（通信与信息系统专业论文）嵌入式水情测报系统的网络通信技术研究.pdf

摘要 随着网络通信技术和计算机技术的飞速发展，水情测报系统的数据传输网络化已提上 日程。而把水情测报仪直接接入网络实时传输水情信息是一种发展趋势。为此，笔者根据 水利部水利科技重点项目“灌区微机网络测量与控制系统研究”，结合河北省涿鹿县的实 际情况进行嵌入式水情测报系统网络通信技术研究。实现了水情测报仪通过拨号方式远程 接入网络进行数据传输，这样就可以在河北省涿鹿县水务局通过浏览网页的方式实时查看 水情信息。 嵌入式水情测报仪的软件系统中采用实时操作系统g c o s - i i ，并采用把网络协议扩展 到水情测报仪中的方式实现网络通信。根据嵌入式系统资源有限的具体情况，采用适合小 型系统的t c p i p 协议栈一一l w l p 协议栈。在各层协议中，p p p 协议作为数据链路层的西 议与其高层t c p s p 协议一起，构成了其核心软件的网络部分，本论文重点研究了p p p 网 络接口的设计与实现。 论文首先对嵌入式水情测报仪的硬件进行简要介绍，在此基础上讲述了基于g c o s i i 扩展的r t o s ，并根据要实现的功能要求划分了系统任务。最后重点讲述了网络通信任务 的实现：先对各层协议进行选择和l w l p 协议栈和g c o s i i 的结合，然后讨论了p p p 协议 栈及建立、维护和拆除p p p 数据链路的过程以及通过有限状态机实现的机制。最后如何把 p p p 通信作为一个系统任务实现的过程和对任务的测试。 关键词：实时操作系统、g c o s i i 、l w i p 协议栈、点到点协议、拨号方式、以太网 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kc o m n l t t n i c a t i o nt o l dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o no fl o n g d i s t a n c e t r a n s m i t t i n g o fw a t e ri n f o r m a t i o nh a sb e e np u tf o r w a r d 。 d i r e c t l yp u t t i n gw a t e rm o n i t o r i n ga n df o r e c a s t i n ge q u i p m e n ti n t on e t w o r kt ot r a n s m i tw a t e r i n f o r m a t i o ni st h ed e v e l o p i n gt r e n d e n c y 。s ot h ea u t h o ro ft h i sn l e s i sw o r k so ne m b e d d e dw a t e r m o n i t o r i n ga n df o r e c a s t i n gs y s t e mw i 廿1n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c h ，b a s e d t h ew a t e rc o n s e r v a n c ys c i e n t i f i cm a i np r o j a c to ft h ew a t e rm i n i s t r y “s t u d yo nt h es y s t e mo f c o m p u t e r n e t w o r km e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gi ni r r i g a t e dd i s t r i c t ”，a n db a s e do nt h ec o n d i t i o no f z h u l u c o u n t r y ，h e b e ip r o v i n c e 。t h e w a t e r m o n i t o r i n ga n df o r e c a s t i n ge q u i p m e n t c a na c c e s st o n e t w o r k b yd i a l i n g - - u p s ow ec a nl o o ku p w a t e ri n f o r m a t i o ni nr e a lt i m eb yb r o w s i n ga tw e b c o n s i d e r i n gt h ed e v e l o p m e n to fs y s t e m ，r e a l i z i n g1 i n kt on e t w o r k 、析t 1 1e t h e m e tm o d ea tt h e s a n l et i m e t h es o f t w a r es y s t e mo fe m b e d d e dw a t e rm o n i t o r i n ga n df o r e c a s t i n ge q u i p m e n ta d o p t st h e r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m - 一u c o s i i ，a n du t i l i z e st h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nb yt h em o d eo f e x p e n d i n g n e t w o r kp r o t o c o li n t ow a t e rm o n i t o r i n ga n df o r e c a s t i n ge q u i p m e n t 。a c c o r d i n gt o t h ec o n d i t i o no f1 i m i t e d m e m o r y o fe m b e d d e d s y s t e m ，a d o p t s t c p 1 p p r o t o c o l l w i p ( 1 i g h t - w e i g h t ) t c p i ps t a c kw h i c h s u i t st os m a t ls y s t e m i ne a c h p r o t o c o l ，a s t h ed a t el i n kl a y e r t h ep p p p r o t o c o lc o n s t i t u t e st h en e t w o r ko fc o r es o f t w a r ew i t ht h eh i g ht c p i pp r o t o c o l 。t h i s t h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e so nt h ed e s i g na n dr e a l i s a t i o no fp p pn e t w o r ki n t e r f a c ea n de t h e m e t n e t w o r ki n t e r f a c e t h i st h e s i s f i r s t l y i n t r o d u c e st h eh a r d w a r eo ft h i se m b e d d e ds y s t e m t h e nd i s c u s s e st h e r t o sb a s e do nu c 0 s i ii nd o t a i l i tm a i l yd i s c u s sh o wt or e a l i z et h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t a s k ：c h o o s i n gt h ea p p r o p r i a t ep r o t o c o l s ；p o r t i n gt h el w i p t ot h e u c o s i i ；t h ep p pp r o t o c o la n d t h ee s t a b l i s h i n g ，m a i n t a i n i n ga n dc l o s i n go ft h ep p p d a t a - l i n k ；e s p e c i a l l yt h er e a l i z a t i o no f e a c h p r o t o c o lb yaf i n i t e s t a t e a u t o m a t i o n l a s ti ti n t r o d u c e st h e d e b u g g i n gc i r c u m s t a n c e s ，a n d s u g g e s t st h ei d e ao f t h es y s t e m i nt h ef u r t h e rc o n t e n t sa n dd i r e c t i o n s k e y w o r d ：r e a l t i m eo p e r a t i o n gs y s t e m ( r t o s ) ，u c o s i i ，l i g h t w e i g h tt c p i p , p o i n tt o p o i n tp r o t o c o l ，d i a l u p 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个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，除了文中特另, j j m 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。与我同工作的同事 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了谢意。 如4 i 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：隧堑差御乡年5 月2 5 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ： 隧抱叁2 0 0 5 5 弓月2 岁日 川海大学工学硕士学位论文 茹一一章簪论 第一章绪论 我国幅员辽阔，地形多变，人口众多，人均水资源占有量少，而水资源时空分布又极 不均匀，南多北少，东多西少，夏秋多冬春少，这些都加剧了用水问题。为了高效管理、 合理利用水资源，作好城市用水、农田灌溉、防洪防凌等方面工作，实时高效的水情测报 必不可少。 水情自动化测报系统是根据水利系统的规范和要求，充分利用数据采集技术、计算机 技术、网络技术和数据库技术等实现水情数据的采集、处理和发布为一体的综合信息管理 系统，是现代化科技与管理密切结合的一项系统工程。水情测报是水利部门实现水利管理 现代化、决策科学化的个重要过程。其核心是数据的采集处理和信息发布，通过将水情 数据采集并处理后发布给相关各个水利部门，为各个水利部门在实施水利管理和调度提供 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和防洪抗旱的目的| 1 j 。 1 1 课题的背景及意义 水情测报系统从产生到现在经历了半个多世纪的发展，由于其应用目的、所处的地形 地理环境、气候条件、社会经济条件的不同，发展成为各种制式、各军4 嗵信方式的测报系 统。最初的水文资料全靠少量人工水文站及雨量站点通过邮电部门的电报或有线电话传送 信息来收集。由于受自然环境、经济条件的制约站点数量少而且距离远，所以人工报汛质 量差，时延长。导致不能合理的调度用水，以至于在洪水多发季节由于不能及时进行防洪 调度而造成灾害。为了便于更好的发展，我国的水情测报系统建设提出了信息采集自动化、 信息传输网络化、信息处理标准化的目标。到目前为止，已经基本实现了信息采集自动化。 而近年来，随着通信技术快速篾暖，水情测报系统中通信的实现已经开始向大众化、精确 化、便捷化方向发展，尤其是匀网络通信发展。 本课题就是根据水利部水利科技重点项目“灌区微机网络测量与控制系统研究”，结 合河北省涿鹿县的实际情况，并在灌区水情远程测报系统的基础上进行改进丌发的。本课 题注重如何根据灌区实际情况利用现代通信技术实现水情测报仪的网络通信功能，目标是 信息传输网络化。本课题将通过网络通信实现水情信息实时采集和传输，为水利部门提供 及时准确的水情信息，提高水利部门管理水平。 1 2 国内外研究现状 我国水情自动测报系统的建设始于二十世纪七_ 卜。年代中期，形成的初期产品在国内一 些水库进行实地应用。到八十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，建成了很多规模较大的自动测报系统。其中知名度较高的工程有：桔溪、天桥、鲁 布革及黄河三门峡至花园口之间。九十年代是我国这一专业技术发展最快的时期，一些较 大系统都相继建成，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、 水口、风滩、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。近十多 年来有更多较小的水情自动测报工程业己建成，它们都发挥了很好的作用。我国近年建设 的水情自动测报系统已接近国际先进水平。 国际上自二十世纪六十年代起，美国和日本率先开始进行水情自动测报技术的研究和 开发。近年来计算机网络、通信技术、微电子技术、自动化技术、遥感技术、传感器技术 以及大规模集成电路的飞速发展使得情测报系统向更高的水平迈进。目前，世界上有很多 国家都取得了较好的成绩实现了系统的网络化管理，特别是美国、澳大利亚等国。 馥入式水情测报系统的网络通信技术研究 1 3 课题来源和主要研究内容 1 3 1 课题来源和要求 河北省涿鹿县水务局担负着涿鹿县内的灌溉用水任务，丽涿鹿县是一个以农业、林果 为主的农业县。县内有2 4 万亩水浇地，分为四个灌区( 惠民北渠灌区，桑南灌区，七一 灌区和劈山灌区) ，采用明渠引水灌溉，灌溉用水主要靠永定河上游的两条无调节河道提 供。由于水资源紧张，从8 9 年开始采用人工集控分配灌溉用水，虽取得了一定效果，但 采用人工监测流量和上报流量存在着诸多不便不能及时正确反映流量数据，不能有效 利用水资源，造成了时间上的延误和经济上的浪费1 2 】。因此河北省涿鹿县水务局要求河海 大学承接一个灌区微机网络测量与控制系统，以实现各个灌区流量数据的鲁动采集与监 测，并将这些数据汇总至县水务局( 中心站) ，以加强对水资源的有效利用，提高管理水 平，取得更好的经济效益。 就河北省涿鹿县的实际情况而言，灌区微机远程测报网络应符合以下要求：操作简单， 价格便宜，数据测量准确，数据传输可靠。水情测报仪应自带电源，耗自& 小：能适应野外 的工作环境，有抗雷击的功能。中心站设备除了能随时调看当前的水位、流量数据外，还 可将历史数据汇总保存，以便日后查看、分析，掌握不同时期的灌溉用水量实现科学灌溉。 笔者是在前期工作的基础之上对前端设备水情测报仪如何根据灌区实际情况利用现 代通信技术实现水情测报仪的网络通信功能的研究。 1 3 2 前期工作一一水情测报仪的嵌入式实现 本系统的水情漠4 报仪就是采用嵌入式设备实现的。嵌入式设备由于其高可靠匪、低功 耗、体积小等独特的优点得以广泛的应用，嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机 技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求 的专用计算机系统”j 。 针对水情测报仪的嵌入式系统硬件的核心采用三星公司出品的s 3 c “b o x 嵌入式微 处理器( m p u ) ，功能强而且性价比高。嵌入式软件方面要求实时采集、处理、传输数据， 系统外设增加、任务增多，各任务之间需要传递信息。这种情况下，仅仅采取一个主循环 和几个顺序调用的子程序模块已经不能满足功能要求，需要对重要性不同的任务进行合理 的调度，以保证各个任务及时执行。部不仅要求有高速的微处理器，而且需要实时操作系 统来进行统筹兼顾的任务调度，系统管理。本课题采用实时操作系统# c o s - 1 7 来进行任 务调度。z c o s 一1 i 是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核，具有执行 效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，特别适合嵌入式系统应用。 采用嵌入式设备实现的水情测报仪就是集数据实时采集、实时处理、长期自记、固态 存储和高效传输与一身的设备。它具有体积小，高集成度；高可靠性，高性价比，低功耗， 专用，可扩展性，可裁剪性，多接口，良好的人机界面等优点一 1 3 3 课题原有遁信方式一一通过p s t n 和m o d e m 通信 河北省涿鹿县4 个灌区覆盖面积2 4 万亩，而且系统要求操作简单，价格便宜。由于 灌区处于p s 甜q 覆盖地区，而且m o d e m 价格低廉，因此采用通过p s t n 和m o d e m 通信 以当地节约系统开发成本。 p s t n ( p u b l i es w i t c h e d t e l e p h o n e n e t w o r k ，公用交换电话网) 是目前使用最广泛的网络 系统，由于现代电话通信网已经进入程控交换时代，技术比较先进。速度快，容量大，因 此采用电话通信网建立数据通信系统确实有覆盖区域广、技术成熟、价格较低等许多独特 j “海人学t 学硕j 学位论文第一嚆缝论 的优越性。 主撞计算机f i 叩机 图1 3p s t n 通信方式的系统示意图 图1 3 是系统原有的水情测报系统示意图，图中示出灌区的现场设备、水务局监控中 心的设备及p s t n ，水务局的主控计算机通过调制解调器( m o d e m ) 拨号沟通各控制点的 水情测报仪，水情测报仪传送数据给主控计算机，主控计算机可以对这些数据进行统计、 存储或者打印报表等。 这种通信方式适用于早期的水情测报系统，但随着科技的发展和水利系统整体管理的 要求，不仅水务局的各个部门需要查看水情信息水利管理部门也需要远程实对查看各地 区的水情信息以便于正确的管理。而采用p s t n 方式只有主控计算机能够查看水情信息。 同时水情测报系统信息传输网络化目标对水情测报系统的实时性和准确性提出了更高的 要求，所以p s t n 通信方式由于网络线路质量较差、通信质量受线路影响较大、传输速率 较低等缺点已经不能满足当前网络化的要求。 1 3 4 课题目前研究的网络通信方式 实现嵌入式设备水情测报仪的i n t e m e t 网络化，需要实现t c p i p 网络协议，目前嵌入 式系统接入i n t e m e t 的方法大致有以下几类：( 1 ) 通过专用的w e b 服务器实现；( 2 ) 通过 专用的嵌入式网关连接；( 3 ) 把标准网络技术( t c p t p ) 一直扩展到嵌入式设备。由嵌入 式系统自身实现w e b 服务器功能【4 j 。但由于i n t e m e t 上面的各种通信协议对于计算机存储 器、运算速度等的要求较高，对嵌入式系统产生了很大的挑战。 本系统前期设计时考虑了网络传输的要求，采用了高性能的3 2 位徽处理器s 3 c 4 4 b o x 且在其上运行了嵌入式实时操作系统“c o s 1 1 ，完全能满足要求，所以第三种方寨是最佳 的解决方法。 图l 4 水情测报网络通信系统构成示意图 课题根据灌区实际情况设定水情测报仪远程接入网络的方式。由于水情测报仪和水务 局中心站距离遥远，受自然条件、经济象滔一幻强制很难直接粢构专、j ：罾络，同时现代电 百富i 一雪 画妇 暂 筘蟹 文 鼙荔薯 海人学t 学硕j 学位论文第一嚆缝论 话通信网已经进入程控交换时代而且互联网也逐渐融入人们的生活，利用远程拨号上网也 成为实现数据远程实时传输的廉价高效的方法。而灌区原有通信系统已经具备了使用拨号 上网的硬件条件( 电话线和m o d e m ) ，嵌入式技术和网络技术的结合使得各种信息终端 能够在网络上驰骋。因此本课题采用将t c p i p 协议栈嵌入到水情测报仪的方法，设计和 实现通过拨号方式接入互联网进行数据传输。考虑到i n t e m e t 的飞速发展为了水情溅报仪 能够具有通用性，同时采用了通过以太网方式接入互联网。 图i 4 示出利用互联网进行数据传输的系统结构，结合灌区系统原有设备的实际情况 实现通过电话线上网的功能，同时考虑到进一步的发展采用了通过以太网上网的功能。如 图中虚线框中所示，水务局的计算机通过代理服务器接入互联网，便可以和远程的水情测 报仪进行网络通信实现实时、便捷的水情信息查询。 1 3 5 课题研究目的 本课题研究的目的在于构建一个系统能够按实际要求。实现灌区承情的实时采集、处 理和可靠传输，并且实现网络通信。针对灌区的实际情况水情测报仪采用实时操作系统 c o s i i 进行任务调度和管理，嵌入t c p i p 协议栈构建一个嵌入式服务器w e b s e r v e r 实现 利用互联网进行数据传输的功能。并且采用通过电话线上网和通过以太网上网这两种方式 接入互联网，以利于不同水情测报系统的实际应用。 这样嵌入式水情测报仪可以长期独立地工作在灌区现场，客户可在任意地点通过互联 网对远程信息进行查询、交换、存储和处理，实现了对灌区用水的方便快捷的自动测报、 管理和调配。 l 。3 6 课题主要内容 在系统分析整个系统之后，我们把重点放在位于灌区的前端设备嵌入式水情测报仪 上。主要在水情测报仪的系统软硬件设计基础上研究如何设计和实现通过电话线和以太网 进行网络通信的。 本课题主要内容有以下几个方面： 嵌入式水情测撤仪的软硬件结构一一根据系统的功能要求分别设定各个模块功能； 实时操作系统g c o s i i f c o si i 的内核原理和基于本系统应用进行的扩展，本系 统中任务的划分和优先级的设定及基本任务的实现 另外逐有p p p 任务和以太弼任务) 等： 、 通过电话线接入网络的实现一一又称为p p p 方式网络通信任务的实现该任务需要用 副的i c p f f p 协议栈中的各层协议，主要是p p p 协议的工作机制和实现方法以及测试的 过程： 通过以太网接入网络的实现一一又称为以太阐方式网络通信任务的实现。该任务涉及的 备层网络协议和如何利用b s da p i 编写通用性好的程序实现以太网任务； 河海大学工学硕十学位论文第二章嵌入式水情测报系统总体设计 第二章嵌入式水情测报系统总体设计 2 1 系统体系结构设计 2 1 1 系统体系结构 从地域上讲，整个系统覆盖的范围包括三类：分布于灌区工作现场的水情测报仪，位 于水务局的水情控制中心以及远程查询的水利部门机关或者其它一般客户。 图2 1 水情测报系统结构示意图 如图2 1 所示，每个灌区现场设置一台嵌入式水情测报仪来实时采集、处理、存储和 传输数据，此外它还需按照测点值班员的操作进行显示等操作。水务局的控制中心设管计 算机来负责将各个测点的数据集中存放到数据库中，并进行统计处理以便适当的调度和提 供给远程用户查询。远程用户仅有权查询中心站提供的水情数据。 系统需要设计的有两个部分：水情测报仪和中心站。本文的研究重点是水情测报仪， 下面我们首先选择水情测报仪和中心站之间协调工作的体制，然后讲述水情测报的前期工 作一一流量的测量，最后设定水情测报仪远程网络接入方案。 2 1 2 系统工作体制的选择 水情自动测报系统可分为三种基本体制，即自报式体制、应答式体制和混合体制。所 谓自报式体制即为：水情测报仪根据测量参数的变化而随机向中心站发送信息的系统体 制：应答式体制为：水情测报仪按中心站的命令而发送采集信息的系统体制。混合式是由 自报式和应答式两种方式组成的系统。 自报式体制的水情测报仪只需具备数据发送功能，一般情况下调度中心也只需具备接 收数据的功能，因此数据信道是单向的。应答式体制的水情测报仪需要有接收指令和发送 数据的收发双向功能，中心站则应具备发布命令和接收数据的收发双向功能，因此数据信 道是双向的例。 自报式的实现是由管理员事先对水情测报仪进行设置，水情测报仪定时或者在某些事 件发生时，就发起到中心站的连接，向中心站提交数据或报告事件的发生。应答式的实现 是中心站向终端机发送命令，而终端机识别这个命令并执行之，这要求各个终端机直处 嵌入式水情测报系统的隔络通信技术研究 于等待连接状态。 自报式的优点是实时性好，能及时反应水情变化。缺点是当测点较多时，容易出现多 个测点同时向中心站发起连接而引起的网络拥塞。自报式多用于系统实时性要求较高的系 统( 如防洪系统) 中。而应答式的优缺点刚好与之相反。 在有些水情测报系统中也有采用混合式体制，如防洪抗旱系统可以在洪水多发季节水 位超过某个设定值时采用自报式，而平时采用应答式。 本系统的灌区在水位超限时只需要向现场的测点值班员报警，并自动处理紧急情况； 对于中心站只需记录该事件，因此对该系统采用应答式体制。 为实现系统目的一中心站设备除了能随时调看当前的水位、流量数据外，还可将历 史数据汇总保存，以便日后查看、分析，掌握不同时期的灌溉用水量，实现科学灌溉。需 要中心站能够向终端机发送命令，终端机能识别这些命令并执行，这个过程中要用到的命 令有： 随机数据读取命令：要求终端机传送当前的设备状态、雨量和水位流量数据。 时间同步命令：为保持时间的同步采用的每隔一定的时间向水情测报仪发送一次的命令。 历史数据读取命令：由于有些时候可能发生故障，如通信线路的问题、中心站局域网的故 障以及数据库服务器的故障，导致数据没有及时采回或者数据丢失， 因此水情测报仪应该有临时保存数据的能力，当采集工作站需要重新 取回终端机上所临时保存的数据，就采用该命令。 设置限制水位命令：此命令用于设置终端机的上下限水位，终端机根据该水位限制来判断 水位是否超限，在水位超出此范围时，给予报警。 密码设黄命令：防止非法用户连接水情测报仪进行数据采集丽设置的，在连接终端枧进行 数据采集时需要此密码，初始密码在初始化终端机时设定。 2 2 水情数据测量 2 2 1 水位数据的采集 通过传感器实现水位数据的采集。传感器设置在取样现场，采样数据传至位于相距 1 8 0 米的值班室里的水情测报仪进行处理。由于水情测报系统对功耗和电源要求的特殊 性，为了简化测点电路，提高可靠性减小功耗系统采用数字式传感器。本系统选用南京水 利水文自动化研究所研制的w f h 2 型全量机械编码水位传感器。该水位计精度高( 满程 最大误差 2 厘米) ，可靠性好，且价格相对便宜，最主要的是，它是机械编码，无需电源， 这就解决了测点处无电源的矛盾。其测量范围是o 4 0 ，9 5 m ，分辨率为1 c m ，采用码型为 1 2 位格雷码的编码方式，最大传输距离可达1 0 0 0 m 。该水位计利用液体浮力测液位的原 理，靠浮子随水面升降的位移反映水位的变化。同时通过轴角编码器将水位模拟量转换为 数字信息量，以满足信息传输、处理、记录和显示的需要【6 1 。 本系统所采集的水位数据的范围是o 2 米，为减少输入数据线，仅将嵌入式水情测 报仪的微处理器的y o 口中8 位数据位( g p c 8 g p c i 5 ) 与传感器的1 4 芯并行传输线相 连，即只传输数据的低8 位( 范围是o 2 5 5 米，符合水位要求) 。水位计和嵌入式系统 的接口电路如图2 1 所示( 这里以一位为例) ，每条数据线经光电耦合器耦合后，送入数 据处理模块进行处理。 为提高编码可靠性，水位计采用格雷码作为编码器的输出码制，然后通过计算转换成二： 进制码，转换规律如下吐 最高位完全相同； 下值与右上角指向比较，相同得0 ，不同得1 ( 异或) 。 6 第1 二带嵌入- c 水俯测推系统总f 奉蹬汁 图2 1 水位数据采集电路图 2 2 2 流量测量的基本原理 1 、流量与流量计算 所谓流量，是指单位时间内流经封闭管道或明渠有效截面的流体量，又称瞬时流量。 当流体量以体积表示时称为体积流量；当流体量以质量表示时称为质量流量”1 。 假设流体流过有效截面中的某一微小面积为d a ，流速为v ，且被测流体的密度为p 。 刚流体流过该微小面积翻的体积流量由，和质量流量电，分别为 由。= v d a 由。= 尸v d a ( 2 - 1 ) 而流体流过整个有效截面的体积流量吼和质量流量可由对截面面积积分求得： 旷d d a g 。= l p _ v d a ( 2 - 2 ) 如果有效截面上各点的流速是相等的或能求出其流速平均值i ，则流量公式( 2 2 ) 可写成如下简单形式： q ，= i a g 。= ia( 2 - 3 ) 流量的计量单位是导出单位。由流量公式( 2 3 ) 可导出体积流量的计量单位为立方米 秒( m 3 s ) ：质量流量的计量单位为千克秒( k g s ) 。 2 、流量测量的方法 测量流量的方法可归纳为两大类：一类是根据流量的定义进行直接测量的所谓直接 法，即在某一时间间隔内，用标定的容器盛接流过流体的体积或质量：另一类是通过测量 其它与流量相关的数据，经过一定的换算而得到流量值的所谓间接法。 在有压管路中测量流量的基本方法是在管路中装入特殊结构的部件局部地改变水流 的压强和流速，然后通过压强的变化与流量之间的关系来确定流量。一般采用文杜里 ( v e n t u r i ) 流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、超声式流量计、孔扳流量计 等，l 面对于河流或明渠中的具有自缈面的水流，则是通过测量水位、压差、流速等来确 7 嵌入式水情删搬系统的叫络通信技术研究 定流量。一般的方法为量水堰测量法、量水槽测量法、流速一面积法及水位流量曲线法。 在水利和农业的实际应用中，通常是采用水位流量曲线法。该方法是把流速面积法 测得的流薰和水位画成曲线，作出水位流量曲线后，便只要通过测量水位，就可求出流量。 2 2 2 本系统的流量测量 本系统所测流量是明渠中灌溉用水的流量，属于大流量的测量，显然不可能用直接法 测量，只能考虑间接法。 目前用于测量明渠流量的流量仪，其基本原理仍是量水堰测量法或量水槽测量法。这 些方法的最大缺陷是要在河道或渠道里修建量水堰或量水槽，直接导致了成本的增加。一 套超声波明渠流量仪的价格在2 万元以上，对于广大经济不发达的农村来说，采用流量仪 测流量是不符合实际的。 如前所述，在生产实践中测量流量最常用的方法是水位流量曲线法。河北省涿鹿县水 务局积累了多年的数据，绘制了灌区渠道的水位流量曲线图为本系统采用此方法提供了 条件。这样，本系统只要采用价格相对便宜的水位传感器，测出明渠中的水位，再通过水 位一流量曲线图，便可得到相应的流量数据。 然而，水位流量曲线图的曲线不一定涵盖了整个水位值的有效范围，因此必须用数学 的方法推算出曲线没有涵盖的部分的水位流量关系。通常的方法是用最小二乘法拟合曲线 法或用拉格朗日( l a g r a n g e ) 插值法。考虑到涿鹿县水务局提供的部分水位流量数据，而 用最小二乘法拟合曲线时需要解线性方程组，且计算过程中的舍入误差会严重影响解的精 确性，所以本系统考虑用拉格朗日插值法。拉格朗日插值法是在函数分析和数值计算中， 根据给定函数的信息和要求，构造简单近似函数的一种方法。其原理如下所述p j ： 设x 。，x ，x 。是h + 1 个互异的数，y 。，y 。，y 。是相应的函数值 y ，= f ( x ，) ，i = 0 , 1 ， 现欲在次数不高于月的代数多项式集合中求多项式 只( x ) = 口o + a i x + + 口。x 4 使其满足条件 只( x ，) = y 。， i = 0 , 1 ，” ( 2 4 ) ( 2 5 ) 若令p a x ) = l 。( x ) 儿 ( 2 6 ) 其中c z ，是满足条件“= ：i ：的 次代数多项式，t = 。，一。显然，由 ( 2 - 6 ) 表示的e o ( x ) 是次数不超过竹的代数多项式，并且它满足插值条件( 2 - 5 ) 。由于 t ，f 海k 学t 学坝i 一学位论义 捕一啦嵌入，c 水情洲搬系巯总体吐汁 ( _ ) = of 七，所以，。( z ) = “n o 一一) ；r i n l k ( 坼) = 1 ，可知4 = - l 。于 删l - 一r ， i = 0 ，f k 是得到 “护，童。嚣， 竹 代入( 2 - 6 ) ，得胁) 2 砉( ，襄。羞堍 则形如( 2 8 ) 的插值多项式就是拉格朗目插值多项式。 当”_ l ，得只( x ) = 三玉y 。+ 兰鱼y x 0 x x i x 0 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 它是满足插值条件只o 。) = y 。，只( ) = y ：的线性插值多项式。 由于水务局提供的水位流量摘线在很大范围内接近于直线，所以本系统采用拉洛朗f j 线性插值多项式： 只( x ) ：二i l y 。+ ! 二二_ 兰l y x 0 一x jx 1 一x d 来求出水位流量曲线的解析表达式。 以惠民北渠为例，管理处提供了水位流量关系表( 表2 1 ) 和水位流量曲线图( 图2 3 ) ， 运用拉格朗日线性插值多项式计算出水位流量数据( 见附录a ) 。然后，把这些数据存入 下位阢中，形成张数据表。这样，当测得水位值后，就可以用套表的方法求出流量数据。 表2 1 水位一流量关系表 水位( m ) o 1 002 0 03 0 0 。4 0 05 0 0 ，6 0 07 008 0 0 9 0i 。0 0 lb 2 n ( m 3 s ) 03 50 8 01 8 030 04 4 05 ，9 076 090 01 0 41 2 0 1 ，2 1 o 8 0 6 o 4 0 2 0 o5 l o 图2 3 水位一流量曲线圈 2 3 水情测报仪远程网络接入方案 2 3 1 常用远程网络接入方式比较 1 5 远程网络接入是一种连接方案，这种方案需要暂时的、间断的网络连接，而不是像在 个局域网内的终端用户与信息服务器之间的持续的连接。远程接入不包括基于专用网的 嵌入j i = 水h 测搬系统的删络通f 弃技术研究 组网方案，也不包括基于路由器、交换机和集线器的互连结构。远程接入的方案既可以基 于无线的连接，又可以基于有线的交换连接。最普通的远程网络连接可以利用公共交换网 ( 拨号) 、一线通( 1 s d n ) 、用户专线( a d s l ) 、电缆调制解调器( c a b l e m o d e m ) 和以太 网接入。 拨号接入方式适合于发送电子邮件，进行文件传输和带文本浏览器的互联网。拨号接 入是我国最普及的家庭网络接入方式，因为拨号上网业务在我国已经开通了较长的时间， 无论是线路上，还是技术维护上，相对比较成熟，速度也比以自f 有了很大的提高。而且拨 号方式安装简单，无需到电信局开户，费用最低，最适合小型用户接入网络。 i s d n 适应于远程办公，文件传输和受限的电视会议。i s d n 是在l d n 的基础上发展来 的。可以提供语音业务，也提供数据、图像和传真等各种电话通讯业务。i s d n 给用户提 供标准的网络接口，可以使一对普通的用户线最多连接8 个终端，并同时为多个终端提供 多种通信业务。i s d n 需拨号，并需到电信局开户，费用较低。 a d s l ( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p 即非对称数字用户环路技术) 适用于大型 文件传输，互联网上的高密度图形浏览和电视会议。a d s l 采用一对电话作为传输介质， 使用了2 6 k h z 以后的高频带，为用户提供上、下行非对称的传输速率( 带宽) 。上行( 从 用户到网络) 为低速的传输，可达i m b p s ：下行( 从网络到用户) 为高速传输，可达8 m b p s ， 其传输速率远远高于拨号方式和i s d n 。a d s l 无需拨号一直在线，而且可以同时打电活。 a d s l 需要在普通直线电话两端安装相应的a d s l 终端设备( a d s lm o d e m ) ，前期投入大， c a b l em o d e m 是利用有线电视网进行数据传输，需要有线电视的网络坏境只能应用i 二 有线电视覆盖的小区。无线方式适合小量数据传输，紧急任务调度。 2 3 2 水情钡l 报仪的接入方案设定 在了解了几种常用的远程接入方式之后，根据课题应用的实际情况来设定水情测报仪 的远程接入方案。系统采用应答式工作机制，水情铡报仪按水务局中心站的命令而发送采 集到的水情信息。位于灌区现场的水情测报仪通过远程接入网络和水务局中心站进行间断 的、暂时的网络连接。 水情测报仪和水务局中心站距离遥远，受自然条件、经济条件的限制很难直接枭构专 门的网络，考虑到每个测点只有一个水情测报仪需要接入网络，所以无需连接多个终端设 备：水情测报仪年中心站传输的数据量相对很少，而且传输的频率也不是很高；圊时系统 要求廉价高效，因此采用远程拨号方式接入网络足以完成数据远程实时传输。而且灌区原 有通信系统已经具备了使用拨号上网的硬件条件( 电话线和m o d e m ) ，嵌入式技术和网络 技术的结合使得各种信息终端能够在网络上驰骋。因此本课题采用将t c p i l p 协议栈嵌入 到水情测报仪的方法，设计和实现通过拨号方式接入互联网进行数据传输。考虑到i n t e r n e t 的飞速发展为了水情测报仪能够具有通用性，同时实现了通过以太网方式接入互联网。 2 4 水情测报仪网络接入相关概念 2 4 1o s i 模型和t c i p 协议族 o s i7 层模型( 图2 4 ) 于1 9 8 4 年由国际标准化组织是网络互连通信中主要的结构模型。 第一层物理层定义为0 s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c tr e f e f e n c em o d e l ) 参考模型的第一 层。物理层为启动、维护以及撤销终端系统之间的物理链接定义了电气、机械、程序和功 能规范。它由3 个组成部分组成。在一些情况下，局域网和广域网环境中的这3 个组成部 分是一样的，即电缆或电线、连接嚣和编码技术。第二层数据链路层负责描述本地系统 之间拓扑结构和通信的规范，现有许多数据链路层技术的示例：以太网、快速以太网、令 河姆大学工学顾。l 学位论支嚣二章嵌，、式水情珑振系统总体t 生汁 牌环网、桢中继、h d l c 、点到点协议( p e e rt op e e rp r o t o c o l ，p p p ) 、串行线路接口协议( s e r i a l l i n ei n t e r f a c ep r o t o c o l ，s u p ) 。所采用的数据链路层实现是基于物理层的。第三层网络层 负责为网络提供路由。数据链接控制层将包上传到网络层。这些包都有头来定义源地址和 目标地址，并定义了包中数据的其他网络层参数。网络层只使用网络层包头中的数据就可 以得到执行其功能的信息。这就维护了网络层的模块度。因此，无须依赖数据链路控制层 头和传输层头中的信息。对于每个网络节点而言，只有一个网络层过程。在网络层的下方 7 应用层 6 表示层 5 会话层 4 传输层 3 网络层 2 数据链路层 1 物理层 图2 4o s i 参考模型l l l 】图2 5t c p i p 分层模型 根据节点上的物理接口的数量，可以发现多个数据链接控制层过程；在网络层的上方，根 据在该节点上终止的面向连接的流的数量，也可以发现有多个传输层过程。在节点上可能 运行着多个网络层协议，但每个协议都相应于一个单独的逻辑互连网络，它们之间并不互 相通信。第四层传输层负责数据的传输问题，如连接的可靠性、建立错误检测、恢复和 流控制等。此外，传输层还负责将包从网络层传递到o s i 模型的上层。第五层会话层负责 提供诸如目录服务和访河权限等的功能。第六层表示层负责提供数据加密、数据压缩和代 码变换。近年来，数据加密、压缩和代码变换已经转移到了网络协议的功能中。第七层应 用层可以是任何需要进行网络通信的应用。应用在第7 层上与其对等应用进行通信，并且 一个应用可以任意地定义一项协议，作为应用至应用的指定通信协议。 t c p i p 在0 s i 模型之前就已经开发了，t c p i p 协议族由四层组成：网络接口层、网 络层、传输层和应用层组成。o s i 模型的前两层( 物理层和数据链路层) 对应于t c p i p 模 型的网络接口层，网络层和传输层分别对应t c p m 的网络层和传输层，o s i 的最高三层在 t c p i p 中则由应用层表示。 要注意的是o s i 模型仅用于参考，并不是所有的协议和技术都与七层之一有直接的关 系。一个协议经常跨越着几个不同的层，如a r p ( 地址解析协议) 跨p 层和数据链路层。 2 4 2t c p i p 协议栈和其它协议栈 t c p 1 p 网络包括数十种主要协议( 如i p 、t c p 等) ，这些协议的集合叫做t c p i p 协 议栈，由上一节分析可知t c p 艘是由一些交互性的模块组成的分层次的协议，如图2 ，6 中 o s i 的七层模型和t c p 舻的四层模型显示。其中每个模块都提供特定的功能。物理层和数 据链路层t c p ，p 并没有定义任何特定的协议，它支持所有标准和专用的协议。网络层 t c p 腰支持网际协议( m ) ，而口由四个协议组成：a r p 、r a i 氇、i c m p 和i g m p 。t c p a p 协议栈中运输层协议有两个( t c p 和u d p ) ，负责将报文从一个进程交付到另一个进程。 t c p i p 中