基于无线网络的水资源远程监控系统设计与实现 - 图文-

1、华北电力大学(保定硕士学位论文基于无线网络的水资源远程监控系统设计与实现姓名:曹磊申请学位级别:硕士专业:计算机科学与技术;计算机应用技术指导教师:黄志强2011-03摘要为了科学合理开发、利用、保护、管理水资防治水害,落实中华人民共和国水法,本文在综合分析国内外远程监控技术现状的基础上,结合水资源保护的专业知识与经验,充分研究无线通信技术、计算机测控技术、自动化技术和地理信息技术,设计实现了基于无线网络的水资源远程监控系统。该系统由监控中心微机、Zigbee-GPRS-Internet网络和远程监控终端三部分组成。监控中心微机位于水资源管理部门,监控终端位于水资源提取设备的现场。系统通过GP

2、RS-Internet网络实现监控中心微机至Zigbee网络的网络节点之间的远程通信,通过Zigbee网络实现网络节点至测控终端之间密集的近距离通信,在TCP/IP协议基础上自行设计实现了具有Polling规约和CDT规约特点的通信规约。该系统开发基于Windows 2000 Server,以Delphi 7.0为开发平台,采用SQL Server 2000 关系数据库和MapInfo8.0 GIS软件,设计了系统数据库,运用跨平台集成地图开发技术,OLE自动化技术、多线程技术以及动态链接库等技术,实现用户与MapInfo后台服务器程序的实时交互。该系统实现的功能主要包括:远程监测、远程控制和

3、丰富的信息管理功能。该系统能够控制水资源的提取、合理调度开发水资源、方便收缴水资源费,通过对用户取水信息进行分析处理,提高了水资源管理水平。测试结果表明数据传输速度高、稳定可靠,达到了预期设计要求,是落实水法的有力工具,具有应用价值。关键词:水资源;远程监控;GPRS;ZigbeeAbstractIn order to rationally develop, utilize, protect and manage water resource , control water disasters and achieve the implementation of water law of the

4、 peoples republic of china, this thesis realizes the Water Remote Monitoring System of wireless network, based on analysis of computer monitoring technology at home and abroad, integrated expertise and experience of water resource conservation by using technology of communications, computer measurin

5、g and controlling,automation and GIS.The system adopts the hierarchical distributed structure. The first layer is the monitoring center computer. The second layer is the Zigbee-GPRS-Internet communication network. The third layer is the tracking control terminal. Computer control center is located i

6、n water resources office, and terminal unit in the scene of water resources.Through the GPRS-Internet, System achieve the telecommunication with network node of Zigbee. In Zigbee network, tracking control terminal achieve the low-distance communications with another with the protocol based on TCP/IP

7、 in Zigbee. This protocol is designed by ourselves from the CDT and Polling communications protocol.The system is developed by Delphi7 , SQL server 2000 relational database and mapinfo8 software. Database is designed. System use integrated map development across the platform, OLE automatic technolog

8、y, multiple threads technology and dynamic link a library to achieve the real-time interaction between user and the mapinfo application server.The system realizes data transmission , data collection,analysis of data processing,remote monitoring and adequate information management. The system can con

9、trol the extraction of water resources, reasonablely schedule the water resource and water resources fee collection. Through the analysis of user water information processing, system improve the water resources management. Test results indicate that data transmission speed is high and reliable. it a

10、chieved the anticipated design requirement with good value of application and popularization, is a powerful tool of implement of water law.Keywords:water resources;remote monitoring;GPRS;Zigbee华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文基于无线网络的水资源远程监控系统设计与实现,是本人在导师指导下,在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知,论文中

11、除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日华北电力大学硕士学位论文使用授权书基于无线网络的水资源远程监控系统设计与实现系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本,允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文,可以

12、公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于(请在以上相应方框内打“”:保密,在 年解密后适用本授权书不保密作者签名: 日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日华北电力大学硕士学位论文第1章引言1.1 课题背景及意义水资源是发展国民经济不可缺少的重要自然资源。世界许多地方对水的需求已经超过水资源所能负荷的程度,同时还面临水资源利用不平衡的情况。缺水状况在我国普遍存在。我国人均占有地表水资源量约2700立方米,仅为世界人均值的四分之一1。随着人口增长,工农业不断发展,水资源供需矛盾日益加剧,由此产生了许多不利的影响。第一,对工农业生产影响很大,全国每年有3亿亩农田受旱。西北农牧区尚有4000

13、万人口和3000万头牲畜面临缺水问题。第二,对市民的日常生活工作带来了相当大的困扰,有些城市生活用水不够,尤其是北方缺水城市不得不采取限制手段。由于我国水资源管理存在严重问题,2002年,我国颁布了新版中华人民共和国水法2。目前,我国水资源管理的自动化程度低,主要还以人工操作为主,无法很好地满足水资源保护利用的需要,主要体现在监控手段落后、无法及时进行水资源信息采集决策,使传统的人工决策调度更具不确定性。近年来,无线通信技术发展迅速,在监控领域中得到了成功的应用。将无线网络技术应用到水资源管理中成为一种发展趋势3。在城镇水资源的日常管理工作中,水资源监控系统的站点多、地域分布广且分散,决策人员

14、需要面对各种数据,包括用户取水证号、取水额定指标、缴费情况、自备水井设备情况、水量、水压、气象和地形地貌等。借用传统方法,无法方便地分析这些实时数据,很难及时找出合理的解决方案,而利用无线通信技术可以及时准确将数据传到监控中心,由监控中心进行分析给出决策方案,方便水资源高效管理。为了更好地顺应新水法的要求,推进水资源管理信息化的进程,必须将计算机、无线通信等技术应用到水资源管理工作中。基于上述问题,本课题为了科学合理开发、利用、保护、管理水资源,防治水害落实水法,设计了基于无线网络的水资源远程监控系统。这种新型远程监控系统集计算机技术、自动控制技术和无线通信技术为一体,与传统的人力管理的方式相

15、比,该系统具有高环境适应性、高实时性和高可靠性等优点,能节约大量的人力和物力,有较高的社会推广价值,顺应了我国新水法对水资源供需协调、综合平衡、保护生态、厉行节约、合理开源的原则要求,对提升我国水资源管理水平具有现实意义。1.2 国内外研究动态1.2.1 远程监控系统的研究动态计算机监控系统的含义比较广泛,一般指具有数据采集、监视、控制功能的计算机系统,这类产品中,比较典型的、具有代表性的是远程监控系统4,5。这种远程监控系统可以分为以下几大类。(1应用专线的远程监控系统 这种监控系统一般采用自行架设专线(如电缆来作为数据传输的通道6。优点是通信数据量大且通信频繁,实时性、可靠性和保密性高;缺

16、点是测控距离较短。系统主站使用串口及调制解调器与子站连接。终端(或监控中心发送的数据通过串行口送给本地调制解调器进行调制之后,通过专线传输给远方调制解调器,远方调制解调器将收到的信号解调为数字信号,通过串行口送给监控中心(或终端。这种远程监控系统在石油、电力、铁路等领域的应用十分广泛7。(2应用电话网的远程监控系统 这种监控系统使用电话网实现通信,进行远程监控。优点是系统硬件成本较低、建网周期短,信息传输快。缺点是通信数据量较小、实时性和保密性不高。这种监控系统中的上位机只在屏幕上显示数据库中保存的最新数据。每个下位机一般设定为定时采集数据信息,将数据保存在自己的数据库中;如果主站要查询某个子

17、站的数据或执行动作时,上位机通过查询自己数据库,确定应下位机的电话号码,通过拨号方式建立上位机和下位机之间的连接。这种监控系统实时性要求不高,一般用在预防事故的环境8。(3应用光纤的远程监控系统 这种监控系统一般使用光缆作为媒介实现通信。优点是高稳定性、传输容量大、抗干扰能力强。缺点是造价比较昂贵,维护成本高。这种监控系统中,最重要的设备是光纤收发器和串口。光纤收发器用于进行光电之间的转换。由于这种监控系统对稳定性和可靠性要求很严,在串口和光纤收发器选择中也必须严格把关。在广播电视站、通信站中,对发射机的远程监控广泛应用这种监控系统。(4基于Internet的远程监控系统 这种监控系统以计算机

18、为中心、以网络为核心。优点是人们可以从任何地点获取测量的数据信息;缺点是数据传输的可靠性、准确性和实时性较低,网络安全也是一个问题。基于Internet的监控系统适用于异地或者远程控制和数据采集、故障监测、报警等等,其应用范围十分广泛10。1997年1月,首届基于Internet的工业远程诊断研讨会由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办。英国National Instrumen ts公司在其虚拟仪器产品LabView中新增了Internet模块,可以通过Web方式接收测试数据11。著名的皇家仪器公司将LabWindows/CVI以及LabView加入网络通讯处理模块,因而可以通过Internet方

19、式在网络范围内进行监控数据的传送12。此外,许多国际组织也纷纷通过网络进行设备监控与故障诊断咨询和技术推广工作,并制定了一些信息交换格式和标准。国内一些高校、研究所、公司,甚至一些个人正在积极地搞基于Internet的远程监控系统产品的开发13。(5基于无线通信的远程监控系统 这种监控系统利用无线电波来实现主站与各个子站间的数据通信。优点是无需复杂布线、成本低、通信距离远、实时性和可靠性比较高。缺点是在通信信号不好情况下,通信会发生突然中断。这种远程监控系统的关键是要使射频模块的接收灵敏度和发射功率足够高,以扩大站点间的距离,还需要考虑无线电波波段的选择14。基于无线通信的远程监控技术的应用领

20、域十分广泛,比如小区的抄表系统、油田监控系统等都可以采用这种技术来实现。今后,远程监控系统的复杂度不断增加,监控距离不断扩大,仅仅靠一种数据传输方式很难胜任监控系统的要求。采取多种数据传输方式相互配合使用,可以明显降低系统的实现难度。将GPRS、Zigbee等无线通信技术与Internet相结合,应用到远程监控系统中,可以很好地满足复杂监控系统的要求。电网运行监控和铁路运行监控等领域已经广泛使用基于多种数据传输方式的远程监控技术,因此,远程监控技术作为主要能源监测技术的地位不会动摇。1.2.2 水资源监控系统的研究动态随着社会经济的发展,国外许多国家日益重视水资源的现代化管理。在实时监控和管理

21、调度方面,英国、美国、法国和俄罗斯等国家在供水系统、跨流域调水管理系统、灌区优化配水管理系统中均有成功应用实例15,但是大部分系统各自独立,监控范围较小,较少有大范围的综合系统的成熟应用。我国有关水资源实时监控管理系统的研究工作起步较晚,但发展较快并已具备了相当强的基础。2001年水利部决定在海河、黄河、太湖三大流域和辽宁、江苏二省开展水资源实时监控管理系统研究和示范点建设16。但从总体上看,我国对水资源实时监控管理系统的认识、技术水平、投入力度等方面与发达国家相比还存在较大差距,与国家水利现代化建设要求还存在较大的距离,特别是对于城镇水资源的管理更为不足。2002年4月,海河水利委员会编制完

22、成了京津地区重要水源地水源实时监控系统项目建议书,并于八月份完成了京津地区重要水源地水源实时监控系统第一期工程实施方案。该工程投资2992万元,分三批投资,三年完成17。水资源实时监控系统的站点多、地域分布广且分散,需要传输的数据信息的业务量不均衡,组成该系统的传输网络应采用比较经济有效的方案。随着GPRS传输技术不断发展,其在监控领域的应用越来越广泛。GPRS技术通过与互联网相结合使用,延伸了监控空间,降低了系统的开发成本以及运营费用。随着通信技术和Internet技术的不断发展,水资源远程监控系统将会更紧密地与现代通信技术相结合,应用前景非常广阔18。1.3 本文的主要工作本文在充分研究G

23、PRS-Internet网络技术、Zigbee技术、GIS及计算机测控技术的基础上,结合GPRS-Zigbee无线网络实现了基于Internet的水资源远程监控系统。所作主要工作如下:(1阐述课题的研究背景及意义,详细分析了远程监控系统的发展动态及水资源监控系统在国内外的研究动态。(2对水资源远程监控系统涉及的无线通信技术、计算机测控技术、GIS 等关键技术进行了深入研究,分析比较了应答式规约和循环式规约的特点。(3研究确定了水资源远程监控系统的组成结构、主要功能及开发工具。提出了一种新的基于GPRS-Zigbee-Internet的网络通信方式,并对网络结构进行了设计。(4在以上研究的基础上

24、,通过数据库设计、通信规约设计、各个功能模块的设计,实现了监控系统主站端软件(监控中心。监控中心具有数据采集、数据传输、数据分析处理和远程监控等功能,可以动态接收和显示各个终端监测量的数据、远程遥测终端数据、远程遥控终端设备,可以对实时数据、历史数据、数据曲线、报警记录等进行分析处理。(5综述水资源远程监控系统的测试及实际运行效果,并探讨系统设计及运行过程中仍需改进的方面,进一步明确今后研究工作的方向。1.4 本章小结本章首先对课题研究背景和意义进行了阐述,然后对计算机监控系统和水资源监控系统的国内外动态进行了分析研究,最后介绍了本课题完成的主要工作。第2章水资源远程监控技术2.1 无线通信技

25、术2.1.1 GPRS技术GPRS(通用分组无线业务作为一种无线通信的方式,是在模拟技术和全球移动技术基础上发展起来的,是二代通信网络技术向三代移动通信(3G迈进的过渡产品,被称为 2.5代移动通信,目前应用十分广泛。与传统的全球移动通信系统GSM电路拨号交换相比,GPRS在资源利用效率、交换容量和性能上都有一个质的飞跃19。2.1.1.1 GPRS工作原理GPRS在现有的GSM网络基础上叠加了一个新的网络,通过增加硬件设备,形成了一个新的网络实体,提供端到端、广域的无线IP连接。GPRS与GSM 的根本区别是,GSM基于电路交换技术,而GPRS基于分组交换技术。通过GPRS的分组交换技术,终

26、端用户可以不用固定在某一地点,动态使用各种手机业务,例如手机上网浏览信息等20,21。GPRS将移动通信技术与IP技术有机结合,组成了移动IP网络。由于GPRS 是基于现有的GSM网络实现的,需要在现有的GSM网络中增加一些节点: GPRS网关支持节点GGSN(gateway GPRS supporting node、GPRS服务支持节点SGSN(serving GPRS supporting node,并在基站子系统(BSS中增加分组控制单元PCU。GGSN和SGSN是实现GPRS的核心实体,也可通称为GSN22。GPRS通过多个GSM时隙的复用,支持的数据传输速率更高,理论峰值达115KB

27、/s,特别适合突发性、频繁的小流量数据传输,而这些特性也正是远程监测系统数据的特点。因此,它特别适合于各种监测系统的使用,采用GPRS方式是一种非常实用的网络传输方案。2.1.1.2 GPRS的特点GPRS特点如下23,24:(1保持在线状态用户启动GPRS服务后,将保持设备一直在线,就像是一种专用的无线网络。(2非时间计费 即使保持一直在线,但是费用和时间是没有关系的。只有用户使用数据服务产生通信流量时,系统才会根据使用的流量大小,按照规定收费。即是一种面向服务的收费方式,这样用户也放心使用,而且更加人性化。(3连接迅速 由于基于分组交换技术,不必像以往拨号建立连接,而是通过分组数据交换快速

28、实现连接。(4切换灵活 灵活切换使用语音和数据业务,打电话、网上冲浪都十分方便。(5传输高速 GPRS最高理论传输速度为171.2kbit/s,目前GPRS应用可以支持40kbit/s左右的传输速率。GPRS无线通信方式是一种投资少、费用适中的方式,具有运行稳定、维护简单、可扩展性高等优点,但也存在不容忽视的缺点,如传输数据的过程中,数据延时比较大,导致整个数据通道的总延时比较大;信号不好时网络容易中断,导致数据通道丢失;GPRS虽然理论速率大,但实际应用中达不到理论速率等。采用软件手段对传输的数据帧大小进行调整,能在一定程度上提高GPRS 网络的数据传输量。2.1.1.3 GPRS-Inte

29、rnet网络Internet,即因特网,又叫做国际互联网,它是由那些使用公用语言互相通信的计算机连接而成的全球网络。这些资源以电子文件的形式,在线分布在世界各地的数百万台计算机上。Internet网上的用户可以方便地交换信息,共享资源17。互联网采用了流行的服务器/客户机方式,这用使网络信息服务的更加便捷。通过将国家电信网与计算机网络互联形成GPRS-Internet的数据传输网络,这种应用使得控制网络的范围得到了很大的拓展,连接方式如图2-1所示。 图2-1 GPRS-Internet连接示意图GPRS无线通信模块(DTU通过拨号连接到GPRS主干网,主干网然后分配给DTU一个网内动态IP,

30、并将改IP映射到网外IP实现与Internet的连接, DTU与GSM基站连接通信,将GPRS分组数据送到基站,分组数据经GPRS 服务支持节点(SGSN封装后,SGSN通过GPRS主干网与网关支持接点(GGSN进行通信。GGSN对分组数据进行相应的处理,再发送到Internet。反过来, Internet通过逆向过程将数据传回DTU终端,实现了数据的上行传输25,26。如果使用GPRS-Internet网络进行数据传输,用户不必建立自己的专用网络,直接使用电信运营商提供免费的公共网络,通过合理利用通信网络和互联网资源,实现用户所需的通信功能。目前,GPRS通信技术的迅速发展,将其与互联网结合

31、应用进行数据传输,前景广阔。2.1.2 Zigbee技术ZigBee技术是一种传输距离短,传输速率低的无线通信技术,其名字来自蜂群生存的通信方式,蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈,发出信息告诉同伴发现食物的位置,这种特点与Zigbee的技术特点非常相似,因此用两个英文单词ZigZag和蜜蜂(Bee的组合作为该无线通讯技术的名称27。2.1.1.1 Zigbee的特点无线通信技术自无线电发明,就一直广泛被人们研究。近年来,无线通信技术始终向着提高数据传输速率和增加传输距离的目标发展。例如局域网的传输数率从1Mbit/s提高到54Mbit/s。目前研究火热的ZigBee技术则是一种致力于方便使用、

32、生产成本低和能量消耗低的无线通信技术。Zigbee无线通信技术有如下特点28,29:(1数据传输非常可靠 ZigBee的媒体接入控制层采用就绪会话碰撞避免机制。在这种机制下,每个数据帧都需接收方的回复确认信号,如果没有收到确认回复信息,则重新开始一次传输,如此便能够有效提高系统信息传输的可靠性。(2很强的兼容性 通过协调器(Coordinator建立网络,采用侦听和冲突检测方式接入信号通道。ZigBee技术实现了与目前控制网络的完美聚合。(3能量消耗低 工作状态下,ZigBee节点有较低的传输速率,较小的传输数据量,因此数据收发时间很短;在其他状态下,ZigBee节点进入休眠模式。由于工作时间

33、短且采用了休眠模式,节点十分省电。此外,ZigBee技术在应用协议上对电池使用方式作了改善。一般应用情况下,碱性电池可维持三到四年。如果工作时间占到总时间百分之一以下,那么电池维持使用时间将超过十年。(4安全性好 Zigbee在数据传输中提供了三级安全性。第一级是无安全方式,即如果安全性低或者上层已经提供足够的安全保护,器件就可以选择这种方式来转移数据。第二级安全级别中,器件可以使用接入控制清单(ACL来防止非法器件获取数据,不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用高级加密标准(AES的对称密码。(5网络容量大 一个Zigbee的网络最多包括从属(Slave和一个是主控(Master设备

34、共有255个ZigBee节点。同一个区域可以包括近100个Zigbee 网络,如此便可将节点数扩展到2万个以上。(6成本低 ZigBee装置成本估计在五十元左右,且Zigbee协议的专利费可以不用缴纳。2.1.1.2 Zigbee网络结构ZigBee允许使用星型结构和网状结构,也允许使用两者的组合(混合型,如图2-2所示。应用的设计选择决定了拓扑结构的类型。一些应用,诸如PC外设,适合低延时的星型连接,而对于其他应用场合,如涉及到安全要求领域,适合大面积的点对点拓扑结构。 图2-2 Zigbee网络结构图2-2中的全功能器件是指支持49个ZigBee协议所要求的基本参数的器件。按照应用需求,可

35、以将一个全功能器件组装成为任意功能的ZigBee节点。而对简化功能器件,在最小配置的情况下只要求它支持ZigBee协议中的38个基本参数,在一个ZigBee网络中,它仅仅可以起到部分应用价值。一个全能器件可以与简能器件和其他全能器件通话,可以按协调器、器件、个域网协调器三种方式工作。但是简能器件只能与全能器件通话,仅在非常简单的情况下才会用到29。ZigBee无线传感器网络包括分布式传感器节点、路由节点、协调器节点等。协调器节点的职能是创建一个ZigBee网络,而后其作用就和路由节点(Router相同,职能就是数据的转发和路由,并且维持ZigBee网络的正常进行。所有节点,不管是传感器点(Se

36、nsor Point、路由点(Router或协调器点(Coordinator都具有传输感应、处理信号和无线通信的能力,它们既充当数据的发出处的角色,也担当着转发的责任。利用网络自己组织和多跳路由,将数据向协调器点发出并且传送。协调器节点既可以使用RS232总线方式也可以使用无线方式与外界通信。所有的ZigBee网络使用不同网络标识,网络与网络可以通过协调器节点通信。应用领域不同,传感器网络节点的构成也不同,但通常包括电源、传感器和模数转换块、微处理器(存储器、CPU和操作系统和通信单元(由无线通信射频块等,能完成信号监测、数据采集、传输信号的任务。传感器的类型决定于被监测的物理信息情况,节点需

37、用电池供应电量,如果电池消耗干净,节点就失去了功能。为了最大限度地节约电源,在硬件设计方面,要尽量采用低功耗器件,处理器通常选用嵌入式CPU,射频单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成。由于ZigBee最显著的技术特性就是它的低功耗和低成本,其采用较低的数据传输速率、较低的工作频段和更小的栈容量,并且可以将设备的ZigBee模块定义为低功耗的休眠状态使其整体功耗显著降低。使得在绝大多数目标应用场合下仅靠2节标准5号电池的ZigBee模块最大限度的延长使用寿命。2.2 计算机测控技术测控技术在现代科学技术、工业生产和国防等诸领域中的应用十分广泛。测控技术的现代化,已被公认为科学技术和生产现代

38、化的重要条件和明显标志。随着计算机技术、通信技术和电子技术的飞速发展,在现代远程测控领域中,各种先进的测控技术、测控设备和远程通信手段层出不穷。如何提高测控系统远程通信的可靠性、准确性和及时性,以及如何扩大通信的距离,一直是远程测控系统设计和研究过程中必须考虑的一系列关键性的问题。2.2.1 计算机测控系统计算机测控技术主要包括数字量的输出、模拟量的输出、测量脉冲量和频率量、接收数字信息和中断数据信息以及测量和采集模拟输入信号。计算机测控系统把计算机看做控制过程和工业数据采集的核心,被监控对象中的物理参量是由传感器或变送器转换为电信号的,输入装置再将这些电信号转换为计算机可识别的数字量,不但可

39、以以数字、曲线或图形的方式输出,而且还可以将采集的数据存储起来,随时进行分析、统计或传给监控中心。计算机测控系统是由各种面向过程的功能模块通过总线互相连接而组成的。主要包括A/D、D/A、DI、DO、开关量输入和开关量输出等。监控中心微机根据测控单元采集到的物理参量的大小,按照工艺要求的设定值进行判断,然后给测控单元发送控制命令,测控单元根据一定的控制算法在输出装置中输出相应的电信号,并推动执行装置动作从而完成相应的控制任务30。计算机测控系统主要由传感器、计算机、执行机构、测控对象、输入接口、输出接口和控制台等组成,如图2-3所示。计算机测控系统的工作过程通常由以下步骤构成:(1数据采集从传

40、感器或其它待测设备将被测单元中自动采集参数,转化为相对应的电量信号输入计算机。(2数据处理对数据的存储、检索、变化和传输,而测控系统中是由微机根据得到与被测参数相对应的测量结果后,由控制算法输出结果决定下一步的控制过程。(3控制输出指微机实时控制控制机构或数据的打印输出。随着现代网络的逐渐发展,分布式测控系统逐渐走上计算机测控领域的大舞台。分布式技术也朝着多元化发展,满足了许多复杂系统的应用需求。 图2-3 典型计算机机测控系统组成框图2.2.2 分布式控制技术2.2.2.1 技术简介由分布式技术发展而来的控制系统称为分布式控制系统(DCS,又称为集散控制系统,是指多个被控对象由多台计算机或多

41、个处理器分别控制,同时又可集中获取数据、集中管理,是在集中式控制系统的基础上发展而来的。分布式控制系统具有数据获取、直接数字控制以及监控管理等功能,综合了许多技术,它的基本思想是分级管理、配置灵活、组态方便、分散控制和集中操作。通常情况下,按地域把微处理机安装在测控装置附近,管理功能集中,控制功能尽量分散。分布式控制系统包括全分布控制系统、集散控制器、开放式控制系统、分散型控制系统和DCS过程控制系统。主要应用于有中央空调的大型办公楼、商场内的控制系统,也应用于电力、石油和电子等领域31。2.2.2.2 技术特点分布式控制系统具有以下特点32:(1性格比高采用低价的微机构成高性能的系统,与同样

42、功能的大、中型计算机相比,分布式多微机系统的价格仅为三分之一到四十分之一。(2可靠性强“优美降级运行”,即可由其它子系统以“容错”方式带故障运行,全局可靠性不会受到子系统的故障影响,并且子系统之间能够互相检测、诊断和保护,从而提高了整个系统的可靠性。(3模块化结构分布式系统容易实现模块化、通用化,系统功能分散容易扩充,可以实时地动态分配与管理系统,以适应不同环境和用户的要求。(4资源共享 各子系统共享系统中的数据和设备等资源,提高了系统的性价比,也增加了系统的适应性与灵活性。(5响应速度快可通过并行处理或各子系统分别处理来实现快速响应。2.2.3 传感器技术传感器可以把将要测量的非电物理信号的

43、数据依照特定的方式转化成可用的产生电讯号的单元或设备,是测控系统中非常重要的一个组成部分。它连接了将要测定的目标和控制系统,提供了原始的数据信息。伴随着微机的全面的使用,传感器在测控领域的价值就显得更加明显33。传感器技术主要由以下几种:(1温度传感器技术基于该技术的设备又称为数子温度传感器,是基于微电子技术、计算机技术和自动测试技术之上的一种产品。这种设备由温度敏感单元和信号处理单元组成。通常情况下,将这两部分分开放置,这样能够降低信号传送装置产生的能量对温敏设备准确度的影响。在现实生活中经常看到的热敏元件有热电偶、热敏二极管、铂电阻和热敏电阻,这些热敏元件里面,一部分是通过电阻数的微小变动

44、感应温度变化,比如铂电阻和热敏电阻。微制器件是利用温敏感元件的电阻数的有规律的变化来测量温度数据的。(2光电传感器技术 该技术又称为光传感器技术,它是把光讯号变成电讯号的一种技术。其主要通过测量直接产生光讯号的数据变动的非电量,反过来也可以进行检测。该技术具有非接触、响应快、性能可靠等特点,应用范围越来越广,在工农自动化设备和智能设备制造领域里广泛应用。(3多传感器技术 该技术主要是信息融合技术,通过信息融合,极大程度上提高了传感器系统的稳定性和可靠性。多传感器信息融合方法使时空的观测范围有效增加、数据的可信性和分辨能力有效提高,在军事领域广泛应用。(4生物传感器技术 生物传感器技术是将人体生

45、理的反映能量转化成电信号的一种分析测试技术,具有操作方便,分析速度快等优点。它在许多领域的实用价值都非常高。2.3通信规约本节介绍现目前普遍应用的通信规约,可以分为应答式规约(Polling和循环式规约(Cyclic Digital Transmission,CDT34,35两种。通信规约是维持通信所必需的严格约定,即一套信息传输信息格式和内容的约定。2.3.1应答式规约应答式规约即当监控中心和远程终端一对多连接时,监控中心实行主动通信,终端有问必答。监控中心主动查询每个终端,并接收终端上传的数据。(1应答式规约特点终端在收到监控中心查询命令后,必须在规定时间内反馈信息,否则认为通信故障;终端

46、没有收到监控中心查询命令时,不能够主动上报信息;允许多个终端共用一个通道,节省通道资源;通过压缩数据块的长度,提高了数据传输速度;通道适应性强,可以采用全双工通道或半双工通道;(2应答式规约的不足监控中心采集数据速度慢,而且不允许终端主动上报信息,因此对故障的响应速度也慢;一个数据通道供多个终端共享,因此一次通信失败可能会带来比较大的损失;采用整帧校验的方式,出错概率大,降低了传输的实时性;应答式规约的容量较小,对数据传输的时间间隔有一定要求;为了避免接收方接收数据失败,采用防止信息丢失和等待-超时-重发技术,通信控制技术要比CDT规约复杂。2.3.2循环式规约循环式规约(CDT 是以远程终端

47、为主动端,自发的不断循环的向监控中心上报现场数据的远动数据传输规约。该规约适用于点对点通信信道结构,要求发送端与接收端保持严格的同步,信息按事先约定的先后次序排列,并依次循环发送。规约中对通信信息流的帧结构及信息字结构作出了统一规定。(1CDT 规约特点数据传送以现场终端为主,终端按预先约定,周期性的不断循环上报现场数据给监控中心;数据信息以帧为单位,按信息重要程度不同,分为A 、B 、C 、D 、E 帧5种帧类别,上帧与下帧相联,信道一直处于循环传送状态;由于终端不断循环上报现场数据,即使在发生短暂通信失败,当通道恢复正常后,被丢失的信息仍然有机会上报,而不至于造成显著危害;采用信息字校验的

48、方式,将传送信息化整为零,当某个字符出错时,只要丢弃相应的信息字即可,大大提高了传输数据的利用率;采用遥信变位优先插入传送的方式,大大提高了事故传送的响应速度;(2CDT 规约的缺点由于采用循环式规约的子站自发不断循环上报现场数据,因此通道必须采用全双工通信,且不允许多个终端共线连接,只能采用点对点的方式连接。由于采用数据不断循环上报策略,主机对一般遥测量的响应速度较慢。 通过对应答式规约和循环式规约的分析研究,结合水资源监控系统的技术特点,自行设定了符合本系统的通信规约,详见第4章。2.3.3循环冗余校验数据信息在监控中心与远程终端之间传输过程中,会受到各种干扰,使信码出现变形。这种变形在接

49、收端无法正确判别时,就会产生错误判断而误码。本系统为减少信息传输过程中的误码,采用循环冗余校验机制(Cyclic Redundancy Check,CRC 。在发送端,将要传送的数据帧按照一定算法,生成一个CRC 的值,附在数据帧尾一并传送。接收端接收该条数据帧后,按同样算法生成一个CRC 值,与收到的帧尾CRC 值进行比较,若两值相同,则认为该数据帧传输正确,否则认为有错,将错误数据帧丢弃。系统采用16位循环冗余校验,生成多项式见式2-1。16125(1g x x x x =+ (2-1 CRC 校验码的编码方法36是用待发送的二进制数据t(x除以生成多项式g(x,将最后的余数作为CRC校验

50、码。实现步骤如下:(1 设待发送的数据块是m 位的二进制多项式t(x,生成多项式为r阶的g(x。在数据块的末尾添加r个0,数据块的长度增加到m+r位,对应的二进制多项式为xrt(x。(2 用生成多项式g(x去除xr t(x,求得余数为阶数为r-1 的二进制多项式y(x。此二进制多项式y(x就是t(x经过生成多项式g(x编码的CRC 校验码。(3 用xrt(x以模2的方式减去y(x,得到二进制多项式xr t(x。xr t(x就是包含了CRC校验码的待发送字符串。通过循环冗余校验的编码规则可以判断出以下问题:循环冗余校验编码就是把要发送的n位二进制多项式t(x转变成了能够让g(x除尽的n+k位二进

51、制多项式xk t(x,在解码时将接收的数据去除去除多项式g(x,结果如有余数的话,就判断出了数据在传输时有问题产生,就是出现错误;如余数值为零则表示传输过程没有错误。2.3.4 TCP/IP协议在因特网所使用的各种协议中,最重要和最著名的是TCP(Transmission Control Protocol和IP(Internet Protocol两个协议。当今人们提到的TCP/IP 往往是表示因特网所使用的体系结构或指整个的TCP/IP协议族。TCP/IP考虑各种异构网的互连问题,将网际协议IP作为TCP/IP的重要组成部分。TCP/IP 既面向连接服务,也可以面向无连接服务;有良好的网络管理

52、功能。TCP/IP体系结构如2-4图所示。 图2-4 TCP/IP体系结构2.4 GIS技术地理信息系统(Geographic Information System,GIS是一门跨学科新兴学科,它是把许多学科联系在一起,具体有如下学科:地理学、计算机科学、空间科学、环境科学、管理科学和信息科学。它在计算机硬、软件环境的支持下,以地理空间数据库为基础,对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示。地理信息系统提供空间和动态的地理信息,是一种提供决策服务信息系统37。GIS的主要作用是根据空间的相关参数和方法,利用初始资料和参数进行研究和修正,使客户得到自己需要的经验和知识,然后按照这个结

53、果进行下一步行动方向的安排。地理信息系统实现由数据采集、存储管理、分析处理、结果生成四个阶段构成。GIS的最重要的载体是地理实物和能量及其相关文字、数字、地图和影像等形象标示。就地图来说,既可以负载信息,又可以传播信息。GIS将地理位置和其位置相关的属性有机综合的总结联系起来,根据客户的实际需要真实而形象的发送给客户,客户的需求可以得到充分满足。总之,就水资源远程监控的实际应用而言,由于监控范围很广,且水资源检测工作与地理信息密切相关,合理的利用GIS的数据管理和空间分析等功能的话,既可以宏观管理,又可以微观管理,非常便于水资源日常的运行管理和分析决策。2.5 本章小结本章主要研究分析了GPR

54、S技术、ZigBee技术、计算机测控技术、地理信息系统和通信规约。GPRS及ZigBee技术主要介绍了其通信原理及技术特点。计算机测控技术主要介绍了计算机测控系统的组成结构、功能和性能规范等。对通信规约进行了详细的分析比较,并对循环冗余校验进行了研究。最后通过对GIS技术介绍,说明了将该技术应用到水资源监控系统中的优越性。第3章 系统组成结构、实现的功能和开发工具3.1 系统组成结构水资源远程监控系统由一台监控中心微机和多台监控终端(FTU 组成。监控中心微机位于水资源管理部门的监控中心,监控终端位于用户提取水资源的泵房或管网阀门现场,通过GPRS-Zigbee 无线方式结合Internet

55、网络实现监控中心-监控终端之间的远程信息传输。系统组成结构如图3-1所示。 3.1.1 监控中心微机监控中心微机位于机房,微机上装有水资源远程监控系统软件。操作员通过监控中心软件界面查看终端设备运行状态,监控整个系统的运行。监控中心接收到终端主动上传或应答反馈的参数信息时,能够进行实时的数据分析和处理;监控中心能够实现对各个远程终端的定时监测和控制,显示远程终端的实时运行状态和参数,当发现远程终端运行故障时报警;实现取水管理、日志管理、用户管理、报表管理、地理信息管理等功能;监控中心微机安装有数据库系统,存储水资源监控系统相关信息。监控中心和终端之间通过Zigbee-GPRS-Internet

56、 网络实现数据通信。监控中心发送监测命令时,首先通过Internet 发送到GPRS 无线模块,然后再转发到Zigbee 网络的每个终端,终端收到报文后,解释执行报文并将执行结果返回监控中心。3.1.2 远程监控终端远程监控终端位于用户提取水资源的泵房或管网阀门现场,由监控单元、Zigbee 模块、开关线路、数字式水表和UPS 电源等组成。终端之间采用Zigbee 无线方式通信。监控终端通过无线通信方式(Zigbee-GPRS 接收监控中心的信息,并通过判断报文中的功能执行相应的动作。当现场市电停电时由UPS 供电,并主动发送报文至监控中心。可以将监控终端的Zigbee 通信节点设置为低功耗模

57、式,也就是在没有数据量传送的时候降低功耗,如此就能够延长使用时间。监控终端硬件结构如图3-2所示。 图3-2 监控终端硬件结构3.1.3 网络结构设计远程终端通过GPRS-Zigbee 无线方式实现与监控中心Internet 网络之间的远程信息传输。Zigbee 网络采用混合型网络结构。ZigBee 网络由协调器节点、路由节点及监控终端组成。每个ZigBee 网络具有独立的网络号,由该网络的协调节点和一个GPRS 模块相互连接,进行透明数据传输。每个监控区域网络内的终端通过Zigbee 小型网络实现相互通信。每个终端都连接有一个Zigbee 通信节点,在ZigBee 网络中,所有节点的数据都通

58、过路由送往协调节点,协调器节点将数据传输采用了完全确认的数据传输机制和碰撞避免机制,整个通信网络的可靠性和安全性都十分高。每个Zigbee网络可以同时连接254个子节点,而且每个监控区域内可以同时存在100多个独立且相互覆盖的ZigBee网络。这样网络扩展灵活自如,同时容量实现大范围的增加,能够适应水站水库多个监测点的需求。因此,应用ZigBee网络实现对水资源多个站点数据的采集相当方便。3.2 系统实现的功能水资源远程监控系统综合了计算机技术、自动控制技术和无线通信技术,实现了对城镇水资源的远程实时监控和信息管理。该系统能够控制水资源的提取,对用户取水信息进行分析处理,提高了水资源管理水平。系统功能组成如图3-3所示。(1远程监测功能监控中心微机通过定时、实时检测方式,对水资源、 图3-3 系统功能组成取水井、取水设备的状态参数进行监测,具体包括用户取