無(wú)線(xiàn)傳輸在實(shí)時(shí)水位監測系統中的應用介紹

隨著(zhù)我國信息化進(jìn)程的推進(jìn),水利行業(yè)也面臨著(zhù)信息化建設的問(wèn)題[1]。目前,水利行業(yè)的信息化受到高度重視,水利系統的信息化改造也取得了一定的成績(jì),但同時(shí)也普遍存在著(zhù)網(wǎng)絡(luò )功能和數據共享能力弱、數據更新周期長(cháng)、數據可視化手段單一等弱點(diǎn),使得進(jìn)一步完善數字化水文系統成為當務(wù)之急。本文源于杭州市河道防汛水位控制監測系統改造項目,原系統采用公用電話(huà)網(wǎng)絡(luò )(PSTN)作為數據傳輸網(wǎng)絡(luò ),利用撥號方式進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的通信,實(shí)現水位數據采集傳輸,在實(shí)際使用過(guò)程中存在下列問(wèn)題：

(1) 終端系統功能限制：系統僅具備定時(shí)主動(dòng)巡測各個(gè)水位監測點(diǎn)的功能,不能實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測。

(2) PSTN撥號方式數據傳輸的限制：系統不能實(shí)現對某一個(gè)點(diǎn)的連續水位監控,更不能在汛期實(shí)現對多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的連續水位檢測或多個(gè)監控單位同時(shí)對某一關(guān)鍵點(diǎn)的檢測。當多個(gè)部門(mén)如防汛指揮部、市排水總公司、市河道養護所等多家單位同時(shí)查詢(xún)同一個(gè)水位監測點(diǎn)時(shí)將發(fā)生撥號沖突。

(3) 安裝困難：由于河道水位監測點(diǎn)均在室外,若新增監測點(diǎn)便需鋪設安裝電話(huà)線(xiàn),個(gè)別監測點(diǎn)難以實(shí)現。

(4) 沒(méi)有數據管理平臺：使得各個(gè)部門(mén)的數據得不到同步,無(wú)法集中統一管理。

綜上所述,考慮到河道檢測點(diǎn)的分布狀況及現有無(wú)線(xiàn)信號傳輸的技術(shù)特點(diǎn),采用中國移動(dòng)GPRS或中國聯(lián)通CDMA 1x為數據傳輸網(wǎng)絡(luò ),代替原有的電話(huà)撥號方式靈活地實(shí)現水位監測設備接入,工程安裝簡(jiǎn)單,能很好地解決偏遠無(wú)網(wǎng)絡(luò )無(wú)電話(huà)線(xiàn)路地區的數據傳輸的難題。同傳統的數傳電臺相比較,更具有簡(jiǎn)便性、靈活性、易操作性,同時(shí)還降低了成本,無(wú)線(xiàn)傳輸方案是現代化工業(yè)現場(chǎng)數據傳輸最佳的選擇方案。建立統一的數據管理平臺,多個(gè)單位從中心服務(wù)器按需獲取數據,實(shí)現各單位都能實(shí)時(shí)獲得水位監測點(diǎn)數據。由于篇幅所限,本文著(zhù)重于系統總體設計,對于嵌入式終端系統如何實(shí)現Internet接入將不再贅述。

1 系統總體方案

系統總體方案如圖1所示。終端系統采用GPRS／CDMA無(wú)線(xiàn)接入。Internet,與中心服務(wù)器實(shí)現數據通信,終端將采集到的水位數據進(jìn)行本地存儲,并按照中心服務(wù)器的指令將數據發(fā)送至中心服務(wù)器。中心服務(wù)器負責各個(gè)監測終端的狀態(tài)管理及各個(gè)監測點(diǎn)的水位數據存儲,并提供一個(gè)基于GIS的數據管理平臺。各個(gè)相關(guān)單位通過(guò)VPN授權訪(fǎng)問(wèn)獲取中心服務(wù)器提供的各個(gè)監測點(diǎn)的實(shí)時(shí)和歷史數據以及相關(guān)報表。

1.1 河道水位監測系統設計

水位監測終端通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸方式連接至中心服務(wù)器。目前可供選擇的無(wú)線(xiàn)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )有：中國移動(dòng)GPRS和中國聯(lián)通CDMA 1x。GPRS是中國移動(dòng)基于GSM網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸網(wǎng)絡(luò ),目前中國移動(dòng)普遍采用CS-2,編碼速率為13.4kbps,工業(yè)所使用的GPRS模塊最高等級為Class10,即支持4個(gè)下行時(shí)隙,2個(gè)上行時(shí)隙,同時(shí)最多使用5個(gè)時(shí)隙,所以目前采用GPRS傳輸的速率為下行53.6kbps(4Timeslots)上行26.8kbps(2Timeslots)。CD-MA 1x是中國聯(lián)通基于CDMA的數據傳輸網(wǎng)絡(luò ),目前在支持1個(gè)SCH(補充業(yè)務(wù)信道)Release0的情況下RC3(無(wú)線(xiàn)配置)定義的前向(下行)信道最高數據速率為153.6kbps,反向(上行)信道最高數據速率為76.8kbps。

之所以選擇以GPRS為主、以CDMA為輔的組網(wǎng)方案,是因為在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現在偏遠地區GPRS的覆蓋率(Rx≥-95dBm)較CDMA略有優(yōu)勢。但CDMA的軟切換及其相關(guān)技術(shù)在掉線(xiàn)率的控制上優(yōu)于GPRS技術(shù)[2]。

1.2 中心服務(wù)器接入方式

中心站接人Intemet的方式可大致分為專(zhuān)網(wǎng)和公網(wǎng)兩種。

·專(zhuān)網(wǎng)方式：即中心站與水位監測終端都在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )內部,通過(guò)向無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商申請APN專(zhuān)網(wǎng)業(yè)務(wù),中心站與終端均使用內網(wǎng)地址(私有地址)相互通信。

·公網(wǎng)方式：中心站通過(guò)其他運營(yíng)商(如中國電信、中國網(wǎng)通等)接入Internet,水位監測終端通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接入Internet,從而實(shí)現終端與服務(wù)器之間的相互通信。

由于本系統將采用以GPRS為主、以CDMA為輔的網(wǎng)絡(luò )結構,所以不適合采用移動(dòng)專(zhuān)網(wǎng)接人,故采用固定IP接入Internet的公網(wǎng)組網(wǎng)方式。同時(shí)中心站架設虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )VPN(Virtual Private Network)服務(wù)器,使其他相關(guān)部門(mén)通過(guò)基于Internet的VPN方式授權訪(fǎng)問(wèn)中心服務(wù)器。VPN利用不可靠的公用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )作為信息傳輸媒介,通過(guò)附加的安全隧道、用戶(hù)認證、訪(fǎng)問(wèn)控制等技術(shù)實(shí)現與專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )類(lèi)似的安全性能,從而實(shí)現對重要信息的安全傳輸。這種方式成本低,并且克服了Internet不安全的特點(diǎn)。

2 水位監測終端設計

水位監測終端需要實(shí)現以下幾個(gè)功能[3]：

(1) 為了能實(shí)現連續快速的實(shí)時(shí)水位監測,水位采集終端首先需要具有快速實(shí)時(shí)水位采集傳輸的功能。

(2) 在非實(shí)時(shí)監測工作模式下,能夠根據設定進(jìn)行定時(shí)水位采集并能將數據長(cháng)時(shí)期保存在本地。

(3) 保存在本地的歷史水位數據能夠按照中心服務(wù)器的需要上報。

(4) 能夠將當時(shí)的水位與設定的水位上下閾值進(jìn)行比較,若越限應向中心服務(wù)器自動(dòng)報警。