统出现非正常情况下的复位，通常有电源监控复位和程序运 行监控复位。电源监控复位是在电源下降到一定电乎状态或电源未达到额定电 平要求时的系统复位；程序运行监视复位是程序运行失常时的系统复位。在本 系统的电路设计中考虑到了所有的复位功能，电路原理图如图3 3 所示。 1 6 明j t l 大学硕p 学位论文第三童遥蒯终端系统实现 图3 3 系统复位电路 本设计选用常用的看门狗复位芯片p t 7 m 7 8 2 3 s t ，该芯片上电后其l 脚会自 动输出高电平复位信号，持续时间约2 0 0 m s ，该长度的复位电平保证对单片机 可靠复位。该芯片的3 脚通过连接外部按键实现手动复位，当按键合上时，i 脚会输出高电平，对单片机复位，当按键断开时，1 脚又会自动输出低电平。 另外，该芯片也可实现看门狗的功能，其内部有一个定时器电路，喂狗输入信 号为4 脚w d i ，该信号必须交替变化，即0 一l 交替变化以达到喂狗的目的，否 则看门狗就会起作用而输出复位信号。单片机正常工作的时候，每隔一段时间 ( 小于1 6 s ) 由单片机的p 1 5 引脚输出一个信号到w d i ，给看门狗内部的定时 器清零，如果超过规定的时间( 该时间为i 6 s 左右) 不喂狗，看门狗定时超时， 就回给出一个复位信号到单片机，使单片机复位，以防止单片机死机。当程序 出现异常或者由于外界干扰导致系统出现异常而不能正常工作时，看门狗就会 起作用，从而提高系统的可靠性。另外，该芯片还带有对电源的欠压检测，当 供电电压低于2 9 6 v 时，也会自动输出复位信号”1 。 3 1 2 时钟电路 该终端系统中共使用了3 个不同的时钟源，分别是单片机w 7 8 l e s l 6 时钟输 _ir，l-ri i p q 川人学硕 学位论文第二节遥冽终端系统实现 入x l 、实时时钟p c f 8 5 6 3 的时钟输入源x 2 以及f p g a 时钟源输入x 3 ，其电路原 理图如图3 4 所示。其中，x 1 为1 1 0 5 9 2 6 m h z 的晶体，x 2 为3 2 7 6 8 k h z 的晶体， x 3 为1 1 0 5 9 2 6 m h z 的晶振。 禽，宜谶p 留 ( c ) 图3 4 时钟电路 图3 4 ( a ) 为w 7 8 l e 5 1 6 外部谐振电路连接。其片内振荡器与外部谐振电路 构成了一个并联谐振的时钟振荡电路。外部谐振电路并行连接石英晶体或陶瓷 谐振器和负载电容。w 7 8 l e 5 1 6 晶振频率最高可达4 0 船h ，考虑到单片机与中心 站之间的串口通信波特率，我们选用晶振频率为u 0 5 9 2 6 e t z 的晶振，负载电 容